直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)題目直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要在飛速發(fā)展的今天，各種理論不斷完善和發(fā)展。在控制理論和微電子技術(shù)等新技術(shù)的推動(dòng)下，中小型電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)開始顯現(xiàn)。為了提高工作效率與技術(shù)優(yōu)勢，中小型電動(dòng)機(jī)在各種技術(shù)支持下連接到計(jì)算機(jī)，電動(dòng)機(jī)控制器，傳感器和電力轉(zhuǎn)換器等工業(yè)控制器等。通過這種技術(shù)革新，不僅成本降低，精度提高而且控制方便。經(jīng)過改良后，電動(dòng)機(jī)已經(jīng)不僅僅是一個(gè)組件級(jí)的執(zhí)行器，而是完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)，可以執(zhí)行許多指定的功能。直流電機(jī)不僅僅有優(yōu)良的調(diào)速性能，還能夠?qū)崿F(xiàn)均勻穩(wěn)定波動(dòng)小的無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍廣，相比同等條件下的交流電機(jī)優(yōu)勢明顯。此設(shè)計(jì)用采用PID控制直流電機(jī)，PID控制優(yōu)化了控制電機(jī)的方式。PID控制技術(shù)的起源早，研究的內(nèi)容深入實(shí)際工作。特別是在過程控制領(lǐng)域中PID控制技術(shù)發(fā)展迅速，各種發(fā)展理論日趨成熟。從發(fā)展的角度來看，PID調(diào)節(jié)技術(shù)影響著新技術(shù)，受到國內(nèi)外行業(yè)越來越多的關(guān)注。PID控制是工業(yè)上最基礎(chǔ)的最廣泛應(yīng)用的工業(yè)控制算法。利用霍爾傳感器將轉(zhuǎn)速變?yōu)閱纹瑱C(jī)能夠接受的脈沖頻率，從而形成閉環(huán)速度控制系統(tǒng)，達(dá)到能夠無靜差調(diào)速的目標(biāo)。霍爾傳感器結(jié)構(gòu)簡單，原理易懂，安裝此模塊也比較簡單。在該系統(tǒng)中顯示器模塊選用的是以128X64LCD顯示器為主，參數(shù)調(diào)節(jié)與控制電機(jī)由4x4鍵盤來設(shè)置。LCD能顯示漢字和一些復(fù)雜的界面比LED表示出的內(nèi)容多，在系統(tǒng)運(yùn)行后可以通過顯示模塊了解和獲取電機(jī)時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)，4x4鍵盤能夠編輯相關(guān)參數(shù)達(dá)到調(diào)節(jié)目的。綜合上所述本設(shè)計(jì)包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制模塊，速度檢測模塊，電源模塊以及人機(jī)交互模塊。關(guān)鍵詞：PID,直流電動(dòng)機(jī)，單片機(jī)AbstractIntherapiddevelopmentoftoday,varioustheoriesareconstantlyimprovinganddeveloping.Drivenbynewtechnologiessuchascontroltheoryandmicroelectronics,theadvantagesofsmallandmedium-sizedelectricmotorsbegintoemerge.Inordertoimproveworkingefficiencyandtechnicaladvantages,smallandmedium-sizedmotorsareconnectedtoindustrialcontrollerssuchascomputers,motorcontrollers,sensorsandpowerconvertersundervarioustechnicalsupport.Throughthistechnicalinnovation,notonlythecostisreduced,theprecisionisimprovedandthecontrolisconvenient.Aftermodification,themotorisnolongerjustacomponent-levelactuator,butacompleteelectromechanicalintegrationsystem,whichcanperformmanyspecifiedfunctions.Dcmotornotonlyhasexcellentspeedregulationperformance,butalsocanrealizeuniformandstablesteplessspeedregulationwithsmallfluctuation,withawiderangeofspeedregulation,andhasobviousadvantagesoveracmotorunderthesameconditions.ThisdesignUSESPIDcontroldcmotor,PIDcontroloptimizedcontrolmotormode.TheoriginofPIDcontroltechnologyisearly.EspeciallyinthefieldofprocesscontrolPIDcontroltechnologydevelopedrapidly,variousdevelopmenttheoriesarebecomingmature.Fromtheperspectiveofdevelopment,PIDregulationtechnologyaffectsthenewtechnology,bytheindustryathomeandabroadmoreandmoreattention.PIDcontrolisthemostbasicandwidelyusedindustrialcontrolalgorithminindustry.Hallsensorisusedtochangethespeedintothepulsefrequencythatcanbeacceptedbythesinglechipmicrocomputer,soastoformaclosedloopspeedcontrolsystemandachievethegoalofnostaticspeedregulation.Hallsensorstructureissimple,theprincipleiseasytounderstand,installationofthismoduleisalsorelativelysimple.Inthissystem,thedisplaymoduleisbasedon12864LCDdisplay,andtheparameteradjustmentandcontrolmotoraresetby4x4keyboard.LCDcandisplayChinesecharactersandsomecomplexinterfacesmorethanLED.Afterthesystemisrunning,therunningstateandparametersofthemotorcanbeunderstoodandobtainedthroughthedisplaymodule.4x4keyboardcaneditrelevantparameterstoachievethepurposeofadjustment.Thedesignincludesmotordrivemodule,controlmodule,speeddetectionmodule,powermoduleandman-machineinteractionmodule.Keywords:PID,DCmotor,singlechipmicrocomputer目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要 IAbstract II目錄 III\o"CurrentDocument"第1章 緒論 1\o"CurrentDocument"1.1 課題的背景及意義 1\o"CurrentDocument"1.2 國內(nèi)外的發(fā)展情況 2\o"CurrentDocument"1.2.1課題現(xiàn)狀 2\o"CurrentDocument"1.2.2課題發(fā)展趨勢 3\o"CurrentDocument"1.3 本課題的主要工作 4\o"CurrentDocument"第2章 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 5\o"CurrentDocument"2.1 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 5\o"CurrentDocument"2.2 直流電機(jī)的工作原理 5\o"CurrentDocument"2.3 直流電機(jī)勵(lì)磁方式 5\o"CurrentDocument"2.4直流電機(jī)的調(diào)速方式 6\o"CurrentDocument"直流電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 6\o"CurrentDocument"直流電機(jī)和其他常見電機(jī)的比較 7\o"CurrentDocument"PID算法及PWM控制技術(shù)簡介 7\o"CurrentDocument"PID算法 7\o"CurrentDocument"模擬PID 8\o"CurrentDocument"數(shù)字PID 8\o"CurrentDocument"2.7.4數(shù)字PID參數(shù)整定方法 10\o"CurrentDocument"PWM脈沖控制直流電機(jī) 11\o"CurrentDocument"系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 11\o"CurrentDocument"第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13\o"CurrentDocument"3.1 硬件資源分配 13\o"CurrentDocument"3.2 主控制器模塊設(shè)計(jì) 14\o"CurrentDocument"3.2.1控制器模塊設(shè)計(jì)方案 14\o"CurrentDocument"3.3單片機(jī)最小系統(tǒng) 14\o"CurrentDocument"3.4傳感器選擇 15\o"CurrentDocument"3.5系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 153.5.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 16\o"CurrentDocument"3.5.3H橋驅(qū)動(dòng)電路 16圖3-2驅(qū)動(dòng)電路 17\o"CurrentDocument"3.5.4基于測速模塊設(shè)計(jì) 17\o"CurrentDocument"3.5.5顯示電路設(shè)計(jì) 18\o"CurrentDocument"3.5.7按鍵電路模塊設(shè)計(jì)方案 20\o"CurrentDocument"第4章系統(tǒng)流程設(shè)計(jì) 22\o"CurrentDocument"4.1算法設(shè)計(jì) 22\o"CurrentDocument"4.2程序流程 23結(jié)論 26\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 27致謝 28第1章緒論課題的背景及意義PID控制器已存在70年左右。它實(shí)用運(yùn)行可靠，結(jié)構(gòu)比較簡單，調(diào)整很方便，穩(wěn)定性好.是工業(yè)控制的主要應(yīng)用技術(shù)之一。控制領(lǐng)域中有許多的分支，比如最優(yōu)控制，魯棒控制和預(yù)測控制等等PID控制作為應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制理論是因?yàn)樗瞧渲凶罨A(chǔ)的部分，許多控制算法甚至是從它演變而來，PID控制應(yīng)用簡單，控制簡單，物理模型明確，理論基礎(chǔ)成熟，它是工業(yè)控制的基石，它組成了近代工業(yè)控制的框架。另一個(gè)使PID經(jīng)久不衰的原因是工業(yè)控制中遇到的干擾和不確定性，越是簡單，基礎(chǔ)保守的控制器面對(duì)擾動(dòng)表現(xiàn)得越好，能應(yīng)付許多控制中的不確定性。而對(duì)于某些高精度控制，只能在某種環(huán)境甚至特定時(shí)候才能使用，其他時(shí)候或換種環(huán)境條件就不能使用，失去了精度和控制優(yōu)勢。其實(shí)現(xiàn)在很多場合都在使用PID控制，這并不代表PID是控制中的最優(yōu)選擇，而是因?yàn)槭褂每刂频拇蟛糠质枪I(yè)中的基層，受知識(shí)和能力見識(shí)的影響面對(duì)更加優(yōu)異的算法并不能掌握，進(jìn)而不敢去嘗試新的控制算法。其實(shí)這也在側(cè)面印證了PID算法的簡單和普遍適用?？刂票旧聿皇菙?shù)學(xué)模型，也不是實(shí)際操作，它是理論和實(shí)際的橋梁，屬于理論參與現(xiàn)實(shí)的工具?？刂扑惴ǖ淖罱K目的就是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。直接的優(yōu)點(diǎn)就是能夠增加產(chǎn)量，減少消耗和人工成本，利于發(fā)展生產(chǎn)，確保人員安全，提高效率。自動(dòng)控制系統(tǒng)主要分為控制器，執(zhí)行契合傳感器?？刂破飨喈?dāng)于人的大腦，執(zhí)行組織管理的功能。執(zhí)行器就好比是四肢，按照控制器的指令去控制工藝介質(zhì)。傳感器就可以看做感覺器官，它在工業(yè)控制中扮演了重要角色，它的穩(wěn)定直接決定了調(diào)控的精確度，若錯(cuò)誤信息被傳到控制器并執(zhí)行，那傳感器不僅沒有起到應(yīng)有的作用還起了反效果。傳統(tǒng)控制代表性的控制就是PID控制，現(xiàn)代控制發(fā)展了許多新控制方法。比如模糊控制，智能控制，專家系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等。但是他們并不是涇渭分明的，新技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)PID控制的發(fā)展，像模糊PID控制，智能PID控制就是新舊碰撞的產(chǎn)物。PID控制技術(shù)是機(jī)器人，智能控制域的技術(shù)根本。實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度，以滿足有關(guān)的控制要求。它廣泛應(yīng)用在汽車，治療，鐵路，航空航天，鋼鐵等行業(yè)，一直是公共關(guān)心的主題。而電機(jī)則是現(xiàn)代工業(yè)硬件的基石，PID作為控制中的基礎(chǔ)與電機(jī)結(jié)合為工業(yè)發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)。電動(dòng)機(jī)作為工業(yè)動(dòng)力源歷史悠久，主流的電動(dòng)機(jī)以交流電動(dòng)機(jī)為主，不僅是因?yàn)榻涣麟娍梢灾苯舆B交流電機(jī)，還因?yàn)榻涣麟妱?dòng)機(jī)發(fā)展迅速，種類多。工業(yè)電機(jī)力求結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，出錯(cuò)率，好維修。而大型直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不宜維修，把三相電轉(zhuǎn)換成直流電浪費(fèi)能源，不符合經(jīng)濟(jì)思維。不過隨著各種各樣新理論和術(shù)的飛速發(fā)展，直流電機(jī)又被重新重視起來。直流電機(jī)在近年來發(fā)展的也很好，因?yàn)樗苿?dòng)性能優(yōu)異，速度控制容易所以直流電機(jī)作為工業(yè)動(dòng)力有著巨大優(yōu)勢。電機(jī)調(diào)速性能對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)效率有著決定性的作用。而且控制速度制動(dòng)性能好可以節(jié)省能源，提高安全指數(shù)。用單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)不僅把體積縮小，而且控制精度提高。各種新的控制理論和控制芯片為電機(jī)控制注入了新鮮的血液。國內(nèi)外的發(fā)展情況1.2.1課題現(xiàn)狀1.國內(nèi)現(xiàn)狀由于近幾十年全球經(jīng)濟(jì)快速增長,中國的工業(yè)水平得到了飛速發(fā)展，PID控制也在工業(yè)展中應(yīng)用的越來越多，大量機(jī)械設(shè)備制造商正處于蓬勃發(fā)展的階段，為PID控制的發(fā)展提供了有利環(huán)境。除了滿足市場上對(duì)機(jī)械設(shè)備控制的巨大需求外，他們還進(jìn)入了國際市場并參與了國際競爭。在實(shí)際的應(yīng)用方面，PID控制技術(shù)已經(jīng)滲透到醫(yī)療，汽車，鐵路，航空航天，鋼鐵生產(chǎn)，物流和飲料生產(chǎn)領(lǐng)域。吳洪新院士率先發(fā)表的特征建模理論，直接證明了PID控制器能夠廣泛運(yùn)用在實(shí)際的可行性，國內(nèi)大多數(shù)研究情況都是反復(fù)研究已有的內(nèi)容，但創(chuàng)意研究較少，創(chuàng)新性的研究成果也比較少。而且更多的是仿真結(jié)果，實(shí)際操作不多，在工程中應(yīng)用較少，特別是具有長運(yùn)行時(shí)間的智能PID控制器可以說是很少的。對(duì)于這種情況還需要大多數(shù)理論工作者和工程技術(shù)人員的共同努力，積極發(fā)展創(chuàng)新，并把理論成果運(yùn)用到實(shí)際工程上，只有這樣才能盡快改變這種狀況。我們有必要再進(jìn)一步研究，創(chuàng)新和應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)在工程中。以提高設(shè)備的性能，等級(jí)和市場競爭力為目標(biāo)不斷努力。在國內(nèi)大環(huán)境的影響下直流電動(dòng)機(jī)從默默無聞，到現(xiàn)在的大力發(fā)展變化巨大。這主要是因?yàn)槲覈镔|(zhì)文化發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入小康水平，工業(yè)產(chǎn)品到生活產(chǎn)品的比重也在增加。最突出的就是電動(dòng)車，玩具和小家電采用直流電機(jī)比重極大，促使直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展。直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展前景明朗，經(jīng)濟(jì)效益好。2.國外現(xiàn)狀在國外，PID控制技術(shù)起源早，研究的也很深入。特別是過程控制方面，PID控制技術(shù)發(fā)展的迅速，發(fā)展的各種控制理論也變得日趨成熟，這是因?yàn)閲獾陌l(fā)展了很長時(shí)間。而且國外對(duì)于研究探索方面做得非常認(rèn)真。在2002年德斯伯勒和米勒對(duì)煉制過程中11,000多個(gè)控制器的調(diào)查，這些控制器全部采用PID反饋。結(jié)果是PID系統(tǒng)的性能取決于PID控制器的算法。應(yīng)用方面，國內(nèi)外差距明顯。日本，歐洲和美國等國家不僅處于理論研究的前沿，而且從理論到工業(yè)上應(yīng)用時(shí)間短，轉(zhuǎn)化快，各種控制器在工業(yè)上嶄露頭角，使工業(yè)發(fā)展加速，在各種領(lǐng)域都有應(yīng)用。比如在汽車，家電，各種工業(yè)控制器等等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)生活舒適的追求會(huì)越來越高。PID控制技術(shù)作為一種發(fā)展前景，影響著新技術(shù)，越來越受到國內(nèi)外行業(yè)的關(guān)注。國外直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展領(lǐng)先于國內(nèi)很多，不僅是因?yàn)楣I(yè)革命還因?yàn)閲飧鞣N控制算法為直流電機(jī)提供了軟件支持。在最前沿的技術(shù)中，已經(jīng)發(fā)展變種了許多新型電機(jī)，比如航空電動(dòng)機(jī)，這一直是我國的短板，再比如近幾年出現(xiàn)的直線電機(jī)，已經(jīng)在磁懸浮和地鐵中應(yīng)用。再比如直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能被3D打印出來，而且性能穩(wěn)定。這些技術(shù)在國外一直領(lǐng)先國內(nèi)一步。無論在國內(nèi)還是國外直流電動(dòng)機(jī)都極具發(fā)展前景，性能比交流電動(dòng)機(jī)好很多。雖然有著些許的缺點(diǎn)，但科技不斷進(jìn)步去處這些弊端也指日可待，到時(shí)進(jìn)一步發(fā)展直流電動(dòng)機(jī)就能改變工業(yè)格局具有劃時(shí)代的意義。課題發(fā)展趨勢PID控制器構(gòu)造簡單，參數(shù)含意清晰，操縱簡潔，理論設(shè)計(jì)成熟穩(wěn)固，控制算法簡單易行，控制精度高，魯棒性能好，可滿足多半生產(chǎn)的需要。PID控制技術(shù)的進(jìn)展歷程主要是參數(shù)自適應(yīng)方法和參數(shù)調(diào)整方法的研討和開發(fā)過程。它是否定中不斷發(fā)展的，早在1982年ASEANovatune團(tuán)隊(duì)預(yù)言PID控制將很快被淘汰。無獨(dú)有偶在1989年的模型預(yù)測控制會(huì)議中發(fā)表聲明說使用PI控制器就像駕駛一輛汽車只看后視鏡一樣，它將很快被其他方式所取代。但是直到今天PID控制仍然存在并蒸蒸日上。各種PID控制被利用在工業(yè)中。現(xiàn)在PID又受到了挑戰(zhàn)。越來越多的行業(yè)要求控制精度超越PID，這種思潮成為了淘汰PID控制的聲音。PID發(fā)展多年以來具體來說有四個(gè)方面的弱點(diǎn):一是博而不精;二是在高精度中表現(xiàn)不佳;三是許多工業(yè)控制需要專門的某種控制算法，四是時(shí)間延遲。在工廠車間，ADRC被證明是PID的一個(gè)有力的替代品，它具有明顯的性能優(yōu)勢和實(shí)用性優(yōu)勢。但是PID經(jīng)典就經(jīng)典在他的普適性和簡單易用，利用魯棒控制的分析和控制方式可以優(yōu)化PID控制，再比如說上面提到的延時(shí)，可以加裝預(yù)估器進(jìn)行改良。PID在這個(gè)時(shí)代迎來了挑戰(zhàn)，也為它本身迎來了一個(gè)新時(shí)代。為直流電機(jī)匹配上控制算法可以極大優(yōu)化它的工作效率，先進(jìn)的工業(yè)控制算法可以解決直流電動(dòng)機(jī)的一些缺點(diǎn)，而技術(shù)的發(fā)展也會(huì)推動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的改革。優(yōu)良的性能會(huì)讓工業(yè)上采取更多的直流電動(dòng)機(jī)，從而形成良性循環(huán)。本設(shè)計(jì)利用PID控制算法對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行合理的優(yōu)化，通過對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控，了解和探究直流電動(dòng)機(jī)在工業(yè)控制中可能的情況。1.3本課題的主要工作該設(shè)計(jì)主要采用PID控制直流電機(jī)的速度。思路如下：以AT89S51單片機(jī)作為中心處理器，借助PID算法控制PWM脈沖，對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。霍爾傳感器把電機(jī)的速度轉(zhuǎn)換為脈沖頻率反饋到單片機(jī)中，形成具有反饋的速度控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)不具有靜態(tài)速度控制的目標(biāo)。系統(tǒng)使用128X64LCD顯示器作為顯示器的組件。使用4X4鍵盤和正向和反向控制設(shè)置四個(gè)參數(shù)P,I,D和V.啟動(dòng)后，通過顯示組件了解發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前速度和運(yùn)行時(shí)間。該系統(tǒng)的硬件方面包括：電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、速度檢測模塊、人機(jī)交互模塊。檢測模塊、人機(jī)交互模塊。第2章系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)分為兩大部分，轉(zhuǎn)子和定子，轉(zhuǎn)子主要包括換向器，電樞繞組，軸，風(fēng)扇和電樞鐵芯等，而另一部分是定子，主要包括電刷裝置，主磁極，機(jī)座和換向極。主磁極：主要作用是在電流通過它時(shí)建立磁場，主磁極在電動(dòng)機(jī)中一定是成對(duì)存在的。相極：它能有效改善換向情況，能讓電機(jī)保證安全運(yùn)行不產(chǎn)生火花。換向器：其整流作用和逆變作用，是直流電機(jī)最為主要的零件之一。直流電機(jī)的工作原理1-1示出了在直流電下，電刷A為正極性，電刷B為負(fù)極性。電流從A經(jīng)由線圈ab,c,d流到B。根據(jù)電磁力定律，假如載流導(dǎo)體垂直于磁場線，則線圈的每個(gè)有效側(cè)將暴露于電磁力。電磁力的方向能夠通過左手的規(guī)則斷定圖2-1直流電機(jī)的原理模型直流電機(jī)勵(lì)磁方式按照勵(lì)磁方式的差別可以分為并勵(lì)直流電機(jī)，串勵(lì)直流電機(jī)，他勵(lì)直流電機(jī)與復(fù)勵(lì)直流電機(jī)。并勵(lì)直流電機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)串勵(lì)直流電機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)

他勵(lì)直流電機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組沒有電的聯(lián)系復(fù)勵(lì)直流電機(jī)：有兩套勵(lì)磁繞組，一個(gè)并聯(lián)一個(gè)串聯(lián)。直流電機(jī)的調(diào)速方式使用達(dá)林頓管構(gòu)成的H型PWM電路調(diào)速。H型電路控制速度和方向非常方便;電子開關(guān)穩(wěn)定快速普遍。使用定頻調(diào)寬可以讓電機(jī)在運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定;而且直流電機(jī)采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍之內(nèi)。直流電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型直流電機(jī)設(shè)置如下：轉(zhuǎn)速1000r/min,電流50A,電壓220V,功率10kW，電樞回路的總電阻R=1.0Q，C=0.1925V*min/r，K=44，飛輪慣量GD2=10N*m2，eSU=132.8V。2圖2-2調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：W(s)=smlW(s)=smlKKa

―p_—Ce(2-1)(2-2)相關(guān)參數(shù)：L二0.693-^IdminL=0.017H。電磁時(shí)間常數(shù)：T=-=L二0.693-^IdminL=0.017H。電磁時(shí)間常數(shù)：T=-=0.017slR機(jī)電時(shí)間常數(shù)：GD2r375CC10x0.6em30 s=0.075s375x0.1925x30x0.1925兀Kp=21開環(huán)的放大系數(shù)：原始開環(huán)傳遞函數(shù)為=55.5855.58、(0.049s+1)6.026s+1)6.0167s+1)(2-3)(2-4)(2-5)(2-6)直流電機(jī)和其他常見電機(jī)的比較對(duì)比其他電機(jī)，我們首先要明白直流電機(jī)的定義，直流電機(jī)是輸出或輸入直流電的電機(jī)，類似的定義交流電機(jī)就是輸入交流電的電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將接收到的脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的角度。為了控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精度，可以連續(xù)給步進(jìn)電機(jī)連續(xù)的脈沖信號(hào)調(diào)整。伺服電機(jī)在工控中當(dāng)作執(zhí)行元件，因此也叫做執(zhí)行電機(jī)。他把信號(hào)轉(zhuǎn)化、電動(dòng)機(jī)軸的角速度。特別的地方是電壓為零不自轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的數(shù)量是相反的。再說說同步電機(jī)，在同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)繞組加直流勵(lì)磁，需要有第三方的外力帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，然后向外出電壓。PID算法及PWM控制技術(shù)簡介PID算法控制算法是工業(yè)控制的核心?？刂乒δ苁怯煽刂扑惴ǘx的。根據(jù)比例（P）,積分（I）,微分（D）控制的偏差，通常稱為PID控制。PID控制是工業(yè)生產(chǎn)控制算法

中應(yīng)用比較廣泛的一種控制算法，它比較簡單，入門門檻低，容易理解和學(xué)習(xí)。模擬PIDPID模擬控制系統(tǒng)中的PID控制規(guī)律是工業(yè)上最經(jīng)常使用的控制規(guī)律，模擬控制系統(tǒng)是由模擬PID調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制對(duì)象構(gòu)成。圖2-2模擬PID原理PID調(diào)節(jié)器會(huì)聯(lián)系c(t)與r(t)的控制偏差：e(t)=r(t)－c(t)實(shí)際輸出值——c(t)給定值——r(t)模擬PID控制規(guī)律1 de(t)u(t)二K[e(t)+ I0(t)dt+T―—]p To DdtT——微分時(shí)間常數(shù)，DT——積分時(shí)間常數(shù)，IK——比例系數(shù)。P模擬PID傳遞函數(shù)D(S)二U(S)二K(1+丄+TS)

E(S) pTSd2.7.3數(shù)字PID I2-7)2-8)2-7)2-8)2-9)2-10)PID控制規(guī)律進(jìn)行離散化處理，圖2-2中e(t)、c(t)、r(t)、u(t)在第n次采樣收集的數(shù)據(jù)用e(n)、c(n)、r(n)、u(n)表示，式(2-1)變?yōu)閑(n)=r(n)－c(n)2-10)當(dāng)采樣周期T小到一定的時(shí)候某些變量可以用相對(duì)簡單的量進(jìn)行代替。dt可以用T代替，de(t)可以用e(n)-e(n-1)換掉，積分用求和近似代替，會(huì)有下面的公式2-11)de(t)e(n)一e(n一2-11)dt2-12)Jte(t)dt?乙e(i)T2-12)0 i=1然后(2-8)就能夠離散化下面的差分方程Tn Tu(n)=K{e(nTn Tu(n)=K{e(n)+工e(n)+d[e(n)一e(n一1)]}+uPTT0Ii=1u(n)=Ke(n)pP能讓積分起控制作用的是第2項(xiàng)，被叫做積分(I)項(xiàng)ui(n)即u(n)=KT蘭e(i)I PTIi=1能讓微分控制起作用的是第3項(xiàng)，稱為微分(D)項(xiàng)uD(n)即Tu(n)=K d[e(n)一e(n一1)]D PT(2-16)2-13)2-14)2-15)這三種作用即可以一起也能單獨(dú)使用，常用的方式有:u(n)二u(n)+uP0u(n)二u(n)+u(n)+uPI0u(n)二u(n)+u(n)+uPD0u(n)二u(n)+u(n)+u(n)+uPID0P控制:2-17)PI控制:2-18)PD控制:PID控制:2-19)2-20)等式(2-13)的完整輸出是對(duì)應(yīng)于受控對(duì)象的驅(qū)動(dòng)器在每個(gè)采樣時(shí)刻必須達(dá)到的位置的輸出。因此，等式(2-13)也稱為PID定位算法。從(2-13)可以看出，位置控制的公式不方便和快速，因?yàn)槔鄯e偏差的原因，不僅需要有存儲(chǔ)單元參與，而且在程序的編寫上難度也很高。根據(jù)公式(2-13)得到表達(dá)式u(n-1)，u(n一1)=K{e(n一1)+T e(n)+^-d[e(n一1)一e(n一2)]}+u(2-21)P T T 0Ii=1數(shù)字PID增量型控制:Au(n)二u(n)-u(n-1)二K[e(n)一e(n一1)]+Ke(n)+K[e(n)一2e(n一1)+e(n一2)] (2-22)PID從上面得到從上面得到u(n)=K[e(n)一e(n一1)]+Ke(n)+K[e(n)一2e(n-1)+e(n-2)]+uPID02-23)KP；K=KTIPT；K=KITDDPr^r °比例增益積分系數(shù)微分系數(shù)圖1.2位置型控制圖圖2-3增量型控制圖2.7.4數(shù)字PID參數(shù)整定方法理論計(jì)算的整定方法是建立在系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)于理論計(jì)算得出的控制參數(shù)不能使用，只有重新經(jīng)過實(shí)際工程的修改，聯(lián)系實(shí)際情況才能使用是在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出的方法，他脫胎于日常經(jīng)驗(yàn)，上手簡單，在工程上應(yīng)用的很普遍，在一線控制中有很重要的意義PID控制器參數(shù)的技術(shù)的調(diào)整方法主要包括動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，阻尼振蕩法，現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的設(shè)定方法，限制周期的自校正方法等2.7.5PID參數(shù)的用處PID控制中有三個(gè)參數(shù)，如他的名字一般是P,I,D三個(gè)參數(shù)。如果連這三個(gè)參數(shù)都不明白是什么意思，那控制也就無從談起了。一是比例作用，比例控制器的主要作用實(shí)際上是放大。即，比例增益可以大于1且可以小于1。是偏差也稱為測量值與給定值之間的差值。二是積分作用。在時(shí)間增加的情況下，積分的累積隨時(shí)間增加，并且積分的的速度受其影響。它的速度與偏差成正比。只要系統(tǒng)具有偏差積分控制器它就會(huì)繼續(xù)工作。對(duì)于偏差，如果其值固定，則調(diào)整積分實(shí)質(zhì)上是改變控制器的變化率。三是微分作用。微分作用的輸出變化與微分時(shí)間的速度和偏差變化成比例。無論偏差的大小如何，偏差的速度都會(huì)發(fā)生變化。微分時(shí)間越長，微分作用的輸出變化越大。PWM脈沖控制直流電機(jī)想用PWM控制直流電機(jī)要先了解它是什么，用什么控制直流電機(jī)，只有弄清楚原理才能用到實(shí)際當(dāng)中，下面來具體介紹一下PWM.PWM調(diào)速原理通俗來講PWM調(diào)速對(duì)直流和交流電機(jī)的方法是不同的，交流電機(jī)靠的是調(diào)節(jié)頻率，本設(shè)計(jì)選取的電機(jī)是直流電機(jī)所以主要介紹直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式。直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速是通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬度解決控制速度的相關(guān)問題，和其他配套的元件改變輸送到電樞電壓的幅值。總而言之它靠的是調(diào)幅來改變直流電機(jī)速度。2.8.2直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速調(diào)整直流電動(dòng)機(jī)速度方法：削弱磁通量，變動(dòng)電樞電阻，調(diào)節(jié)電樞電壓。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，它主要是基于可變電壓調(diào)速。其中，在可變電壓速度控制系統(tǒng)中，它又可以分為直流PWM速度控制系統(tǒng)和可控整流器速度控制系統(tǒng)。采取微電腦的控制，全速控制系統(tǒng)全數(shù)字化，可靠性高，構(gòu)造簡單，操作維護(hù)也方便，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行速度精度可到達(dá)較高程度，靜態(tài)動(dòng)態(tài)指標(biāo)可以滿足工業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。2.9系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理搭建整個(gè)系統(tǒng)功能模塊的組成，和各個(gè)功能模塊之間的互相控制關(guān)系，將各功能模塊聯(lián)系起來畫出總體功能的模塊圖圖2-4功能模塊圖本設(shè)計(jì)的主控芯片選擇的是51單片機(jī)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，各模塊的基本功能如下：電源電路：為系統(tǒng)各種芯片提供穩(wěn)壓的電源；傳感器模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制H橋驅(qū)動(dòng)電路：實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反向轉(zhuǎn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)速控制。(4)單片機(jī)系統(tǒng)：主控芯片，輸出信息顯示，數(shù)據(jù)綜合分析等。(5)鍵盤模塊：進(jìn)行人機(jī)交互，進(jìn)行設(shè)計(jì)編輯調(diào)整(6)顯示模塊：參數(shù)、波形和指令顯示；第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本章根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，以參數(shù)理論為依據(jù)，根據(jù)電路總體設(shè)計(jì)方案，選擇滿

足設(shè)計(jì)精度和量程等要求的傳感器、顯示器和單片機(jī)主控制器進(jìn)行硬件電路圖設(shè)計(jì)。硬件資源分配該系統(tǒng)的硬件資源和接線圖分布如圖3.1所示。以AT89S51單片機(jī)為主要設(shè)備,速度檢測模塊作為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速測量裝置，脈沖信號(hào)通過P3.3AT89S51端口發(fā)送到單片機(jī)中，L298N作為直流電機(jī)的控制模塊使用LCD128X64和4X4鍵盤。作為此設(shè)計(jì)的人機(jī)界面。圖3.1系統(tǒng)硬件資源及電路連接分配圖3.2主控制器模塊設(shè)計(jì)3.2.1控制器模塊設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求，控制器主要用于產(chǎn)生占空比，收集和處理電機(jī)的當(dāng)前速度，并根據(jù)算法得到當(dāng)前所需輸出的占空比脈沖?？刂破鞯倪x擇有兩種選擇。方案一：BTN7971作為系統(tǒng)控制的方案。BTN7971該芯片專為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)。該模塊內(nèi)置隔離芯片，采用雙面銅涂層有效保護(hù)MCU的I/0端口，有助于散熱。需要增加一個(gè)散熱片匹配動(dòng)大功率電機(jī)，這有助于散熱和良好的機(jī)械性能。此芯片內(nèi)阻小電流大，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械電機(jī)驅(qū)動(dòng)，各種RC模型，大學(xué)智能機(jī)器人競賽，控制信號(hào)兼容3.3-5.5V,通常由單片機(jī)控制。。但它很昂貴，不適合使用。方案二：采用AT89S51作為系統(tǒng)控制的方案。AT89S51單片機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)其他控制器簡單，成本小，發(fā)展時(shí)間長，對(duì)它的性能在一次次的實(shí)際運(yùn)用中已經(jīng)得到了證明，技術(shù)積累雄厚，有完備的技術(shù)支持資料在網(wǎng)上可以隨便查到，在工業(yè)領(lǐng)域運(yùn)用廣泛，適應(yīng)了各種環(huán)境考驗(yàn)在普通環(huán)境下運(yùn)行無壓力，不會(huì)出現(xiàn)誤差，穩(wěn)定性好，程序編寫簡單，用2語言就能進(jìn)行編程了，運(yùn)算能力強(qiáng)大,而且常見。發(fā)生故障容易糾錯(cuò)，引腳相對(duì)于同等條件下的芯片少得多這樣在連線時(shí)可以減少工作量降低設(shè)計(jì)難度。3.3單片機(jī)最小系統(tǒng)對(duì)51系列單片機(jī)來說,最小系統(tǒng)應(yīng)該有單片機(jī)、電源供電電路，復(fù)位電路和必須的時(shí)鐘電路電源供電電路：主流單片機(jī)一般用+3V和+5V，如名字一樣它就為了給單片機(jī)供電而存在的，STC89C51用的是5V的供電模塊，供電模塊連在40腳和20腳上，40腳連在+5V上,通常稱為VCC，代表了電源正極。20腳是電源負(fù)極，接GND.時(shí)鐘電路：作用是提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，晶振是集成了晶體時(shí)鐘電路的一個(gè)元件，簡單來說晶振就是集成好的時(shí)鐘電路。18,19腳是晶振引腳，正常接一個(gè)11.0592M的晶振，其實(shí)實(shí)質(zhì)就是每秒振蕩11059200次。在此之上還要加兩個(gè)20pF的電容，他的任務(wù)是幫助晶振起震，還可以維持信號(hào)的穩(wěn)定。復(fù)位電路：復(fù)位電路接在RST上，單片機(jī)復(fù)位一般包括三類，上電復(fù)位，程序自動(dòng)復(fù)位，手動(dòng)復(fù)位。在遭遇突然斷電或干擾亦或者程序死掉就有了復(fù)位電路的表現(xiàn)機(jī)會(huì)。斷電導(dǎo)致的復(fù)位叫上電復(fù)位，干擾時(shí)程序死了的復(fù)位就是程序自動(dòng)復(fù)位，同理程序死掉時(shí)間過長，看門狗自動(dòng)復(fù)位就是手動(dòng)復(fù)位。機(jī)具備了這三要素就可以運(yùn)行工作，即最小系統(tǒng)。3.4傳感器選擇狀態(tài)信息的檢測是必須的，執(zhí)行實(shí)時(shí)檢測并且檢測信號(hào)用于控制電動(dòng)機(jī)的正常工作。檢測信號(hào)分為兩種類型：非電力與電力。電信號(hào)有電功率，電荷，電壓和電流。檢測系統(tǒng)中的大多數(shù)檢測信號(hào)都屬于非電信號(hào)，例如速度和位置。在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，常用的檢測信號(hào)主要包括的物理量有電流，電壓，轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。以下描述用于檢測物理量的方法。這個(gè)設(shè)計(jì)中選擇的是霍爾傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測試。傳感器就如同人的感覺器官一般，對(duì)被測試的目標(biāo)的某種確定的信息收集處理輸出信號(hào)的裝置叫做傳感器?；魻杺鞲衅鞯拿且?yàn)槊绹茖W(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)了這個(gè)有趣的現(xiàn)象故此被他的名字命名。對(duì)于霍爾傳感器不同的測量目標(biāo)要選擇不同的霍爾元件。比如對(duì)磁場進(jìn)行測量需要砷化鎵霍爾元件保證測試精準(zhǔn)。比如對(duì)拉力的測量是用霍爾器件制成的陣感器去測試?yán)Φ?。?duì)于本設(shè)計(jì)測試的是電機(jī)速度一般用的都是霍爾開關(guān)和霍爾集成片。3.5系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電源電路對(duì)于該模塊考慮一下兩種方案。方案一：電機(jī)運(yùn)行所需的電壓通過電阻分擔(dān)電壓控制，此種方案原理與硬件電路連接很簡單，但是對(duì)能量的消耗不小，在實(shí)際運(yùn)用系統(tǒng)中通常不考慮選取。方案二：通過如7812、7805等芯片對(duì)整流后的電壓來執(zhí)行穩(wěn)壓、降壓處置，這樣的方案安全性、可靠性高，對(duì)能源的利用率也高，并且電路簡單易連，容易實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體要求，采用方案二成為本設(shè)計(jì)的供電模塊。芯片介紹三端穩(wěn)壓器實(shí)際上是一種半導(dǎo)體元件，對(duì)臨界反向擊穿電壓具有很高的阻抗。常用的三端穩(wěn)壓器有78系列7812,7824,7805,7808,7809等。78XX,XX表示它輸出的電壓值，。用78/79系列的三端穩(wěn)壓器組成的電源模塊元件少，結(jié)構(gòu)簡單明了不復(fù)雜而且電路內(nèi)有過流過熱保護(hù),特別省心,出錯(cuò)率低。在穩(wěn)壓器前綴的78,79后面的數(shù)字代表了他可以輸出的電壓,這樣在實(shí)際構(gòu)建電路過程中可以降低出錯(cuò)率。圖3-1電源電路3.5.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)本次的設(shè)計(jì)主要目的是對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)控制，所以電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊是本次設(shè)計(jì)的重中之重方案一：選用大功率晶體管組合電路構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低、容易實(shí)現(xiàn)，但是由于在驅(qū)動(dòng)電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路抗干擾能力差、復(fù)雜、可靠性降低，我們知道在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐過程中可靠性是一個(gè)非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。方案二：方案的電路要求設(shè)計(jì)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好。采用L298N、L297N等電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片組成的模塊就能滿足上述要求，它的內(nèi)部考慮了電路的抗干擾能力，省時(shí)省心?；谏鲜隼碚摲治龊蛯?shí)際情況，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用方案二。H橋驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)模塊是控制器和驅(qū)動(dòng)器之間的鏈接。在該系統(tǒng)中，單片機(jī)的I/0端口不能直接控制電機(jī)。必須添加電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，才可根據(jù)控制要求控制電機(jī)。此處采取L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片它雙橋式驅(qū)動(dòng)。使用它能減少元件的數(shù)量，因?yàn)樗旧硭璧脑秃苌倨潆娐肥怯蓡纹瑱C(jī)輸入的脈沖信號(hào)控制管子工作，可以提高運(yùn)行時(shí)的可靠性。輸出腳連接電流并檢測出電路中的電阻，Vs需要接電源驅(qū)動(dòng)模塊，Vss接控制邏輯的電源。其如圖3-3所示的電路，采取加裝兩個(gè)光電耦合器把單片機(jī)的I/O和驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行隔離，保證電路的穩(wěn)定。圖3-2驅(qū)動(dòng)電路基于測速模塊設(shè)計(jì)方案一：使用霍爾集成片。用三片霍爾金屬板組成測速模塊。讓吸鐵石和霍爾金屬板正對(duì)的時(shí)候，板子上會(huì)發(fā)生金橫向的導(dǎo)通，如果事先在電動(dòng)機(jī)上安裝好吸鐵石薄片，把霍爾集成片固定在固定軸上，就可以通過對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行系統(tǒng)性的檢測。方案二：測速發(fā)電機(jī)用于測量直流電動(dòng)機(jī)的速度。該方案的實(shí)現(xiàn)原理是將測速發(fā)電機(jī)固定在直流電動(dòng)機(jī)的軸上。當(dāng)直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速計(jì)電機(jī)的軸一起旋轉(zhuǎn)。所以，測速發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的大小跟著直流電動(dòng)機(jī)速度的大小而變化，因此精度相對(duì)較高，但因?yàn)樘幚矸桨傅某杀鞠鄬?duì)較高且安裝繁雜，因此不采用該方案。在這個(gè)設(shè)計(jì)中。以上二種方案中，第二種方案成本高不宜采用，所以第一種方案比較適合。方案一工作原理：霍爾集成模塊把產(chǎn)生的幅值隨磁場強(qiáng)度變化的霍爾電壓放大，再把信號(hào)輸送給變換器和驅(qū)動(dòng)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)使之產(chǎn)生頻率相等的方波信號(hào)，一個(gè)周期的方波就等于轉(zhuǎn)了一圈，可以靠此原理得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)N和周期T可以求出速度公式：V=NT。測速模塊圖3-3測速電路顯示電路設(shè)計(jì)方案一：使用LED顯示數(shù)據(jù)。這種數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)簡單、亮度高、功耗低、易集成、抗沖擊、性能穩(wěn)定，還可以用BCD碼顯示數(shù)字，編程方便，硬件電路調(diào)試簡單。但由于本設(shè)計(jì)中需要設(shè)置的參數(shù)種類繁多，有的需要顯示漢字，使用LED顯示屏無法完成設(shè)計(jì)任務(wù)，不應(yīng)使用。解決方案二：使用1602LCD顯示器，控制顯示的方式簡單，硬件電路簡單，功率低，可顯示字符。然而，由于需要并行數(shù)據(jù)傳輸，并且不支持漢字，并且顯示效果也很差，并且人與計(jì)算機(jī)之間的交互還有很多不足之處。解決方案三：使用128X64液晶顯示器。該顯示器具有低顯示功率的優(yōu)勢，并且控制方案和硬件接線圖比上述兩種方案更簡單。顯示屏很大，可以顯示漢字和符號(hào)顯示器選擇根據(jù)本設(shè)計(jì)對(duì)于信息顯示的需要，設(shè)計(jì)采用的顯示屏需要達(dá)到同時(shí)顯示中文漢字時(shí)間、數(shù)字字母、和電壓電流的波形等。目前基于單片機(jī)的設(shè)備設(shè)計(jì)研究時(shí)，信息顯示多采用LED數(shù)碼管和LCD液晶作為載體。當(dāng)使用LED數(shù)碼管作為顯示器的時(shí)候，對(duì)于內(nèi)容信息量大、信息復(fù)雜時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)需要采用多個(gè)數(shù)碼管元件而且只能顯示字母及數(shù)字，對(duì)于中文漢字、、圖片波形等內(nèi)容無法實(shí)現(xiàn)，因此常常用于簡單的顯示設(shè)計(jì)中，對(duì)于本設(shè)計(jì)的內(nèi)容顯示包括電壓電流波形、中文漢字、數(shù)字、英文字母等，采用LED達(dá)不到設(shè)計(jì)的需求，所以本設(shè)計(jì)采用的是LCD液晶顯示器。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，顯示模塊選用方案三。在電路中加入顯示模塊是有必要的，因?yàn)閷?duì)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)與電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)還需要進(jìn)行顯示。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中顯示的數(shù)據(jù)比較多，而且需要文字顯示，在這里選用128x64液晶顯示器可以較好完成任務(wù)，此顯示模塊主要是由128X64全點(diǎn)陣液晶顯示器與行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器組成，它屬于一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器可以獨(dú)立完成圖形顯示和漢字（16X16）顯示。它共有20個(gè)引腳，引腳名稱和引腳編號(hào)對(duì)應(yīng)如下圖3-4 128x64LCD定義引腳符號(hào)引腳功能引腳符號(hào)引腳功能1VSS電源地15CS1CS1=1芯片選擇左邊64*64點(diǎn)2VDD電源正+5V16CS2CS2=1芯片選擇右邊64*64點(diǎn)3VO液晶顯示驅(qū)動(dòng)電源17/RST復(fù)位（低電平有效）4RSH：數(shù)據(jù)輸入；L：指令碼輸入18VEELCD驅(qū)動(dòng)負(fù)電源5R/WH：數(shù)據(jù)讀取；L：數(shù)據(jù)寫入19A背光電源（+）6E使能信號(hào)。20K背光電源（-）7-14DB0-DB7數(shù)據(jù)線有些型號(hào)的模塊19、20腳為空腳表3-1顯示模塊引腳定義單片機(jī)和128x64液晶顯示器的連接電路如圖3-5所示:3-5顯示模塊電路原理接線圖按鍵電路模塊設(shè)計(jì)方案在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)參數(shù)的輸入、電機(jī)起停的控制和工作方式的設(shè)定需要按鍵進(jìn)行操作，所以鍵盤是整個(gè)系統(tǒng)中的一部分，考慮有二種方案：解決方案1.使用獨(dú)立鍵盤。鍵盤的硬件連接和軟件實(shí)現(xiàn)很簡單，按鈕彼此獨(dú)立。每個(gè)按鈕的一端接地，另一端連接到輸入線。按鈕的操作狀態(tài)不會(huì)影響其他按鈕的輸入狀態(tài)。但是，由于輸入端口的每一行必須占用獨(dú)立鍵盤的每個(gè)按鈕，當(dāng)按鈕數(shù)量很大時(shí)，I/0端口是浪費(fèi)很大，因此鍵盤只能用于按鈕數(shù)量較少或操作速度較高的情況。解決方案二：使用行列式鍵盤，行列式鍵盤也稱為矩陣鍵盤。鍵盤的特征是行和列線分別連接到輸入線和輸出線。按鈕設(shè)置在行和列線的交點(diǎn)處。通過這種矩陣結(jié)構(gòu)，只有m跟行線和n根列線可以用來形成按鈕的相位型鍵盤，因此矩陣鍵盤適用于需要大量的按鍵。按鍵控制方式選擇本設(shè)計(jì)需要使用按鍵對(duì)時(shí)間、工作模式、顯示內(nèi)容和操作。根據(jù)按鍵組合形式可以采用獨(dú)立按鍵和矩陣式鍵盤進(jìn)行按鍵電路的設(shè)計(jì)。對(duì)于按鍵數(shù)量較少，單片機(jī)I/O口充足時(shí)課采用獨(dú)立式按鍵，設(shè)計(jì)簡單，開發(fā)方便；單片機(jī)通過對(duì)矩陣式鍵盤的列和行掃描實(shí)現(xiàn)按鍵功能，開發(fā)相對(duì)按鍵式復(fù)雜，但適用于按鍵數(shù)多、單片機(jī)I/0口不足時(shí)，本設(shè)計(jì)因按鍵數(shù)目和外圍電路較多，消耗的單片機(jī)I/O多，因此采用矩陣式鍵盤。根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件連接比較復(fù)雜，所以采用方案二矩陣式鍵盤進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.5.8鍵盤電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，4x4鍵盤用于調(diào)整三個(gè)參數(shù)P,I,D以及發(fā)動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，以及控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，停止，暫停繼續(xù)。在每一行和每一列的交叉點(diǎn)上面設(shè)置按鈕。這種鍵盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化了單片機(jī)系統(tǒng)中I/0端口的使用情況。如圖4-所示。在圖L0-L3中，這是4X4鍵盤列信號(hào)，H0-H3是4X4鍵盤行信號(hào)。在這個(gè)系統(tǒng)中，使用PI.0-P1.3連接鍵盤的列信號(hào)L0-L3并選擇用P0.4-P0.7鏈接鍵盤的行信號(hào)H0-H3P。按照要求設(shè)計(jì)操作面板如圖3-8所示:圖3-8鍵盤電路當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行的時(shí)候，LCD自動(dòng)在入到開機(jī)界面中，當(dāng)按下設(shè)置鍵顯示屏載入?yún)?shù)設(shè)置界面，此時(shí)按下1、2、3、4可以設(shè)置系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的各種參數(shù)和狀態(tài)，輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)字完成對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定。設(shè)置后，按開始按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)。在運(yùn)行過程中，控制暫停，恢復(fù)和停止運(yùn)行按鈕可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。第4章系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)本章節(jié)主要對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)的目的進(jìn)行穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行，完成對(duì)系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)。本章主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)主程序、速度測量模塊、顯示電路的軟件流程設(shè)計(jì)。算法設(shè)計(jì)PID控制算法是此次設(shè)計(jì)中能否取得成果的重中之重通過開始設(shè)定好的數(shù)值和實(shí)際采樣得到的數(shù)值相比較得出偏差e(n)，對(duì)e(n)進(jìn)行處理得到的結(jié)論再反過來去控制PWM脈沖的占空比，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)，再通過電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。其運(yùn)算公式為：u(n)—K[e(n)—e(n—1)]+Ke(n)+K[e(n)—2e(n—1)+e(n—2)]+uPID0所以上面的算法是實(shí)現(xiàn)PID控制所不可缺少的算法。程序流程如圖4-1所示。圖4-1流程圖4.1.2速度檢測算法在本設(shè)計(jì)中直流電動(dòng)機(jī)速度采集是本設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)的核心重點(diǎn)也是非常重要的模塊，它的精確度會(huì)直接影響到整個(gè)控制的精度。所以使用了霍爾傳感器做為測速裝置以求減少誤差，規(guī)避技術(shù)上的漏洞，把靠近在圓盤邊緣處放置一個(gè)霍爾傳感器，只要原判旋轉(zhuǎn)一圈其上的霍爾傳感器也跟著旋轉(zhuǎn)一圈，此時(shí)的傳感器會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)。通過這種方法就可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，如果引入頻率計(jì)等元件就可輕松得到轉(zhuǎn)速。其計(jì)算公式為：V=NT程序流程主流程圖僅僅只有硬件的部分并不能完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，所以系統(tǒng)中軟件部分的設(shè)計(jì)也是非常重要的，按照要求設(shè)計(jì)的主程序流程如圖4-3所示。圖4-2主程序流程鍵盤程序程序流程鍵盤的中斷程序是用來設(shè)置系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)和控制系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)，其程序流程圖如圖4-4所示。圖4-3鍵盤程序流程定時(shí)程序流程定時(shí)器TO中斷子程序是進(jìn)行速度計(jì)算、PID運(yùn)算和電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間的控制器,它的流程圖為4-5所示。圖4-4定時(shí)程序流程顯示程序流程人機(jī)對(duì)話模塊中最重要部分是顯示模塊，在這里選用128X64LCD顯示器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)字符和漢字的顯示.圖4-5顯示模塊流程圖結(jié)論本設(shè)計(jì)研究