【正文】 [)( uneneKneKnUDIP ??????第四章 軟件設(shè)計(jì)第一節(jié) 算法實(shí)現(xiàn)一、PID 算法本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心算法用到了 PID 算法，它是根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較從而得出偏差值 ，對(duì)偏差值進(jìn)行 P、I 、D 運(yùn)算最終利用運(yùn)算)(ne結(jié)果來控制 PWM 脈沖的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加在電機(jī)兩端電壓的進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29第二節(jié) 程序流程 在一個(gè)完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應(yīng)設(shè)計(jì)任務(wù)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(yùn)行過程設(shè)計(jì)出程序流程如圖 所示。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31第五章 系統(tǒng)功能調(diào)試第一節(jié) 系統(tǒng) Proteus 仿真Proteus 軟件是一種低投資的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，提供可仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達(dá) 30 多個(gè)元件庫。直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的 Proteus 仿真圖如圖 所示，圖 和圖 是其在不同的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)下的輸出脈沖波形。短路，由于焊接時(shí)沒有注意導(dǎo)致短路。檢查原理圖與 PCB 圖是否一致。飛線，用別的的口線進(jìn)行控制，看看能不能對(duì)其進(jìn)行正常操作，多試驗(yàn)，才能找到問題出現(xiàn)在什么地方。第四節(jié) 系統(tǒng)實(shí)物調(diào)試系統(tǒng)實(shí)物調(diào)試是對(duì)焊好的 PCB 板進(jìn)行各個(gè)功能的檢測，看是否能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并對(duì)其 PID 參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，找出最佳的 PID 參數(shù)。第六節(jié) 本章小結(jié)在做這一部分內(nèi)容時(shí)，確實(shí)遇到了很多問題，當(dāng)時(shí)焊接電路時(shí)就出現(xiàn)了虛焊的錯(cuò)誤，用萬用表檢測了很久才找出了問題所在，還有個(gè)頭痛的就是軟件調(diào)試，這部分是花了我很多時(shí)間，因?yàn)橹巴ㄟ^軟件流程圖編出來的程序不能運(yùn)行，經(jīng)過一步一步的修改先可以顯示，后來實(shí)現(xiàn)了按鍵的功能，最后通過對(duì)算法的編寫也用了很多時(shí)間才實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制。程序方面采用了 C 語言進(jìn)行編程，增強(qiáng)了程序的可移植性和靈活性。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的是進(jìn)行單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速，本次設(shè)計(jì)主要通過PID 算法產(chǎn)生 PWM 脈沖來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖 系統(tǒng)在 P=，I=，D= 條件下的電機(jī)轉(zhuǎn)速 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 圖 系統(tǒng)在 P=,I=,D= 條件下的電機(jī)轉(zhuǎn)速 圖 系統(tǒng)在 P=，I=，D= 條件下的電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)以上 matlab 仿真圖形和附錄表七可以通過設(shè)定速度減去測得速度所得到的差值，通過方差公式 在通過最小轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速得到的方差和最大轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速得到的方差取平均值可以得到當(dāng) P=，I=,D= 時(shí) z=,當(dāng) P=，I=,D= 時(shí) z=，當(dāng) P=，I=,D= 時(shí) z=可以看出當(dāng) P=，I=,D= 時(shí) z=直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，而且能夠比較近似的反應(yīng)實(shí)際轉(zhuǎn)速。調(diào)試程序時(shí)大腦中需要有總的框架圖。用萬用表檢查是否有虛焊，引腳短路現(xiàn)象。焊接和原理圖沒有對(duì)應(yīng)。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33第二節(jié) 系統(tǒng)硬件調(diào)試系統(tǒng)硬件調(diào)試是在仿真完成后對(duì)把元器件焊接在做好的 PCB 電路板上進(jìn)行的，對(duì)焊接電路進(jìn)行不可缺少的檢測。此外，Proteus 還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30第三節(jié) 本章小結(jié)本章對(duì) PID 算法和速度采集算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了簡要的介紹，因?yàn)樵谥绷麟姍C(jī)調(diào)試當(dāng)中，一般 PID 算法都比較成熟，因此我們?cè)谒惴ㄉ喜捎昧?PID 算法進(jìn)行速度的調(diào)節(jié)，通過光電編碼測速器對(duì)速度進(jìn)行采集，通公式換算出電機(jī)的實(shí)時(shí)速度。二、電機(jī)速度采集算法本系統(tǒng)中對(duì)電機(jī)速度采集是一個(gè)必不可少的部分，并且它的精度直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。圖 鍵盤模塊鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，1602LCD 將顯示開機(jī)界面，若按下設(shè)置鍵 S1 顯示屏進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，此時(shí)按 SSS4 進(jìn)入相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置的狀態(tài)，輸入相應(yīng)的數(shù)字即可完成該參數(shù)的設(shè)置，最后按啟動(dòng)鍵 S5 啟動(dòng)系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中可按下相應(yīng)鍵對(duì)電機(jī)進(jìn)行暫停、繼續(xù)、反轉(zhuǎn)、停止運(yùn)行的控制。這里使用 LCD1602，它有 16 個(gè)引腳，其引腳功能如表 所示。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用了比較常見的光電測速方法來實(shí)現(xiàn)，其具體做法是將電機(jī)軸上固定一圓盤，且其邊緣上有 m 個(gè)等分凹槽如圖 （a）所示，在圓盤的一側(cè)固定一個(gè)發(fā)光二極管，其位置對(duì)準(zhǔn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到凹槽處時(shí)，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(dǎo)通， 接收到一個(gè)低電平，反之三極管截止， 接收到一個(gè)高電平，電路如圖 （b）所示，從圖中可以得出電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈在 的輸出端就會(huì)產(chǎn)生 N 個(gè)低電平。IN2=L 正轉(zhuǎn)IN1=L。IN1IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)，用來控制 H 橋的開與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB 引腳則為使能控制端，用來輸入 PWM 信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 電源電路由上圖可以看出，電源電路有一個(gè)電源指示燈作為上電的標(biāo)志，并聯(lián)兩個(gè)電容進(jìn)行電源電壓濾波。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)有上圖可以看出單片機(jī)最小系統(tǒng)需要復(fù)位電路和時(shí)鐘電路才能工作。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21通過使能端控制電機(jī)啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速及減速。STC89C52 單片機(jī)是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 可編程 Flash 存儲(chǔ)器，256 字節(jié)RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，全雙工串行口，算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制 [11]。硬件電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案主要是通過對(duì)設(shè)計(jì)目的分析來確定的，畫出了系統(tǒng)框圖，最后選擇了 STC89C52 作為主控制器件，通1602LCD 液晶顯示器對(duì)設(shè)置參數(shù)和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示，通過獨(dú)立鍵盤對(duì) PID 參數(shù)和電機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行更改。所以本次設(shè)計(jì)采用獨(dú)立鍵盤進(jìn)行人機(jī)操作。所以本次設(shè)計(jì)采用 LCD1602 液晶顯示器進(jìn)行此次電機(jī)所有數(shù)據(jù)的顯示。四、顯示模塊設(shè)計(jì)方案在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對(duì)參數(shù)、工作方式以及電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，因此在整個(gè)系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)一個(gè)顯示模塊。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18三、速度采集模塊設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)過程中需要將設(shè)定與當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，并且將采集的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理，速度采集模塊就是為完成這樣功能而設(shè)計(jì)的，考慮到市場中的霍爾元件比較難買，而且成本也比較高，而且光電傳感器的精度也比較高，比較適合運(yùn)用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中來，因此采用對(duì)射式光電傳感器。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路是用三極管搭建起來的，但由于市場上有專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，例如 L298N、 L297N 等電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 由于 STC89C52 單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。STC89C52 功能特性描述：STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。在運(yùn)行過程中通過軟件產(chǎn)生PWM 脈沖并送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)利用速度檢測模塊將當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到控制模塊中，控制器模塊經(jīng)過 PID 運(yùn)算后改變 PWM 脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制的目的。PWM 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制算法實(shí)現(xiàn)。PWM 控制的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)從處理器到系統(tǒng)的信號(hào)都是以數(shù)字為存在形式的，而無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。負(fù)半周期的正弦，你也可以用同樣的方法得到 PWM 波形 [2]。這些脈沖寬度相等，等于∏/n，但幅值不等，脈沖的頂部的不是一個(gè)水平線，而是脈沖幅度的變化曲線。是指該環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。通過一系列的脈沖調(diào)制，就可以改變輸出電壓的大小，同時(shí)也可以改變輸出頻率。IK④通過引入比較合適的微分系數(shù) 和微分時(shí)間 ，此時(shí)需要增大比例系DKDT數(shù) 和積分系數(shù) 。②通過取比例系數(shù) 作為當(dāng)前的值來乘以 ，并從小到大地增加積分系P數(shù) ，并且讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，直至得到比較滿意的結(jié)果為止。按經(jīng)驗(yàn)式為： [7]pK得到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù) [8]。工程整定法 工程整定法是有經(jīng)典的頻率法簡化而來的，他簡單易行，適合運(yùn)用 [8]。當(dāng)然，這是一種近似方法，有時(shí)也有點(diǎn)粗糙，但適用于解決一般實(shí)際問題。PID 控制器參數(shù)整定方法有很多，但可以歸結(jié)為理論計(jì)算和工程的整定兩種方法。P I D位置算法控制器 被控對(duì)象r ( t )+e ( t ) uc ( t )P I D增量算法控制器 被控對(duì)象r ( t )+e ( t ) uc ( t ) 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11二、數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法PID 控制器參數(shù)整定方案必須根據(jù)工程需要的具有要求來進(jìn)行考慮。增量式算法得出的是控制量的增量，而位置式算法的的輸出是控制量的全部量輸出，誤動(dòng)作影響大。由（）可看出，位置型控制算式的運(yùn)用十分不方便，這是因?yàn)樾枰奂悠?,不僅需要占用的存儲(chǔ)單元比較多，而且也十分不便于程序的編寫，)(ie為此需對(duì)式（）進(jìn)行改進(jìn)。因此，事實(shí)上，數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是計(jì)算機(jī)算法設(shè)計(jì)。PID 控制算法具有穩(wěn)定和可靠的性能，開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)小。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 第一節(jié) 控制算法選擇一、控制算法介紹和確定在速度算法設(shè)計(jì)可以選擇經(jīng)典的 PID 算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、前饋控制算法。本次設(shè)計(jì)我們采用基于 PID 算法的 PWM 直流電機(jī)調(diào)節(jié)來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以通過 用 PWM 技術(shù)來改變 的大小從而改變aUaU 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7轉(zhuǎn)速的大小，即當(dāng)不同脈沖寬度送入驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路給予電機(jī)兩端的電壓就不同，從而改變了直流的轉(zhuǎn)速，達(dá)到了控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。然而，獲得的功率會(huì)消耗在接入的電阻上，所以這種方法效率低。然而，由于輸入的電阻分擔(dān)了部分電壓，所以這種傳統(tǒng)的方法是效率不高的速度調(diào)節(jié)方法 [15]。當(dāng)采用弱磁調(diào)速范圍一般是從 :1~3:1，特殊電機(jī)可以達(dá)到 5:1。同時(shí)，由于馬達(dá)轉(zhuǎn)矩 的磁通 與電樞電流 的乘積，電neT?aI樞電流恒定時(shí)，減少磁通 ，其轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)矩也會(huì)減少。三、采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法PWM 系統(tǒng)的出現(xiàn)具有很長的歷史，但由于缺乏高速大功率開關(guān)設(shè)備，無法在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。這是因?yàn)?，反電?dòng)勢易產(chǎn)生間歇性的負(fù)載電流引起的可控硅整流器的電流不連續(xù)。在此調(diào)速方法下可得到與發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)類似的調(diào)速特性。為克服這些缺點(diǎn)，20 世紀(jì) 50 年代就開始采用水銀整流器和閘流管這樣的靜止交流裝置來代替上述的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。（1） 、采用發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組調(diào)速方法圖 (a)為發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)調(diào)速電路，圖(b)為發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 圖 發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)調(diào)速 如圖 (a)所示，通過改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流 來改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓fI，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 。w這種調(diào)速方式為有級(jí)調(diào)速，調(diào)速比一般約為 2：1 左右，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載條件下很難得到較低的轉(zhuǎn)速，并且效率很低，所以現(xiàn)在幾乎沒有采用此類的調(diào)速方法。此時(shí)的轉(zhuǎn)速特性公式為 （）其中 為電樞回路中的外接電阻（Ω） 。電機(jī)常數(shù) ,如果電機(jī)確定后, 該值是不變的。特別是大規(guī)模隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)的精度、動(dòng)態(tài)性能、可