【正文】 ce the electromotor speed into impulse frequency and feed it back to SCM,this process implements rotate speed39。我們已進(jìn)入高速發(fā)展的信息時(shí)代，控制技術(shù)成為當(dāng)今科技的主流之一，廣泛深入到研究和應(yīng)用工程等各個(gè)領(lǐng)域。不同的控制系統(tǒng) 、 傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。 受益于數(shù)十年來 全球 經(jīng)濟(jì)高速成長所獲得的 PID 控制 成果 ,在中國市場， 一大批機(jī)器設(shè)備制造商正處于蓬勃發(fā)展階段，除滿足本土市場龐大的機(jī)器 設(shè)備需求外，走向國際市場，參與國際競爭也成為現(xiàn)實(shí)需求 。隨著科技的進(jìn)步，人們對生活舒適性的追求將越來越高， PID 控制技術(shù)作為一項(xiàng)具有發(fā)展前景和影響力的新技術(shù)，正越來越受到國內(nèi)外各行業(yè)的高度重視。 PID 控制器就是根據(jù) 偏差的 比例、積分、微分進(jìn)行控制的。在積分控制中，控制器的輸出與輸入 偏差 信號的積分成正比關(guān)系。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差 進(jìn)一步減小，直到等于零。因此在 運(yùn)動控制系統(tǒng)中 PID 控制技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，是機(jī)器人等高技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)，它可以對運(yùn)動部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制管理，使其符合相應(yīng)的控制要求。 本次設(shè)計(jì)主要研究的是 PID 控制技術(shù)在運(yùn)動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，縱所周知運(yùn)動控制系統(tǒng)最主要的控制對象是電機(jī)，在不同的生產(chǎn)過程中，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)要滿足生產(chǎn)要求 ，其中電機(jī)速度的控制在占有至關(guān)重要的作用，因此本次設(shè)計(jì)主要是利用 PID控制技術(shù)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機(jī)驅(qū)動 模塊、控制模塊、速度檢測模塊、人機(jī)交互模塊。目前提出的控制算法有很多。 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 所示， 系統(tǒng)由模擬 PID 調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制對象組成。 模擬 PID 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 ])()(1)([)(0 dttdeTdtteTteKtu DtIp??? ? （ ） 式中， PK 為比例系數(shù)， IT 為積分 時(shí)間常數(shù)， DT 為微分時(shí)間常數(shù)。 數(shù)字 PID 在 DDC 系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)取代了模擬器件，控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是由計(jì)算機(jī)軟件來完成的。因此 ,式 （ ） 又稱為位置型 PID 算式。一般來說，要求被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準(zhǔn)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(yīng)能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā) 生變化時(shí)控制應(yīng)保持穩(wěn)定。因此，實(shí)際用得較多的還是工程整定法。 （ 1） 擴(kuò)充臨界比例度法 這種方法適用于有自平衡特性的被控對象。 控制效果的評價(jià)函數(shù)通常用誤差平方面積 ??0 2 )(te表示。 表 擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù) （ 2） 經(jīng)驗(yàn)法 經(jīng)驗(yàn)法是 靠 工作人員的 經(jīng)驗(yàn)及 對 工藝的熟悉 程度 ，參考測量值跟蹤與設(shè)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(jìn)行： 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(fù)慢，積分時(shí)間往下降 ； 曲線波動周期長，積分時(shí)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(shí)間應(yīng)加長 。否則，將原比例系數(shù) PK 增大一些，再調(diào)整積分系數(shù) IK ，力求改善控制過程。 PID 參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。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。圖中 )(te 為窄脈沖，其形狀和面積分別如圖 的 a、 b、 c、 d 所示，為電路的輸入 。脈沖越窄，各 )(ti 波形的差異也越小。 直流電動機(jī)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。 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 。 隨著科學(xué)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 。 下面主要介紹 直流 電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng) 的算法實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)行過程中控制器產(chǎn)生 PWM 脈沖送到電機(jī)驅(qū)動電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)利用速度檢測模塊將 當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過數(shù)字 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。 FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。相對于FPGA 來說，它的芯片引腳少，在硬件很容易實(shí)現(xiàn)。本題目在 確定圓周坐標(biāo)值時(shí) ?，需要進(jìn)行大量的運(yùn)算 。 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)的主要目的是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)驅(qū)動模塊是必不可少，其方案有一下兩種。設(shè)計(jì)者不需要對硬件電路設(shè)計(jì)考慮很多，可將重點(diǎn)放在算法實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)中，大大的提高了工作效率。當(dāng)磁鐵正對金屬板時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?[5]，因此可以在電機(jī)上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行電機(jī)速度的檢測。 方案三：采用測速發(fā)電機(jī)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。 數(shù)碼管具有 亮度高、工作電壓低、功耗小、易于集成、驅(qū)動簡單、耐沖擊且性能穩(wěn)定 等特點(diǎn) ， 并且它可 采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，編程容易，硬件電路調(diào)試簡單。 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。 方案二：采用行列式鍵盤，這種鍵盤的特點(diǎn)是行線、列線分別接輸入線、輸出線。 電源模塊設(shè)計(jì)方案 電源是任何系統(tǒng)能否運(yùn)行的能量來源，無論那種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或缺的，對于該模塊考慮一下兩種方案。 經(jīng)過上述的分析 與 論證，系統(tǒng)各模塊采用的方案如下： （ 1） 控制模塊 ： 采用 AT89S51 單片機(jī)； （ 2） 電機(jī)驅(qū)動模塊：采用 直流 電機(jī) 驅(qū)動芯片 L298N 實(shí)現(xiàn)； （ 3） 速度采集 模塊：采用 光電 傳感器； （ 4） 顯示 模塊： 采用 1286 4LCD 液晶顯示模塊 ； （ 5） 鍵盤 模塊： 采用 標(biāo)準(zhǔn)的 44 矩陣式鍵盤 ； （ 6） 電源模塊： 采用 780 7812 芯片實(shí)現(xiàn) 。在本系統(tǒng)中直流電機(jī)需要 12V 電源，而單片機(jī)、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 ，能夠滿足系統(tǒng)的要求，其電路如圖 所示。 IN1IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號，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 信號實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。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 N 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，反之三極管湖南電子電 氣網(wǎng) 21 VSSVDDVORSR/WEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CS1CS2/RSTVEEAK1234567891011121314151617181920截止，電路如圖 （ b） 所示，從圖中可 以得出電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈在 的輸出端就會產(chǎn)生 N 個(gè)低電平。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要顯示的數(shù)據(jù)比較多，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(diǎn)陣液晶顯示器 ,主要由行驅(qū)動器 /列驅(qū)動器及 12864 全點(diǎn)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(gè)引腳 [8]，其引腳名稱及引腳編號的對應(yīng)關(guān)系如圖 ，引腳功能如表 所示。在本系統(tǒng)中，用 ～ 連接鍵盤的列信號 L0～ L3；用 ～ 連接鍵盤的行信號 H0～ H3[9]。 電機(jī)速度采集算法 本系統(tǒng)中電機(jī)速度采集是一個(gè)非常重要的部分，它的精度直接影響到整個(gè)控制的精度。 湖南電子電 氣網(wǎng) 26 延時(shí)去抖動P 1 口低四位置 1讀 P 1 口低四位數(shù)據(jù)到 KEYLKEYL 、 KEYH相與為 KEYP 1 口高四位置 1讀 P 1 口高四位數(shù)據(jù)到 KEYHKEY = 0 XEE ?KEY = 0 XEB ?KEY = 0 XED ?KEY = 0 XE 7 ?KEY = 0 XDE ?KEY = 0 XDD ?KEY = 0 XDB ?KEY = 0 XD 7 ?KEY = 0 XBD ?KEY = 0 XBE ?KEY = 0 XBB ?KEY = 0 XB 7 ?KEY = 0 X 7 E ?KEY = 0 X 7 D ?KEY = 0 X 7 B ?KEY = 0 X 77 ?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(shè)置功能鍵RETIYNNNNNNNNNNNNNNNNYYYYYYYYYYYYYYY 圖 鍵盤程序流程 湖南電子電 氣網(wǎng) 27 脈沖計(jì)數(shù)時(shí)間 ＝ 0 . 5 s ?速度計(jì)算PID 運(yùn)算顯示數(shù)據(jù)刷新定時(shí)器 T 0 賦初值RETI各變量重新賦值YN 定時(shí)程序流程 在本系統(tǒng)中定時(shí)器 T0 中斷子程序是用來控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)間和進(jìn)行速度計(jì)算和PID 運(yùn)算，其程序流程如圖 所示。若不為“ 0”，則計(jì)算機(jī)需要等待，直至 BUSY =0為止。 8 行為一頁， DDRAM 共 64 行即 8 頁，DB2DB0 表示 07 頁。操作完成后列地址計(jì)數(shù)器自動加一。 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(jìn)行多種 CPU的仿真，涵蓋了 5 PIC、 AVR、 HC1 ARM 等處理器，真正實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)從原理設(shè)計(jì)、電路分析、系統(tǒng)仿真、測試到 PCB 板完整的電子設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從 概念到產(chǎn)品的全過程。 i = 0i = i + 1RETIYNNY初始化循環(huán)次數(shù)j ＝ 2 ?寫入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù) i ＝ 8 ？設(shè)置顯示起始頁 、 起始列調(diào)用寫入數(shù)據(jù)子程序j = j + 1 。再點(diǎn)菜單Source→ Build ALL 編譯匯編源程序 ，生成目標(biāo)代碼文件 。 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(yàn)法進(jìn)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(fù)慢，積分時(shí)間往下降 ； 曲線波動周期長，積分時(shí)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(shí)間應(yīng)加長 。否則，將原比例系數(shù) PK 增大一些，再調(diào)整積分系數(shù) IK ，力求改善控制過程。 PID 參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。并且可以反映 表 測試數(shù)據(jù)表 次數(shù) 設(shè)定 PK 設(shè)定 IK 設(shè)定 DK 設(shè)定（ r/min） 超調(diào)量 調(diào)節(jié)時(shí)間（ s） 誤差 1 2 100 8％ 4 %1? 2 3 100 15％ 5 %2? 3 4 100 22％ 11 %5? 4 1 100 5％ 6 %3? 5 0 100 1％ 12 %6? 6 2 100 6％ 8 %2? 7 2 0 100 2% 15 %9? 8 2 100 8％ 5 %1? 9 2 100 9％ 7 %2? 10 2 100 8％ 6 %1? 11 2 0 100 6% 5 %5? 12 2 100 7% 5 %1? 13 2 100 6% 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)： PK 值的選取決定于系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 湖南電子電 氣網(wǎng) 33 結(jié)論 本課題的目的在于利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn) PID 算法產(chǎn)生 PWM 脈沖來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 歸納起來主要做了如下幾方面的工作： PID算法與 PWM控制技術(shù)有機(jī)的結(jié)合； 設(shè)計(jì)了速度檢測電路； 利用 C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并通過仿真（部分源程序見附錄 Ⅱ ）； 利用 Protel99se對 PCB板 進(jìn)行繪制