PID控制PWM調(diào)節(jié)直流電機速度(12v)

1、1本次設計主要研究的是PID控制技術(shù)在運動控制領域中的應用，縱所周知運動控制系統(tǒng)最主要的控制對象是電機，在不同的生產(chǎn)過程中，電機的運行狀態(tài)要滿足生產(chǎn)要求，其中電機速度的控制在占有至關(guān)重要的作用，因此本次設計主要是利用PID控制技術(shù)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制。其設計思路為：以AT89S51單片機為控制核心，產(chǎn)生占空比受PID算法控制的PWM脈沖實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制。同時利用光電傳感器將電機速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機中，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，達到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采12864LCD顯示器作為顯示部件，通過44鍵盤設置P、I、D、V四個參數(shù)和正反轉(zhuǎn)控制，啟動后通過顯示部件了解電機當前的

2、轉(zhuǎn)速和運行時間。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機驅(qū)動模塊、控制模塊、速度檢測模塊、人機交互模塊。軟件部分采用C語言進行程序設計，其優(yōu)點為：可移植性強、算法容易實現(xiàn)、修改及調(diào)試方便、易讀等。本次設計系統(tǒng)的主要特點：（1）優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動控制，誤差補償；（2）使用光電傳感器將電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為脈沖頻率，比較精確的反映出電機的轉(zhuǎn)速，從而與設定值進行比較產(chǎn)生偏差，實現(xiàn)比例、積分、微分的控制，達到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的；（3）使用光電耦合器將主電路和控制電路利用光隔開，使系統(tǒng)更加安全可靠；（4）12864LCD顯示模塊提供一個人機對話界面，并實時顯示電機運行速度和運行時間； （5）利用Pr

3、oteus軟件進行系統(tǒng)整體仿真，從而進一步驗證電路和程序的正確性，避免不必要的損失；（6）采用數(shù)字PID算法，利用軟件實現(xiàn)控制，具有更改靈活，節(jié)約硬件等優(yōu)點；（7）系統(tǒng)性能指標：超調(diào)量8；調(diào)節(jié)時間4s；轉(zhuǎn)速誤差1r/min。1 PID算法及PWM控制技術(shù)簡介1.1 PID算法控制算法是微機化控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現(xiàn)。目前提出的控制算法有很多。根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行的控制，稱為PID控制。實際經(jīng)驗和理論分析都表明，PID控制能2比 例微 分積 分執(zhí)行機構(gòu)對象r(t)+-+u(t)c(t)e(t)夠滿足相當多工業(yè)對象的控制要求，至

4、今仍是一種應用最為廣泛的控制算法之一。下面分別介紹模擬PID、數(shù)字PID及其參數(shù)整定方法。1.1.1 模擬PID在模擬控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是PID控制，常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1.1所示，系統(tǒng)由模擬PID調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構(gòu)及控制對象組成。 圖1.1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成的)(tr)(tc控制偏差： = )(te)(tr)(tc（1.1）將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制，故稱為PID調(diào)節(jié)器。在實際應用中，常根據(jù)對象的特征和控制要求，將P、I、D基本控制規(guī)律進行適當組合，以達到對被控

5、對象進行有效控制的目的。例如，P調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器等。模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 )()(1)()(0dttdeTdtteTteKtuDtIp（1.2）式中，為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。PKITDT簡單的說，PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是：（1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號,偏差一旦產(chǎn)生，調(diào))(te節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差；（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強；ITIT（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中

6、引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。3由式1.2可得，模擬PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 )11 ()()()(STSTKSESUSDDIP（1.3）由于本設計主要采用數(shù)字PID算法，所以對于模擬PID只做此簡要介紹。1.1.2 數(shù)字PID在DDC系統(tǒng)中，用計算機取代了模擬器件，控制規(guī)律的實現(xiàn)是由計算機軟件來完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設計，實際上是計算機算法的設計。由于計算機只能識別數(shù)字量，不能對連續(xù)的控制算式直接進行運算，故在計算機控制系統(tǒng)中，首先必須對控制規(guī)律進行離散化的算法設計。為將模擬PID控制規(guī)律按式（1.2）離散化，我們把圖1.1中、)(tr)(te、在

7、第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用、表示，于是式)(tu)(tc)(nr)(ne)(nu)(nc（1.1）變?yōu)?：= )(ne)(nr)(nc（1.4）當采樣周期T很小時可以用T近似代替，可用近似代替，dt)(tde) 1()(nene“積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 Tnenedttde) 1()()(（1.5） tniTiedtte01)()(（1.6）這樣，式（1.2）便可離散化以下差分方程 01)1()()()()(uneneTTneTTneKnuniDIP（1.7）上式中是偏差為零時的初值,上式中的第一項起比例控制作用,稱為比例（P）項0u,即 )(nuP )()(neKnuPp（1.

8、8）4第二項起積分控制作用,稱為積分（I）項即)(nuI niIPIieTTKnu1)()(（1.9）第三項起微分控制作用,稱為微分（D）項即)(nuD )1()()(neneTTKnuDPD（1.10）這三種作用可單獨使用(微分作用一般不單獨使用)或合并使用,常用的組合有:P控制: 0)()(ununuP（1.11）PI控制: 0)()()(unununuIP（1.12） PD控制: 0)()()(unununuDP（1.13）PID控制: 0)()()()(ununununuDIP（1.14）式（1.7）的輸出量為全量輸出,它對于被控對象的執(zhí)行機構(gòu)每次采樣時)(nu刻應達到的位置。因此,式

9、（1.7）又稱為位置型PID算式。由（1.7）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差,不)(ie僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此對式（1.7）進行改進。根據(jù)式（1.7）不難看出u(n-1)的表達式，即 011)2() 1()() 1() 1(uneneTTneTTneKnuniDIP（1.15）將式（1.7）和式（1.15）相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為) 1()()(nununu )2() 1(2)()()1()(neneneKneKneneKDIP（1.16） 從上式可得數(shù)字PID位置型控制算式為5PID位置算法控制器被控對象r(t)+-e(t)uc(t)

10、PID增量算法控制器被控對象r(t)+-e(t)uc(t) )(nu0)2() 1(2)()()1()(uneneneKneKneneKDIP（1.17）式中： 稱為比例增益；PK 稱為積分系數(shù)；IPITTKK 稱為微分系數(shù)1。TTKKDPD數(shù)字PID位置型示意圖和數(shù)字PID增量型示意圖分別如圖1.2和1.3所示：圖1.2 數(shù)字PID位置型控制示意圖 圖1.3 數(shù)字PID增量型控制示意圖1.1.3 數(shù)字PID參數(shù)整定方法如何選擇控制算法的參數(shù)，要根據(jù)具體過程的要求來考慮。一般來說，要求被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應能保持在給定值，操作變量不宜

11、過大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要求是很困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結(jié)為理論計算法和工程整定法兩種。用理論計算法設計調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數(shù)學模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此，實際用得較多的還是工程整定法。這種方法最大優(yōu)點就是整定參數(shù)時不依賴對象的數(shù)學模型，簡單易行。當然，這是一種近似的方法，有時可能略嫌粗糙，但相當適用，可解決一般實際問題。下面介紹兩種常用的簡易工程整定法。（1）擴充臨界比例度法6這種方法適用于有自平衡特性的被控對象。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參

12、數(shù)的步驟是：選擇一個足夠小的采樣周期，具體地說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作：工作時，去掉積分作用和微分作用，使調(diào)節(jié)器成為純比例調(diào)節(jié)器，逐漸減小比例度（）直至系統(tǒng)對階躍輸入的響應PK/1達到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時的臨界比例度及系統(tǒng)的臨界振蕩周期。KkT選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準，將DDC的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較?？刂菩Ч脑u價函數(shù)通常用誤差平方面積表02)(te示。 控制度 模擬)()(0202dttedtteDDC（1.18）實際應用中并不需要計算出兩個誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理概念。通常，當控制度

13、為1.05時，就可以認為DDC與模擬控制效果相當；當控制度為2.0時，DDC比模擬控制效果差。根據(jù)選定的控制度，查表1.1求得T、的值1。PKITDT表1.1 擴充臨界比例度法整定參數(shù)（2）經(jīng)驗法經(jīng)驗法是靠工作人員的經(jīng)驗及對工藝的熟悉程度，參考測量值跟蹤與設定值曲線，來調(diào)整P、I、D三者參數(shù)的大小的，具體操作可按以下口訣進行：控制度控制規(guī)律TPKITDT1.05PI0.03KT0.53K0.88KT1.05PID0.014KT0.63K0.49KT0.14KT1.20PI0.05KT0.49K0.91KT1.20PID0.043KT0.047K0.47KT0.16KT1.50PI0.14KT0

14、.42K0.99KT1.50PID0.09KT0.34K0.43KT0.20KT2.00PI0.22KT0.36K1.05KT2.00PID0.16KT0.27K0.40KT0.22KT7參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查；先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；曲線偏離回復慢，積分時間往下降；曲線波動周期長，積分時間再加長；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來；動差大來波動慢，微分時間應加長。下面以PID調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗法的整定步驟：讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)=0，實際微分系數(shù)=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，IKDK由小到大改變比例系數(shù)，讓擾動信號

15、作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿PK意的控制過程為止。取比例系數(shù)為當前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)，同樣讓擾PKIK動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，觀察控制過程有無改善，如有改IKPK善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)增大一些，再調(diào)整積分系PK數(shù)，力求改善控制過程。如此反復試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)和積分系IKPK數(shù)為止。IK引入適當?shù)膶嶋H微分系數(shù)和實際微分時間，此時可適當增大比例系數(shù)DKDT和積分系數(shù)。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復調(diào)整，直到控制過PKIK程滿意為止。PID參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。大慣量如

16、：大烘房的溫度控制，一般P可在10以上,I在（3、10）之間,D 在 1左右。小慣量如：一個小電機閉環(huán)控制，一般P在（1、10）之間,I在（0、5）之間,D在（0.1、1）之間,具體參數(shù)要在現(xiàn)場調(diào)試時進行修正。1.2 PWM脈沖控制技術(shù)PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。1.2.1 PWM控制的基本原理8abcdabii(t)i(t)e(t)RL0在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。

17、這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖1.4中a、b、c所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖1.4的a為矩形脈沖，圖1.4的b為三角脈沖，圖1.4的c為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于1，那么，當它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應基本相同。當窄脈沖變?yōu)槿鐖D1.4的d所示的單位脈沖函數(shù)時，環(huán)節(jié)的響應即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。)(t圖1.4 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖1.5a的電路是一個具體的例子。圖中為窄脈沖，其形狀和面積分別如)(te圖1.4的a、b、c、d所示，為電路的輸

18、入。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的R-L電路上，設其電流為電路的輸出。圖1.5b給出了不同窄波時的響應波形。)(ti)(ti從波形可以看出，在的上升段，脈沖形狀不同時的形狀也略有不同，但其)(ti)(ti下降段幾乎完全相同。脈沖越窄，各波形的差異也越小。如果周期性的施加上)(ti述脈沖，則響應也是周期性的。用傅立葉級數(shù)分解后將可看出，各在低頻)(ti)(ti段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同2。 圖1.5 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形1.2.2 直流電機的PWM控制技術(shù)f(t)0tf(t)0t0tf(t)0tf(t)0t0t a bcd9U(t)0tTt0U直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速

19、平滑、方便，調(diào)速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)領域中得到了廣泛的應用。直流電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵磁磁通和改變電樞回路電阻。針對三種調(diào)速方法，都有各自的特點，也存在一定的缺陷。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實現(xiàn)有級調(diào)速，減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但這種方法的調(diào)速范圍不大，一般都是配合變壓調(diào)速使用。所以在直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速為主。其中，在變壓調(diào)速系統(tǒng)中，大體上又可分為可控整流式調(diào)速系統(tǒng)和直流PWM調(diào)速系統(tǒng)兩種。直流PW

20、M調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點：由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好、穩(wěn)速精度高、調(diào)速范圍寬。同樣，由于開關(guān)頻率高,快速響應特性好,動態(tài)抗干擾能力強，可以獲得很寬的頻帶；開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，因此主電路損耗小、裝置效率高；直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。正因為直流PWM調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點，并且隨著電力電子器件開關(guān)性能的不斷提高，直流脈寬調(diào)制( PWM) 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字電路已被大規(guī)模集成電路所取代，這就使得數(shù)字調(diào)制技術(shù)成為可能。目前，在該領域中大部分應用的是

21、數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)。電動機調(diào)速系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一。采用微機控制后，整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化，并且結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、操作維護方便,電動機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達到較高水平，靜動態(tài)各項指標均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。下面主要介紹直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)的算法實現(xiàn)。根據(jù)PWM控制的基本原理可知，一段時間內(nèi)加在慣性負載兩端的PWM脈沖與相等時間內(nèi)沖量相等的直流電加在負載上的電壓等效，那么如果在短時間T內(nèi)脈沖寬度為,幅值為U，由圖1.6可求得此時間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為：0t10U(t)0tTt0U2T2t03T3t04t0nT (n+1)t0 圖1.

22、6 PWM脈沖，若令，即為占空比，則上式可化為： TUtU00Tt0 (U為脈沖幅值) UU0（1.19）若 PWM 脈沖為如圖1.7所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計算方法與上述相同，即 （為矩形脈沖占空比） UTUtnTUntU000（1.20）圖1.7 周期性PWM 矩形脈沖由式1.20可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值U和占空比來實現(xiàn)，因為在實際系統(tǒng)設計中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制占空比的大小實現(xiàn)等效直流電壓在0U之間任意調(diào)節(jié)，從而達到利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的目的。2 設計方案與論證2.1 系統(tǒng)設計方案根據(jù)系統(tǒng)設計的任

23、務和要求，設計系統(tǒng)方框圖如圖2.1所示。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現(xiàn)人機交互功能，其中通過鍵盤將需要設置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機中，并且通過控制器顯示到顯示器上。在運行過程中控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到電機驅(qū)動電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機轉(zhuǎn)速，同時利用速度檢測模塊將當前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過數(shù)字PID運算后改變PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速實時控制的目的。11鍵盤模塊控制器模塊顯示模塊電機驅(qū)動模塊直流電機速度檢測模塊PWM脈沖圖2.1 系統(tǒng)方案框圖系統(tǒng)各模塊采用的方案如下：（1）控制模塊： 采用AT89S51單片機；（2）電機驅(qū)動模塊：采用直流電機驅(qū)動芯片L29

24、8N實現(xiàn)；（3）速度采集模塊：采用光電傳感器；（4）顯示模塊： 采用12864LCD液晶顯示模塊；（5）鍵盤模塊： 采用標準的44矩陣式鍵盤；（6）電源模塊： 采用7805、7812芯片實現(xiàn)。3 單元電路設計3.1 硬件資源分配本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見圖3.1所示。采用AT89S51單片機作為核心器件，轉(zhuǎn)速檢測模塊作為電機轉(zhuǎn)速測量裝置，通過AT89S51的P3.3口將電脈沖信號送入單片機處理，L298作為直流電機的驅(qū)動模塊，利用12864LCD顯示器和44鍵盤作為人機接口。P0.0P0.712864LCD顯示模塊P2.7P2.6電機驅(qū)動模塊P2.0P0.5544鍵盤P1.0P1.3P1.

25、4P1.744L0L3H0H3P3.2/INT0AT89S51P3.3/INT1電機轉(zhuǎn)速檢測四輸入與門12U7C20.33FC60.33FVin1GND2+5V3U47805Vin1GND2+12V3U37812C30.1FC70.1F+5v+12v1234U6C820FC53300FC420FC13300F12J1220V圖3.1 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖3.2 電源電路設計電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運行。在本系統(tǒng)中直流電機需要12V電源，而單片機、顯示模塊等其它電路需要5V的電源，因此電路中選用7805和7812兩種穩(wěn)壓芯片，其最大輸出電流為1.5A，能夠滿足系統(tǒng)的

26、要求，其電路如圖3.2所示。圖3.2 電源電路3.3 電機驅(qū)動電路設計驅(qū)動模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機的I/O口不能直接驅(qū)動電機，只有引入電機驅(qū)動模塊才能保證電機按照控制要求運行，在這里選用L298N電機驅(qū)動芯片驅(qū)動電機，該芯片是由四個大功率晶體管組成的H橋電路構(gòu)成，四個晶體管分為兩組，交替導通和截止，用單片機控制達林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。其中輸出腳（SENSEA和SENSEB）用來連接電流檢測電阻，Vss接邏輯控制的電源。Vs為電機驅(qū)動電源。IN1-IN4輸入引腳為標準TTL 邏輯電平信號，用來控制H橋的開與關(guān)即實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)

27、，ENA、ENB引腳則為使能控制端，用來輸入PWM信號實現(xiàn)電機調(diào)速。其電路如圖3.3所示，利用兩個光電耦合器將單片機的I/O與驅(qū)動電路進行隔離，保證電路安全可靠。這樣單片機產(chǎn)生的PWM脈沖控制L298N的選通端7，使電機在PWM脈沖的控制下正常運行，其中四個二極管對芯片起保護作用。13A1A2SE N111Y 121Y 23Vs41A 151E N61A 27GN D8Vcc92A 1102A 2122E N112Y 1132Y 214SE N215U5L298ND4D3D1D2C1020FC920F+5V+12V+12VR1470R25KR45KR3470R5470MG 1P2.7P2.6P

28、2.5圖3.3 電機驅(qū)動電路3.4 電機速度采集電路設計在本系統(tǒng)中由于要將電機本次采樣的速度與上次采樣的速度進行比較，通過偏差進行PID運算，因此速度采集電路是整個系統(tǒng)不可缺少的部分。本次設計中應用了比較常見的光電測速方法來實現(xiàn)，其具體做法是將電機軸上固定一圓盤，且其邊緣上有N個等分凹槽如圖3.5（a）所示，在圓盤的一側(cè)固定一個發(fā)光二極管，其位置對準凹槽處，在另一側(cè)和發(fā)光二極光平行的位置上固定一光敏三極管，如果電動機轉(zhuǎn)到凹槽處時，發(fā)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導通，反之三極管截止，電路如圖3.4（b）所示，從圖中可以得出電機每轉(zhuǎn)一圈在P3.3的輸出端就會產(chǎn)生N個低電平。這樣就

29、可根據(jù)低電平的數(shù)量來計算電機此時轉(zhuǎn)速了。例如當電機以一定的轉(zhuǎn)速運行時，P3.3將輸出如圖3.5所示的脈沖，若知道一段時間t內(nèi)傳感器輸出的低脈沖數(shù)為n，則電機轉(zhuǎn)速v=r/s。圓盤 光敏三極管發(fā)光二極管+5VP3.3470200R1R214VSSVDDVORSR/WEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CS1CS2/RSTVEEAK1234567891011121314151617181920 (a) (b)圖3.4 電機速度采集方案圖3.5 傳感器輸出脈沖波形3.5 顯示電路設計 根據(jù)設計要求要對系統(tǒng)各項參數(shù)和電機運行狀態(tài)進行顯示，因此在電路中加入顯示模塊是非常必要的。在系統(tǒng)運行過程

30、中需要顯示的數(shù)據(jù)比較都，而且需要漢字顯示，在這里選用12864液晶顯示器比較適合，它是一種圖形點陣液晶顯示器,主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及12864全點陣液晶顯示器組成，可完成漢字（1616）顯示和圖形顯示共有20個引腳8，其引腳名稱及引腳編號的對應關(guān)系如圖3.6，引腳功能如表3.1所示。 圖3.6 12864LCD引腳分布表3.1 12864液晶顯示模塊引腳功能引腳符 號引 腳 功 能引腳符 號引 腳 功 能1VSS電源地15CS1CS1=1芯片選擇左邊64*64點2VDD電源正+5V16CS2CS2=1芯片選擇右邊64*64點3VO液晶顯示驅(qū)動電源17/RST復位（低電平有效）4RSH：數(shù)據(jù)

31、輸入；L：指令碼輸入18VEELCD驅(qū)動負電源150123456789傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳H0H1H2H3L0L1L2L3P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RX D10P3.1/TX D11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GN D20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728RSEN29ALE30EA31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.33

32、6P0.237P0.138P0.039VCC40U189S511234567891011121314151617181920LCDPO T110KR710KR847+5C15220F123456789RN 85K+5v+5v+5vP2.5P2.6P2.75R/WH：數(shù)據(jù)讀??；L：數(shù)據(jù)寫入19A背光電源（+）6E使能信號。20K背光電源（-）7-14DB0-DB7數(shù)據(jù)線有些型號的模塊19、20腳為空腳12864液晶顯示器與單片機的連接電路如圖3.7所示：圖3.7 顯示模塊電路圖3.6 鍵盤電路設計根據(jù)設計需求，本系統(tǒng)中使用了44鍵盤用以實現(xiàn)對P、I、D三個參數(shù)和電機正反轉(zhuǎn)的設定，以及對電機啟動、

33、停止、暫停、繼續(xù)的控制，其電路原理圖如圖4.8所示。圖中L0L3為44鍵盤的列信號，H0H3為44鍵盤的行信號。在本系統(tǒng)中，用P1.0P1.3連接鍵盤的列信號L0L3；用P0.4P0.7連接鍵盤的行信號H0H39。按照要求設計操作面板如圖3.8所示：16圖3.8 鍵盤模塊鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運行時，12864LCD將顯示開機界面，若按下設置鍵顯示屏進入?yún)?shù)設置界面，此時按1、2、3、4進入相應參數(shù)的設置的狀態(tài)，輸入相應的數(shù)字即可完成該參數(shù)的設置，待所有量設置完成后按正/反控制鍵設置正反轉(zhuǎn)，最后按啟動鍵啟動系統(tǒng)，在運行過程中可按下相應鍵對電機進行暫停、繼續(xù)、停止運行的控制。4 軟件設計4.1

34、 算法實現(xiàn)4.1.1 PID算法本系統(tǒng)設計的核心算法為PID算法，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設定值進行比較得出偏差，對偏差進)(ne行P、I、D運算最終利用運算結(jié)果控制PWM脈沖的計算e(n)計算KIe(n)計算KP(e(n)-e(n-1)計算KD(e(n)-2e(n-1)+e(n-2)計算u(n)計算u(n)u(n-1)e(n-1)e(n-2)e(n)e(n-1)u(n)u(n-1)返回圖4.1PID程序流程17開始初始化調(diào)用清屏子程序開始界面顯示設置鍵按下？調(diào)用清屏子程序設置界面顯示根據(jù)設置計算參數(shù)啟動鍵按下？調(diào)用清屏子程序電機運行狀態(tài)顯示PWM脈沖輸出YNYN0)2() 1(2)()()1(

35、)(uneneneKneKneneKDIPt=0.5s?計算r=n/120計算v=(r/0.5)*60返回NY占空比來實現(xiàn)對加在電機兩端電壓的調(diào)節(jié)10，進而控制電機轉(zhuǎn)速。其運算公式為：)(nu因此要想實現(xiàn)PID控制在單片機就必須存在上述算法，其程序流程如圖4.1所示。4.1.2 電機速度采集算法本系統(tǒng)中電機速度采集是一個非常重要的部分，它的精度直接影響到整個控制的精度。在設計中采用了光電傳感器做為測速裝置，其計算公式為： v= r/min60tNn從這里可以看出速度v的誤差主要是由圓盤邊緣上的凹槽數(shù)的多少決定的，為了減少系統(tǒng)誤差應盡量提高凹槽的數(shù)量，在本次設計中取凹槽數(shù)N為120，采樣時間t為

36、0.5s，則速度計算具體程序流程如圖4.2所示。 圖4.2 測速程序流程4.2 程序流程 4.2.1 主流程圖在一個完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應設計任務的，所以在該系統(tǒng)中軟件部分是非常重要的，按照要求和系統(tǒng)運行過程設計出主程序流程如圖4.3所示。18延時去抖動P1口低四位置1讀P1口低四位數(shù)據(jù)到KEYLKEYL、KEYH相與為KEYP1口高四位置1讀P1口高四位數(shù)據(jù)到KEYHKEY=0XEE ?KEY=0XEB ?KEY=0XED ?KEY=0XE7 ?KEY=0XDE ?KEY=0XDD ?KEY=0XDB ?KEY=0XD7 ?KEY=0XBD ?KEY=0XBE ?KEY=0

37、XBB ?KEY=0XB7 ?KEY=0X7E ?KEY=0X7D ?KEY=0X7B ?KEY=0X77 ?數(shù)字鍵0數(shù)字鍵1數(shù)字鍵2數(shù)字鍵3數(shù)字鍵4數(shù)字鍵5數(shù)字鍵6數(shù)字鍵7數(shù)字鍵8數(shù)字鍵9正/反功能鍵暫停功能鍵繼續(xù)功能鍵啟動功能鍵停止功能鍵設置功能鍵RETIYNNNNNNNNNNNNNNNNYYYYYYYYYYYYYYY圖4.3 主程序流程4.2.2 鍵盤程序程序流程 鍵盤中斷程序是用來設在系統(tǒng)相應參數(shù)和控制系統(tǒng)進入相應的運行狀態(tài)，其程序流程圖如圖4.4所示。19脈沖計數(shù)時間0.5s?速度計算PID運算顯示數(shù)據(jù)刷新定時器T0賦初值RETI各變量重新賦值YN 圖4.4 鍵盤程序流程4.2.3

38、定時程序流程 在本系統(tǒng)中定時器T0中斷子程序是用來控制電機運行時間和進行速度計算和PID 運算，其程序流程如圖4.5所示。20圖4.5 定時程序流程4.2.4 顯示程序流程顯示模塊是實現(xiàn)人機對話的重要部分，在這里選用12864LCD顯示器可實現(xiàn)對漢字和字符的顯示，該顯示器的引腳功能在上面已經(jīng)做了說明，下面介紹12864LCD的相關(guān)指令。（1）讀取狀態(tài)字當R/W=1，D/I=0時，在E信號為高的作用下，狀態(tài)分別輸出到數(shù)據(jù)總線上。狀態(tài)字是了解模塊當前工作狀態(tài)的唯一的信息渠道，在每次對模塊操作之前，都要讀出狀態(tài)字判斷BUSY是否為“0” 。若不為“0” ，則計算機需要等待，直至BUSY =0為止。（

39、2）顯示開關(guān)設置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000011111DD=1：開顯示；D=0關(guān)顯示。（3）顯示起始行設置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00011顯示起始行（063）指令表中DB5DB0為顯示起始行的地址，取值在03FH（164行）D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB001BUSY0ONOFFRST000021范圍內(nèi)，它規(guī)定了顯示屏上最頂一行所對應的顯示存儲器的行地址。（4）頁面地址設置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00010111Page（07）頁面地址是DDRAM的行地

40、址。8行為一頁，DDRAM共64行即8頁，DB2-DB0表示0-7頁。（5）列地址設置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00001Yaddress（063）列地址是DDRAM的列地址。共64列，DB5-DB0取不同值得到0-3FH（1-64），代表某一頁面上的某一單元地址，列地址計數(shù)器在每一次讀寫數(shù)據(jù)后它將自動加一。（6）寫顯示數(shù)據(jù) D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB010顯 示 數(shù) 據(jù)該操作將8位數(shù)據(jù)寫入先前已確定的顯示存儲器的單元內(nèi)。操作完成后列地址計數(shù)器自動加一。 （7）讀顯示數(shù)據(jù) D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1D

41、B011顯 示 數(shù) 據(jù)該操作將12864模塊中的DDRAM存儲器對應單位中的內(nèi)容讀出，然后列地址計數(shù)器自動加一。根據(jù)上面指令結(jié)合系統(tǒng)要實行的功能，其顯示子程序流程如圖4.6所示。22圖4.6 顯示程序流程4.3 系統(tǒng)Proteus仿真4.3.1 Proteus軟件簡介Proteus是英國Labcenter electronics公司研發(fā)的EDA設計軟件， 是一個基于ProSPICE混合模型仿真器的，完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設計仿真平臺。 Proteus不僅可以做數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)?；旌想娐返姆抡?，還可進行多種CPU的仿真，涵蓋了51、PIC、AVR、HC11、ARM等處理器，真正實現(xiàn)了在計

42、算機從原理設計、電路分析、系統(tǒng)仿真、測試到PCB板完整的電子設計，實現(xiàn)了從 概念到產(chǎn)品的全過程。以下為本系統(tǒng)在Protues中的仿真流程：（1）新建文件：打開Protues點File，在彈出的下拉菜單中選擇New Design，在彈出的圖幅選擇對話框中選Default。（2）設置編輯環(huán)境：按上述的方法對Protues的設計環(huán)境進行設置。（3）元器件選?。喊丛O計要求，在對象選擇窗口中點P，彈出Pickdevices對話框，在Keywords中填寫要選擇的元器件，然后在右邊對話框中選中要選的元器件，則元器件列在對象選擇的窗口中如初始化循環(huán)次數(shù)j2 ?寫入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)i16？設置顯示起始頁、起始列調(diào)用

43、寫入數(shù)據(jù)子程序j=j+1;i=0i=i+1RETIYNNY初始化循環(huán)次數(shù)j2 ?寫入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)i8？設置顯示起始頁、起始列調(diào)用寫入數(shù)據(jù)子程序j=j+1;i=0i=i+1RETIYNNYa) 寫入16*16漢字程序流程b)寫入8*16數(shù)字23圖4.7所示。本設計所需選用的元器件如下： AT89C51:單片機RES、RX8、RESPACK-8:電阻、排阻、上拉電阻 圖4.7 Proteus元器件選取界面CRYSTAL:晶振 CAP、CAP-ELEC:電容、電解電容7805、7812:5V、12V三端穩(wěn)壓塊IN4007：二極管AMPIRE128 64：液晶顯示器OPTOCUPLER-NPN：光電耦合

44、器BOUTTON：按鍵MOTOR-ENCODER：直流電機放置元器件、放置電源和地、連線，得到附錄所示的系統(tǒng)整體電路，最后進行電氣檢測。（4）程序編譯點菜單SourceAdd/Remove sou rce Files”在出現(xiàn)的對話框如圖4.8中，選擇ASEM51編輯器，將上面的匯編源程序SEKED.ASM添加。再點菜單SourceBuild ALL編譯匯編源程序，生成目標代碼文件SWLED.HEX。 （5）程序加載 圖4.8 程序添加界面在編輯環(huán)境左擊單片機然后右擊，在彈出的對話框中將編譯生成的HEX文件加載到芯片中，設單片機的時鐘工作頻率為12MHZ。（6）電路仿真 點仿真按鍵，按照前面介紹

45、的系統(tǒng)使用方法進行仿真。5 系統(tǒng)測試與分析為了確定系統(tǒng)與設計要求的符合程度，需要進行系統(tǒng)測試與分析，但是由于試驗調(diào)節(jié)的制約和時間的限制，不能完成此次制作，只能通過軟件仿真進行驗證，在24這里使用的是英國的Proteus軟件進行測試，有關(guān)改軟件的使用在前面的章節(jié)已經(jīng)介紹，在這里不再重復。根據(jù)第1章PID參數(shù)整定方法的介紹與分析，對于本系統(tǒng)采用經(jīng)驗法進行參數(shù)整定，該方法調(diào)試的原則為：先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；曲線偏離回復慢，積分時間往下降；曲線波動周期長，積分時間再加長；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來；動差大來波動慢，微分時間應

46、加長。下面以PID調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗法的整定步驟：讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)=0，實際微分系數(shù)=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運IKDK行，由小到大改變比例系數(shù)，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲PK得滿意的控制過程為止。取比例系數(shù)為當前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)，同樣讓擾PKIK動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，觀察控制過程有無改善，如有改IKPK善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)增大一些，再調(diào)整積分系PK數(shù)，力求改善控制過程。如此反復試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)和積分IKPK系數(shù)為止。IK引入適當?shù)膶嶋H微分系數(shù)和實際微分時間，此

47、時可適當增大比例系數(shù)DKDT和積分系數(shù)。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復調(diào)整，直到控制PKIK過程滿意為止。PID參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。大慣量如：大烘房的溫度控制，一般P可在10以上,I在（3、10）之間,D 在 1左右。小慣量如：一個小電機閉環(huán)控制，一般P在（1、10）之間,I在（0、5）之間,D在（0.1、1）之間,具體參數(shù)要在現(xiàn)場調(diào)試時進行修正。根據(jù)上訴方法，通過軟件仿真系統(tǒng)得出數(shù)據(jù)如表5.1所示，通過觀察得出該系統(tǒng)比較合適的P、I、D三者的參數(shù)值為: =2, =2.2, =0.2。并且可以反PKIKDK映25表5.1 測試數(shù)據(jù)表次數(shù)設定PK設定IK設定DK設定（r/m

48、in）超調(diào)量調(diào)節(jié)時間（s）誤差122.20.210084%1232.20.2100155%2342.20.21002211%5412.20.210056%3502.20.2100112%6621.10.210068%27200.21002%15%9823.30.210085%1924.40.210097%21022.20.110086%11122.201006%5%51222.20.31007%5%11322.20.41006%7%4出PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是：（1）比例環(huán)節(jié)：值的選取決定于系統(tǒng)的響應速度。增大能提高響應速PKPK度，減小穩(wěn)態(tài)誤差；但是，值過大會產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至使系統(tǒng)

49、不穩(wěn)定減小PK可以減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性，但過小會減慢響應速度，延長調(diào)節(jié)時間；PKPK（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強；ITIT（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率） ，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。通過上訴的數(shù)據(jù)分析可知，該系統(tǒng)完成了設計的任務及要求，證實了設計方案的可行性和設計方法的正確性。26附錄 部分源程序一、主程序：main( ) zf=0; flag1=0; EA=1; IT0=1; EX0=1; count=0

50、; en=0; en1=0; en2=0; U0=200; Un=0; cc=0; zanting=0; pwm1=0; pwm2=0; P1=0 xF0; Init_lcd(); /設置液晶顯示器 Clr_Scr(); /清屏 left();Disp_Chinese(0,0,dan); /單 left();Disp_Chinese(0,16,pian); /片 left();Disp_Chinese(0,32,ji); /機 left();Disp_Chinese(0,48,de); /的 right();Disp_Chinese(0,0,shu); /數(shù) right();Disp_Chin

51、ese(0,16,zi); /字 right();Disp_Digit(0,32,dp); /P right();Disp_Chinese(0,40,di); /I right();Disp_Digit(0,56,dd); /D27 left();Disp_Chinese(3,16,dian); /電 left();Disp_Chinese(3,32,ji); /機 left();Disp_Chinese(3,48,tiao); /調(diào) right();Disp_Chinese(3,0,shu0); /速 right();Disp_Chinese(3,16,xi); /系 right();Dis

52、p_Chinese(3,32,tong); /統(tǒng) left();Disp_Chinese(6,48,heng); /橫線 right();Disp_Chinese(6,0,heng); /橫線 right();Disp_Chinese(6,16,jia); right();Disp_Chinese(6,32,xiao); right();Disp_Chinese(6,48,wei); flag0=0; for( ; ; ) /等待設置鍵按下 if(flag0=1) break; Clr_Scr(); /清屏 left();Disp_Chinese(0,32,can); left();Disp_

53、Chinese(0,48,shu); right();Disp_Chinese(0,0,she); right();Disp_Chinese(0,16,zhi); left();Disp_Chinese(2,4,Kp); left();Disp_Digit(2,20,maohao); left();Disp_Digit(2,28,s0); left();Disp_Digit(2,36,s0); left();Disp_Digit(2,44,dian0); left();Disp_Digit(2,52,s0); right();Disp_Chinese(2,4,Ki); right();Disp

54、_Digit(2,20,maohao); right();Disp_Digit(2,28,s0); right();Disp_Digit(2,36,s0);28 right();Disp_Digit(2,44,dian0); right();Disp_Digit(2,52,s0); left();Disp_Chinese(4,4,Kd); left();Disp_Digit(4,20,maohao); left();Disp_Digit(4,28,s0); left();Disp_Digit(4,36,s0); left();Disp_Digit(4,44,dian0); left();Dis

55、p_Digit(4,52,s0); right();Disp_Chinese(4,4,V); right();Disp_Digit(4,20,maohao); right();Disp_Digit(4,28,s0); right();Disp_Digit(4,36,s0); right();Disp_Digit(4,44,s0); left();Disp_Chinese(6,4,zhuan); left();Disp_Chinese(6,20,xiang); left();Disp_Digit(6,36,maohao); left();Disp_Chinese(6,44,zheng); fla

56、g1=0; for(set=0;) /等待啟動鍵按下 switch(set) case 0:break; case 1: left();Disp_Digit(2,28,s0); left();Disp_Digit(2,36,s0); left();Disp_Digit(2,52,s0); Kpp=0; for(flag=0,n=0;) left();Disp_Digit(2,28,kong); Delay12864(1000); left();Disp_Digit(2,28,sn);29 Delay12864(2500); if(flag=1) break; left();Disp_Digit

57、(2,28,sn); Kpp+=10*n; for(flag=0,n=0;) left();Disp_Digit(2,36,kong); Delay12864(1000); left();Disp_Digit(2,36,sn); Delay12864(2500); if(flag=1) break; left();Disp_Digit(2,36,sn); Kpp+=n; for(flag=0,n=0;) left();Disp_Digit(2,52,kong); Delay12864(1000); left();Disp_Digit(2,52,sn); Delay12864(2500); if

58、(flag=1) break; left();Disp_Digit(2,52,sn); Kpp+=0.1*n; set=0; break; case 2:right();Disp_Digit(2,28,s0);30 right();Disp_Digit(2,36,s0); right();Disp_Digit(2,52,s0); Kii=0; for(flag=0,n=0;) right();Disp_Digit(2,28,kong); Delay12864(1000); right();Disp_Digit(2,28,sn); Delay12864(2500); if(flag=1) bre

59、ak; right();Disp_Digit(2,28,sn); Kii+=10*n; for(flag=0,n=0;) right();Disp_Digit(2,36,kong); Delay12864(1000); right();Disp_Digit(2,36,sn); Delay12864(2500); if(flag=1) break; right();Disp_Digit(2,36,sn); Kii+=n; for(flag=0,n=0;) right();Disp_Digit(2,52,kong); Delay12864(1000); right();Disp_Digit(2,5

60、2,sn); Delay12864(2500);31 if(flag=1) break; right();Disp_Digit(2,52,sn); Kii+=0.1*n; set=0; break; case 3:left();Disp_Digit(4,28,s0); left();Disp_Digit(4,36,s0); left();Disp_Digit(4,52,s0); Kdd=0; for(flag=0,n=0;) left();Disp_Digit(4,28,kong); Delay12864(1000); left();Disp_Digit(4,28,sn); Delay1286