【正文】 湖北科技學院本科畢業(yè)論文：傳輸設備速度控制器的設計 第 10 頁 共 43 頁 圖 26 增量式 PID 框圖 湖北科技學院本科畢業(yè)論文：傳輸設備速度控制器的設計 第 11 頁 共 43 頁 3 系統(tǒng)總體設計方案 調(diào)速系統(tǒng)的硬件原理方框圖如圖 31 所示，本系統(tǒng)由 6 個部分組成，單片機系統(tǒng)是核心，其外圍電路有五個部分：輸入電路，電源，驅(qū)動電路，顯示電路，測速 電路。由式（ 27）可以得到（ k1）次的 PID 輸出表達式： 101( 1 ) { ( 1 ) ( ) [ ( 1 ) ( 2 ) ] }k DP iI TTu k K e k e i e k e k uTT??? ? ? ? ? ? ? ? ?? （ 211） 由式（ 27）與式（ 211）可得 ( ) ( ) ( 1)u k u k u k? ? ? ? [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ]P I DK e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 212） 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結(jié)為理論計算法和工程整定法兩種。 數(shù)字 PID 算法 模擬 PID 控制器的基本算式為： 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tpDId e tu t K e t e t d t TT d t? ? ?? （ 23） 式中， pK 為比例系數(shù)， IT 為積分時間常數(shù)， DT 為微分時間常數(shù)。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。 如圖 22 所示，在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱 PWM 變換器。 圖 24 直流斬波器原理電路及輸出電壓波型 （ a）原理圖 （ b）電壓波型 采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關狀態(tài)。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。但是只能進行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；還會在調(diào)速電阻上消耗大量電能。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。 圖 21直流電機的物理模型圖 直流電動機的工作原理如圖 22 所示。 本文介紹了直流電機的工作原理和數(shù)學模型、脈寬調(diào)制（ PWM）控制原理，根據(jù)模型，利用 PROTEUS 軟件對各個子電路及整體電路進行了仿真，確保設計的電路能夠滿足性能指標要求，并給出了仿真結(jié)果。隨著單片機技術的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。創(chuàng)造了許多新的電樞電壓控制方法。利用單片機對直流電機進行直接的控制具有準確的自動調(diào)節(jié)作用。 Speed regulation。 畢 業(yè) 設 計（論文） 論文題目： 傳輸設備速度控制器的設計 學生姓名： ****** 學 號： ********* 專 業(yè)： *************** 方 向： *********** 指導教師： ****** 20**年 **月 **日 摘 要 轉(zhuǎn)速是直流電機運行中的一個重要物理量，如何準確、快速測量出電機轉(zhuǎn)速，并且實現(xiàn)對電機的調(diào)速在實際工作中具有非常大的使用價值。 關鍵詞 ： 直流電機；調(diào)速；單片機；霍爾傳感器； PWM； PID ABSTRACT Speed is an important physical quantity in the running DC motor, how to accurately and quickly measure the motor speed has a very large value in use in practical work on the motor speed control. DC motor has a good startup performance and speed characteristics, it is characterized by starting torque, maximum torque, in a wide range of smooth, economical speed, speed, easy control, speed control after the high efficiency. This design of DC motor speed control system, mainly by the microcontroller 51, power supply, driver circuits, LED liquid crystal display, the Hall veloc ity and independent key ponent circuits of electronic products. Power supply with 78 series chip +5 V, +15 V for motor speed control using PWM wave mode, PWM is a pulse width modulation, duty cycle by changing the MCU 51. Achieved through 3independent buttons start and stop the motor, speed control, turning the manual control, LED realizes the measurement data (speed) of the display. Motor speed using Hall sensor output square wave, by 51 seconds to 1 microcontroller square wave pulses are counted to calculate the speed of the motor to achieve a DC motor feedback control. KEY WORDS: Dc motor。隨著科技的發(fā)展， PWM 調(diào)速成為電機 調(diào)速的新方式，并憑借它的開關頻率高、低速運行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點，在電機調(diào)速中被普遍運用。隨著電力電子技術的發(fā)展。早期直流電 動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難，阻礙了直流電動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。本文就是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機速度的控制。在換向片上放置 著一對固定不動的電刷 B1 和 B2，當電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向器和電刷與外電路接通。 由公式（ 21）可知，直流電動機的調(diào)速方法有三種： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。在電動機電樞回路外串電阻進行調(diào)速的方法，設備簡單，操作方便。 （ 3）直流斬波器 （ 脈寬調(diào)制變換器 ） 。 VM 系統(tǒng)的缺點是晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。如此反復，得電樞端電壓波形如圖 （ b）所示。 （ 3）由 于電力電子器件只工作在開關狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。因此， PWM 又被稱為“開關驅(qū)動裝置”。 PWM 的一個優(yōu)點是從 AT89S52 到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。由于本文只用到數(shù)字 PID，所以只介紹數(shù)字 PID 算法。 增量式算法是位置算法的一種改進。經(jīng)驗法是靠工作人員的經(jīng)驗及對工藝的熟悉程度，參考測量值跟蹤與設定值曲線，來調(diào)整 P、 I、 D 三者參數(shù)的大小的 。它和 AT89S2 一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低 ,使用簡單等特點，但是它的頻率較低、運算速度慢， RAM、ROM 空間小 等缺點。設計者不需要對硬件電路設計考慮很多，可將重點放在算法實現(xiàn)和軟件設計中，大大的提高了工作效率。 方案三 ：采用測速發(fā)電機對直流電機轉(zhuǎn)速進行測量。 方案三：采用 12864 LCD 液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動方法和硬件連接電路較上面兩種方案復雜，顯示屏幕大、可對漢字和字符進行顯示。 根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設計的系統(tǒng)硬件連接不是很復雜，對軟件的運 行速度要求不高，所以采用方案二獨立式鍵盤進行設計。正轉(zhuǎn)時最高位顯示“三” ，其它三位為電機轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時最高位顯示“ F”，其它三位為電機轉(zhuǎn)速。其電路如圖 53 所示，利用兩個光電耦合器將單片機的 I/O 與驅(qū)動電路進行隔離，保證電路安全可靠。 本文采用市場上應用較多的霍爾開關傳感器 3010T ，它采用三端平塑封裝，具有工作電壓范圍寬、外圍電路簡單、輸出電平與各種數(shù)字電路兼容、可靠性高等優(yōu)點。 通過設置讓定時器 T0 每 50ms 產(chǎn)生一次中斷，滿 20 次即為 1s ，此時統(tǒng)計計數(shù)器 T1的計數(shù)值，就可以算出電動機轉(zhuǎn)速： V==(TH1*256+TL1) (r/min)。 LED 的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一 個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。其中 7 段發(fā)光二極管構(gòu)成 7 筆的字形 “8”,1 根發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點。 湖北科技學院本科畢業(yè)論文：傳輸設備速度控制器的設計 第 23 頁 共 43 頁 圖 52 程序流程 圖 先通過鍵盤設定期望速度，再通過 PID 算法對 PWM 輸出的占空比進行調(diào)整，當達到設定速度時，保持占空比的輸出。 ISIS 直譯為智 能原理圖輸入系統(tǒng)。 湖北科技學院本科畢業(yè)論文：傳輸設備速度控制器的設計 第 28 頁 共 43 頁 圖 63 Proteus 元器件選取界面 本設計所需選用的元器件如下： ① AT89S52:單片機（ Proteus 元件 庫里無 AT89S52，可以用 AT89C52 替代） ② RES、 RX RESPACK8:電阻、排阻、上拉電阻 ③ CRYSTAL:晶振 ④ CAP、 CAPELEC:電容、電解電容 ⑤ 780 7812:5V、 12V 三端穩(wěn)壓塊 ⑥ IN4007：二極管 ⑦ 7SEGMPX4CA： LED 液晶顯示器 ⑧ IPULSE：脈沖信號檢測器 ⑨ BUTTON：按鍵 ⑩ MOTORENCODER：直流電機 放置元器件、放置電源和地、連線，得到附錄Ⅱ所示的系統(tǒng)整體電路，最后進行電氣檢測。倘若此時按方向按鈕，電機逆時針轉(zhuǎn)動，如圖 67 所示，此時， Q6 一端固定為低電平， Q5 一端為變化的 PWM 信號，控制電機轉(zhuǎn)速。 展望 通過本次畢業(yè)設計，使我學到了許多書本上無法學到的知識 ,也使我深刻體會到單片機技術應用領域的廣泛。 首先，我要特別感謝 ***老師對我的悉心指 導，在畢業(yè)設計期間 *老師指導我、幫助我收集文獻資料，理清設計思路，完善操作方法，并對我所做的設計提出有效的改進方案。另外 ， 此電路中 LED 可以換成 LCD 以便可以用鍵盤實現(xiàn)更多功能。 圖 610 加速后 波形（ COT1=10） 湖北科技學院本科畢業(yè)論文：傳輸設備速度控制器的設計 第 33 頁 共 43 頁