【正文】 [)( uneneKneKnUDIP ??????第四章 軟件設(shè)計第一節(jié) 算法實現(xiàn)一、PID 算法本系統(tǒng)設(shè)計的核心算法用到了 PID 算法，它是根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行比較從而得出偏差值 ，對偏差值進行 P、I 、D 運算最終利用運算)(ne結(jié)果來控制 PWM 脈沖的占空比，從而實現(xiàn)對加在電機兩端電壓的進行調(diào)節(jié)，進而控制電機轉(zhuǎn)速。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 29第二節(jié) 程序流程 在一個完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應設(shè)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(shè)計出程序流程如圖 所示。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（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)計自動化軟件，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 30 多個元件庫。直流電機調(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，由于焊接時沒有注意導致短路。檢查原理圖與 PCB 圖是否一致。飛線，用別的的口線進行控制，看看能不能對其進行正常操作，多試驗，才能找到問題出現(xiàn)在什么地方。第四節(jié) 系統(tǒng)實物調(diào)試系統(tǒng)實物調(diào)試是對焊好的 PCB 板進行各個功能的檢測，看是否能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，并對其 PID 參數(shù)進行設(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，確實遇到了很多問題，當時焊接電路時就出現(xiàn)了虛焊的錯誤，用萬用表檢測了很久才找出了問題所在，還有個頭痛的就是軟件調(diào)試，這部分是花了我很多時間，因為之前通過軟件流程圖編出來的程序不能運行，經(jīng)過一步一步的修改先可以顯示，后來實現(xiàn)了按鍵的功能，最后通過對算法的編寫也用了很多時間才實現(xiàn)了電機的轉(zhuǎn)速實時控制。程序方面采用了 C 語言進行編程，增強了程序的可移植性和靈活性。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 37結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計的目的是進行單片機的直流電機調(diào)速，本次設(shè)計主要通過PID 算法產(chǎn)生 PWM 脈沖來控制直流電機的轉(zhuǎn)速。圖 系統(tǒng)在 P=，I=，D= 條件下的電機轉(zhuǎn)速 重慶郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 圖 系統(tǒng)在 P=,I=,D= 條件下的電機轉(zhuǎn)速 圖 系統(tǒng)在 P=，I=，D= 條件下的電機轉(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 P=，I=,D= 時 z=,當 P=，I=,D= 時 z=，當 P=，I=,D= 時 z=可以看出當 P=，I=,D= 時 z=直流電機的轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，而且能夠比較近似的反應實際轉(zhuǎn)速。調(diào)試程序時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應。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（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把元器件焊接在做好的 PCB 電路板上進行的，對焊接電路進行不可缺少的檢測。此外，Proteus 還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 30第三節(jié) 本章小結(jié)本章對 PID 算法和速度采集算法的實現(xiàn)進行了簡要的介紹，因為在直流電機調(diào)試當中，一般 PID 算法都比較成熟，因此我們在算法上采用了 PID 算法進行速度的調(diào)節(jié)，通過光電編碼測速器對速度進行采集，通公式換算出電機的實時速度。二、電機速度采集算法本系統(tǒng)中對電機速度采集是一個必不可少的部分，并且它的精度直接影響到整個控制系統(tǒng)的精度。圖 鍵盤模塊鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運行時，1602LCD 將顯示開機界面，若按下設(shè)置鍵 S1 顯示屏進入?yún)?shù)設(shè)置界面，此時按 SSS4 進入相應參數(shù)的設(shè)置的狀態(tài)，輸入相應的數(shù)字即可完成該參數(shù)的設(shè)置，最后按啟動鍵 S5 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)、反轉(zhuǎn)、停止運行的控制。這里使用 LCD1602，它有 16 個引腳，其引腳功能如表 所示。本次設(shè)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 m 個等分凹槽如圖 （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， 接收到一個低電平，反之三極管截止， 接收到一個高電平，電路如圖 （b）所示，從圖中可以得出電機每轉(zhuǎn)一圈在 的輸出端就會產(chǎn)生 N 個低電平。IN2=L 正轉(zhuǎn)IN1=L。IN1IN4 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)，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。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 圖 電源電路由上圖可以看出，電源電路有一個電源指示燈作為上電的標志，并聯(lián)兩個電容進行電源電壓濾波。 圖 單片機最小系統(tǒng)有上圖可以看出單片機最小系統(tǒng)需要復位電路和時鐘電路才能工作。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21通過使能端控制電機啟動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速及減速。STC89C52 單片機是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 可編程 Flash 存儲器，256 字節(jié)RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時器，2 個 16 位定時器/計數(shù)器，全雙工串行口，算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制 [11]。硬件電路的設(shè)計設(shè)計方案主要是通過對設(shè)計目的分析來確定的，畫出了系統(tǒng)框圖，最后選擇了 STC89C52 作為主控制器件，通1602LCD 液晶顯示器對設(shè)置參數(shù)和實時轉(zhuǎn)速進行顯示，通過獨立鍵盤對 PID 參數(shù)和電機工作狀態(tài)進行更改。所以本次設(shè)計采用獨立鍵盤進行人機操作。所以本次設(shè)計采用 LCD1602 液晶顯示器進行此次電機所有數(shù)據(jù)的顯示。四、顯示模塊設(shè)計方案在電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對參數(shù)、工作方式以及電機當前運行狀態(tài)進行顯示，因此在整個系統(tǒng)中必須設(shè)計一個顯示模塊。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 18三、速度采集模塊設(shè)計方案本系統(tǒng)是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)過程中需要將設(shè)定與當前實際轉(zhuǎn)速進行比較，并且將采集的數(shù)據(jù)送入單片機進行處理，速度采集模塊就是為完成這樣功能而設(shè)計的，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，比較適合運用于直流電機調(diào)速系統(tǒng)中來，因此采用對射式光電傳感器。傳統(tǒng)的驅(qū)動電路是用三極管搭建起來的，但由于市場上有專用的電機驅(qū)動芯片，例如 L298N、 L297N 等電機驅(qū)動芯片。 由于 STC89C52 單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(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 存儲器。在運行過程中通過軟件產(chǎn)生PWM 脈沖并送到電機驅(qū)動電路中，控制直流電機轉(zhuǎn)速，同時利用速度檢測模塊將當前轉(zhuǎn)速反饋到控制模塊中，控制器模塊經(jīng)過 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。PWM 直流電動機調(diào)速系統(tǒng)控制算法實現(xiàn)。PWM 控制的一個優(yōu)點從處理器到系統(tǒng)的信號都是以數(shù)字為存在形式的，而無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。負半周期的正弦，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) 和微分時間 ，此時需要增大比例系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) ，并且讓擾動信號作階躍變化，直至得到比較滿意的結(jié)果為止。按經(jīng)驗式為： [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，適合運用 [8]。當然，這是一種近似方法，有時也有點粗糙，但適用于解決一般實際問題。PID 控制器參數(shù)整定方法有很多，但可以歸結(jié)為理論計算和工程的整定兩種方法。P I D位置算法控制器 被控對象r ( t )+e ( t ) uc ( t )P I D增量算法控制器 被控對象r ( t )+e ( t ) uc ( t ) 重慶郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（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，誤動作影響大。由（）可看出，位置型控制算式的運用十分不方便，這是因為需要累加偏差 ,不僅需要占用的存儲單元比較多，而且也十分不便于程序的編寫，)(ie為此需對式（）進行改進。因此，事實上，數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計，是計算機算法設(shè)計。PID 控制算法具有穩(wěn)定和可靠的性能，開發(fā)風險小。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計 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)計可以選擇經(jīng)典的 PID 算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法、前饋控制算法。本次設(shè)計我們采用基于 PID 算法的 PWM 直流電機調(diào)節(jié)來改變電機的轉(zhuǎn)速，可以通過 用 PWM 技術(shù)來改變 的大小從而改變aUaU 重慶郵電大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7轉(zhuǎn)速的大小，即當不同脈沖寬度送入驅(qū)動電路時，驅(qū)動電路給予電機兩端的電壓就不同，從而改變了直流的轉(zhuǎn)速，達到了控制電機轉(zhuǎn)速的目的。然而，獲得的功率會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]。當采用弱磁調(diào)速范圍一般是從 :1~3:1，特殊電機可以達到 5:1。同時，由于馬達轉(zhuǎn)矩 的磁通 與電樞電流 的乘積，電neT?aI樞電流恒定時，減少磁通 ，其轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)矩也會減少。三、采用大功率半導體器件的直流電動機脈寬調(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，無法在實際生產(chǎn)中推廣應用。這是因為，反電動勢易產(chǎn)生間歇性的負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)電機電動機組調(diào)速系統(tǒng)類似的調(diào)速特性。為克服這些缺點，20 世紀 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)變流機組。（1） 、采用發(fā)電機電動機組調(diào)速方法圖 (a)為發(fā)電機電動機調(diào)速電路，圖(b)為發(fā)電機電動機組調(diào)速時的機械特性 圖 發(fā)電機電動機調(diào)速 如圖 (a)所示，通過改變發(fā)電機的勵磁電流 來改變發(fā)電機的輸出電壓fI，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速 。w這種調(diào)速方式為有級調(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） 。電機常數(shù) ,如果電機確定后, 該值是不變的。特別是大規(guī)模隨著集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，直流電動機速度控制系統(tǒng)的精度、動態(tài)性能、可