【正文】 //period 相當(dāng)于周期，保持不變的 { time = 0。 } else PWM2=0。 24 h i g h * 1 0 0 u s 高 電 平 波 形（ 2 0 0 h i g h ） * 1 0 0 u s 低 電 平 波 形（ 每 一 小 段 長 度 都 為 1 0 0 u s ） 圖 PWM 波形示意圖 PID控制器函數(shù) PID 控制器函數(shù)的主要功能是根據(jù)霍爾傳感器模塊測得的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和電機(jī)的設(shè)置轉(zhuǎn)速，在單片機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算后得到一個(gè)控制量，對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以達(dá)到直流電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)置轉(zhuǎn)速 的轉(zhuǎn)速差最小。 //定時(shí)器 T1 設(shè)置參數(shù) count_speed++。 // 本采樣周期 e(k1)作為下個(gè)采樣周期的 e(k2) ek_1=ek。 //每周期結(jié)束時(shí)將軟件延時(shí)臨時(shí)變量清零 num_medium = 0。每秒進(jìn)行一次轉(zhuǎn)速計(jì)算即num_display = 15*num_medium。也可以所有情況均采取 PID 算法，不加區(qū)別。 27 開 始LCD初 始 化寫 數(shù) 據(jù)顯 示 電 機(jī) 設(shè) 置轉(zhuǎn) 速顯 示 電 機(jī) 實(shí) 際轉(zhuǎn) 速返 回 圖 LCD 顯示函數(shù)流程圖 程序開始執(zhí)行后，先對液晶顯示屏的顯示字型進(jìn)行設(shè)置，使用 8 位數(shù)據(jù)，顯示兩行，使用 5*7 的字型， 當(dāng)顯示完一個(gè)字符，光標(biāo)自動(dòng)右移。 矩陣鍵盤掃描函數(shù) 矩陣鍵盤掃描函數(shù)的作用是判斷有無按鍵按下。 28 開 始是 否 有 鍵 按 下得 到 鍵 碼鍵 碼 識(shí) 別0 x e eo = ~ o0 x 7 70 x 7 d0 x 7 b0 x 7 eYN加 速 啟 停正 反 轉(zhuǎn)減 速 得 到 鍵 值返 回YYYYYNNNNN 圖 矩陣鍵盤掃描函數(shù)流程圖 29 第 5 章 硬件調(diào)試 及控制策略改進(jìn) 本章介紹了 在 硬件調(diào)試過程中 遇到的問題及相應(yīng)的解決方法并介紹了 PID 控制器 參數(shù) 的整定方法以 及 測試了無 PID 控制器及加入 PID 控制器后 PWM 波的波形 ，并分析了 電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)置轉(zhuǎn)速存在誤差的原因 。 將霍爾傳感器模塊的輸出端接上上拉電阻后，再經(jīng)過非門 74F04N 后，接入單片機(jī)外部中斷 1 口， 啟動(dòng)電機(jī)后，霍爾測速模塊能測得直流電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速并在液晶顯示屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。積分作用系數(shù) Ki的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。因此綜合調(diào)節(jié) KP、 Ki、 Kd三個(gè)參數(shù)可以使系統(tǒng)獲得理想的運(yùn)行特性。 實(shí)驗(yàn)中電機(jī)小巧簡單、調(diào)試方便，利于反復(fù)修改參數(shù)試湊，因此采用經(jīng)驗(yàn)整定法比較合適。 無 PID 控制器不同轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的 PWM 波形 無 PID 控制器時(shí) 對于 不同的 設(shè)置轉(zhuǎn)速 ，單片機(jī)輸出不同占空比的 PWM波形，其對應(yīng)關(guān)系如表 所示。 (2) 本設(shè)計(jì)通過改變 PWM 波的占空比來實(shí)現(xiàn)改變直流電機(jī)電樞間電壓，但 PWM 波的占空比與輸出電壓并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系。 33 n = 5 0 0 n = 1 0 0 0 n = 1 5 0 0n = 2 0 0 0 n = 2 5 0 0 n = 3 0 0 0 圖 有 PID 控制器時(shí) 不同設(shè)置轉(zhuǎn)速單片機(jī)輸出 PWM 波形 圖 實(shí)驗(yàn)中加入 PID 控制器后直流電機(jī)設(shè)置轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速如表 所示。 本文設(shè)計(jì)的 由單片機(jī)控制的直流調(diào)速 控制系統(tǒng)由直流電機(jī) 、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、 PID 調(diào)節(jié)器、霍爾測速模塊 組成，這里單片機(jī)取代了常規(guī)的電子控制裝置 (觸發(fā)器、調(diào)節(jié)器 )，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字調(diào)節(jié)，即所謂全數(shù)字控制。 ，特別是 在 PID 參數(shù) 整定過程中，由于沒有使用相應(yīng)的軟件對 PID 調(diào)節(jié)器進(jìn)行仿真，使得在調(diào)試工程中只能根據(jù)直流電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行參數(shù)整定，使得調(diào)試過程顯得相對復(fù)雜。 從論 文的選題、設(shè)計(jì)方案的制定、硬件的實(shí)現(xiàn)、直至論文的撰寫，均得到了 胡 老師的親切關(guān)懷與悉心指導(dǎo)，幫我們購買相應(yīng)的元器件，幫我們查詢設(shè)計(jì)需要的 資料，每周檢查我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度等，花費(fèi)了她大量的時(shí)間與精力。 最后我還要向我的父母及家人表示最深摯的謝意，本人能夠完成 大學(xué) 學(xué)業(yè)離不開他們多年來的支持和幫助。在此向江 老師表示深深的感謝！ 另外，我還要感謝在這四年大學(xué)中 在課堂上 教 過我的老師以及在生活中幫助我的老師，在他們諄諄教導(dǎo)下，我不僅掌握了基本的專業(yè)知識(shí)和專業(yè)技能更學(xué)會(huì)了如何與周圍的人和事和睦相處， 為以后的工作和學(xué)習(xí)作了良好的鋪墊。 35 致 謝 本論文是在指導(dǎo)教師 老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在硬件設(shè)計(jì)及畢業(yè)論文的撰寫過程中， 胡 老師都給了我很大的幫助。 本次畢設(shè)， 從中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫、重慶維普數(shù)據(jù)庫下載查閱了大量碩士研究生論文、核心期刊論文，內(nèi)容涉及 PWM 控制的直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)、基于單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)、新型 PI 控制直流電機(jī)等，通過這些論文，了解了直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)發(fā)展歷史和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 34 結(jié) 論 PWM直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)與 電動(dòng)機(jī)一發(fā)電機(jī)組 控制 系統(tǒng)以及飽和電抗器控制系統(tǒng)相比 具有投資少、占地小、無噪音、 運(yùn)行費(fèi)用低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。 有 PID 控制器不同轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的 PWM 波形 在程序中加入 PID 控制器后，通過矩陣鍵盤設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速，待直流電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，單片機(jī)輸出不同占空比的 PWM 波形，其對應(yīng)關(guān)系如表 所示。 n = 5 0 0n = 1 0 0 0n = 1 5 0 0n = 2 0 0 0n = 2 5 0 0 n = 3 0 0 0圖 無 PID 控制器時(shí) 不同設(shè)置轉(zhuǎn)速單片機(jī)輸出 PWM 波形 圖 實(shí)驗(yàn)中 無 PID 控制器 直流電機(jī)設(shè)置轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速如表 所示。 調(diào)試結(jié)果 在實(shí)驗(yàn)中 能通過矩陣鍵盤對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，每按一次加速鍵或減速鍵，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速增加或減小 50 轉(zhuǎn) /分 ， 可以 通過正反轉(zhuǎn)按鍵控制直流電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)， 可以 通過啟停按鍵控制直流電機(jī)的啟動(dòng)和停止 ?？梢韵日ū壤?,使過渡過程基本穩(wěn)定 , 然后加積分消除余差 , 最后加微分進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。若 Ki過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度；微分作用系數(shù) Kd的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。 KP越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)， 30 甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。利用矩陣鍵盤設(shè)置轉(zhuǎn)速給定值，通過觀察轉(zhuǎn)速測量值的變化，估計(jì)超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間和靜態(tài)誤差，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)整定法整定 PID 參數(shù)，尋求最優(yōu)參數(shù)。通過得到的鍵值可以對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置并可以控制其 正反轉(zhuǎn)、加速、減速、啟停。 通過矩陣鍵盤對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定的同時(shí)，顯示函數(shù)得到設(shè)定值后通過運(yùn)算得到 設(shè)定值的千位、百位、十位、個(gè)位并顯示。根據(jù)單片機(jī)運(yùn)算后的結(jié)果實(shí)時(shí)顯示直流電機(jī)的設(shè)置轉(zhuǎn)速及實(shí)際轉(zhuǎn)速。 3. 調(diào)節(jié)器的算法 誤差較大時(shí)，執(zhí)行 PID 算法；誤差較小時(shí)，執(zhí)行控制 量增減 1 的算法。 //外部中斷 1 中斷向量號為 2，設(shè)置其為下降沿觸發(fā)中斷請求方 26 式，實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)功能 } 關(guān)于轉(zhuǎn)速計(jì)算： 1/num_medium 為一個(gè)脈沖的時(shí)間： 4/(num_medium)為 4 個(gè)脈沖時(shí)間，也就是電機(jī)旋轉(zhuǎn)周期，那么其倒數(shù) 15 ?num_medium就是轉(zhuǎn)速。// num_display 為實(shí)際轉(zhuǎn)速 ek=refnum_display。//該賦值語句實(shí)質(zhì)為增量算式 “???? = ?????1 + ????(???? ? ?????1) + ???????? +????(???? ?2?????1 + ?????2)” if(high!=high1) //high 為上次占空比，如果本次占空比計(jì)算值與上次不同 high=high1。 開 始利 用 軟 件 延 時(shí) 1 秒利 用 P I D 增 量 算 式 求 臨 時(shí)控 制 量 h i g h 1h i g h = h i g h 1h i g h = h i g h 1更 新 e （ k ） 、 e （ k 1 ） 、 e （ k 2 ） ， 更 新轉(zhuǎn) 速 值 ， 臨 時(shí) 變 量 清 零返 回YN 圖 PID 控制器函數(shù)流程圖 25 源程序及注釋 void time1_int(void) interrupt 3 { TH1 = 0x3c。} }} 對程序的說明 PWM 波形發(fā)生函數(shù)產(chǎn)生 PWM 一周期波形如下圖。ena = 1。 //L298N 的 IN2 為低電平 if(time=high) //產(chǎn)生 時(shí)長 high*100us 的高電平波形 { PWM1=1。 //time 為中斷次數(shù) TH0 = (65536100)/256。 PWM 波形發(fā)生函數(shù)流程圖如圖 所示。 開 始設(shè) 置 定 時(shí) 器 初值開 啟 定 時(shí) 器鍵 盤 掃 描液 晶 顯 示 圖 主函數(shù)流程圖 程序開始后，對單片機(jī)的計(jì)數(shù)器溢出中斷和外部中斷控制字進(jìn)行設(shè)置并設(shè)置定時(shí) 22 器和外部中斷 的工作方式，同時(shí) 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)初值進(jìn)行設(shè)置，然后打開相應(yīng)的計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)值溢出后，定時(shí)器產(chǎn)生中斷，再去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。根據(jù)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)需要，完成參數(shù)顯示、轉(zhuǎn)速設(shè)置、 PID 控制等功能。 E:使能信號。 RS:數(shù)據(jù) /命令選擇端。其外部引腳如 所示。 3. 中斷掃描方式 采用上述兩種鍵盤掃描方式時(shí)，無論是否按鍵， CPU 都要定時(shí)掃描鍵盤，而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，并非經(jīng)常需要鍵盤輸入，因此， CPU 經(jīng)常處于空掃描狀態(tài)，為提高 CPU工作效率，可采用中斷掃描工作方式。通常，鍵盤的工作方式有三種，即編程掃描、定時(shí)掃描和中斷掃描。硬件方法就是在鍵盤中附加去抖動(dòng)電路，從根上消除抖動(dòng)產(chǎn)生的可能性；而軟件方法則是采用時(shí)間延遲以躲過抖動(dòng)（大約延時(shí) 510ms 19 即可），待 線上狀態(tài)確定之后，再進(jìn)行狀態(tài)輸入。由此得到閉合鍵的行值和列值，然后可采用計(jì)算法或查表法將閉合鍵的行值和列值轉(zhuǎn)換成所定義的鍵值 （ 5） 為了保證鍵每閉合一次 CPU僅作一次處理，必須去除鍵釋放時(shí)的抖動(dòng)。當(dāng)檢測到有鍵按下后，延時(shí)一段時(shí)間再做下一步的檢測判斷。列線 分別接有 4 個(gè)上拉電阻到正電源 +5V， 4 根行線和 4 根列線形成 16 個(gè)相交點(diǎn)。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。 其電路圖如圖 所示。 霍爾測速模塊 工作過程：測量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器與機(jī)軸相連接，機(jī)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一定的脈沖個(gè)數(shù)， 經(jīng)霍爾器件電路部分輸出，成為單片機(jī) 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。 圖 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖 霍爾測速模塊 霍爾測速模塊主要用來測得直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，霍爾測速模塊主要由霍爾傳感器及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路組成。使用 L298N 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn) 電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá) 46V。單片機(jī)輸出 PWM 波給電機(jī)