【正文】 流電機(jī)轉(zhuǎn)動時，帶動測速電機(jī)的軸一起轉(zhuǎn)動，因此測速發(fā)電機(jī)會產(chǎn)生大小隨直流電機(jī)轉(zhuǎn)速大小變化的感應(yīng)電動勢，因此精度比較高，但由于該方案的安裝比較復(fù)雜、成本也比較高，在本次設(shè)計沒有采用此方案。 鍵盤模塊設(shè)計方案 在 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中 ，系統(tǒng)需要按鍵 進(jìn)行參數(shù)的 輸入 、工作方式的 設(shè)定 以及電機(jī)起停的控制，因此鍵盤在整個系統(tǒng)中是不可缺少的一部分， 考慮有 二 種方案： 方案一：采用獨(dú)立式鍵盤，這種鍵盤硬件連接和軟件實(shí)現(xiàn)簡單，并且各按鍵相互獨(dú)立，每個按鍵均有一 端接地，另一端接到輸入線上。 方案一：通過電阻分壓的形式將整流后的電壓分別降為控制芯片和電機(jī)運(yùn)行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡單，但對能量的損耗大，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)同一般不宜采用。 圖 電源電路 P 0 . 0 ～ P 0 . 7128 64 L CD顯示模塊P 2 . 7P 2 . 6電機(jī)驅(qū)動模塊P 2 . 0 ～ P 0 . 554 4 鍵盤P 1 . 0 ～ P 1 . 3P 1 . 4 ～ P 1 . 744L 0 ～ L 3H 0 ～ H 3P 3 . 2 / I NT 0AT 89 S 51P 3 . 3 / I NT 1電 機(jī)轉(zhuǎn)速檢測四輸入與門湖南電子電 氣網(wǎng) 20 A1A2S E N 111 Y 121 Y 23Vs41 A 151 E N61 A 27G N D8V c c92 A 1102 A 2122 E N112 Y 1132 Y 214S E N 215U5L 29 8ND4D3D1D2C 102 0μ FC92 0μ F+ 5V+ 12 V+ 12 VR14 70R25KR45KR34 70R54 70M G 1P P P 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計 驅(qū)動模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機(jī)的 I/O 口不能直接驅(qū)動電機(jī)，只有引入電機(jī)驅(qū)動模塊才能保證電機(jī)按照控制要求運(yùn)行，在這里選用L298N電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)， 該芯片是 由四個大功率晶體管組成 的 H橋電路構(gòu)成，四個晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過 調(diào)整輸入脈沖的占空比 ，調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速 。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計算電機(jī)此時轉(zhuǎn)速了。按照要求設(shè)計操作面板如圖 所示： 圖 鍵盤模塊 鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運(yùn)行時， 1286 4LCD 將顯示開機(jī)界面，若按下設(shè)置鍵顯示屏進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，此時按 4 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，待所有量設(shè)置完成后按正 /反控制鍵設(shè)置正反轉(zhuǎn)，最后按啟動鍵啟動系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中可按下相應(yīng)鍵對電機(jī)進(jìn)行暫停、繼續(xù)、停止運(yùn)行的控制。 圖 定時程序流程 顯示程序流程 顯示模塊是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的重要部分，在這里選用 1286 4LCD 顯示器可實(shí)現(xiàn)對漢字和字符的顯示，該顯示器的引腳功能在上面已經(jīng)做了說明，下面介紹1286 4LCD 的相關(guān)指令。 （ 5） 列地址設(shè)置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 1 Yaddress（ 0~63） 列地址是 DDRAM 的列地址。以下為本系統(tǒng)在 Protues 中的仿真流程： （ 1） 新建文件：打開 Protues 點(diǎn) File，在彈出的下拉菜單中選擇 New Design，在彈出的圖幅選擇對話框中選 Default。 （ 5） 程序加載 圖 程序添加界面 在編輯環(huán)境左擊單片機(jī)然后右擊，在彈出的對話框中將編譯生成的 HEX 文件加載到芯片中，設(shè)單片機(jī)的時鐘工作頻率為 12MHZ。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù) PK 和積分系數(shù) IK 為止。增大 PK 能提高響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差；但是， PK 值過大會產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定減小 PK 可以減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性，但 PK 過小會減慢響應(yīng)速度，延長調(diào)節(jié)時間； （ 2） 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。根據(jù)上面 論述結(jié)合測試數(shù)據(jù)可以看出本次設(shè)計基本完成了設(shè)計任務(wù)和要求。軟件方面利用 C 語言進(jìn)行編程，增強(qiáng)了程序的可移植性和靈活性，并且利用 Proteus 軟件進(jìn)行仿真更加保證了程序的準(zhǔn)確性。 湖南電子電 氣網(wǎng) 32 根據(jù)上訴方法，通過軟件仿真系統(tǒng)得出數(shù)據(jù)如表 所示，通過 觀察得出該系統(tǒng)比較合適的 P、 I、 D 三者的參數(shù)值為 : PK =2, IK =, DK =。 ③ 積分系數(shù) IK 保持不變，改變比例系數(shù) PK ，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。 （ 4） 程序編譯 點(diǎn)菜單 Source→ Add/Remove sou rce Files” 在出現(xiàn)的對話框如圖 中，選擇 ASEM51 編輯器，將上面的匯編源程序 添加。 圖 顯示程序流程 系統(tǒng) Proteus 仿真 Proteus 軟件簡介 Proteus 是英國 Labcenter electronics 公司研發(fā)的 EDA 設(shè)計軟件， 是一個基于 ProSPICE 混合模型仿真器的，完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計仿真平臺。 （ 4） 頁面地址設(shè)置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 0 1 1 1 Page（ 0~7） 頁面地址是 DDRAM 的行地址。 圖 主程序流程 鍵盤程序程序流程 鍵盤中斷程序是用來設(shè)在系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)和控制系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)，其程序流程圖如圖 所示。圖中 L0～ L3 為 44 鍵盤的列信號， H0～ H3 為 44 鍵盤的行信號。 圖 電機(jī)驅(qū)動電路 電機(jī)速度采集電路設(shè)計 在本系統(tǒng)中由于要將電機(jī)本次采樣的速度與上次采樣的速度進(jìn)行比較，通過偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算，因此速度采集電路是整個系統(tǒng)不可缺少的部分。 圖 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖 電源電路設(shè)計 電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運(yùn)行。 根據(jù)上面兩種方案的論 述，由于本次設(shè)計的系統(tǒng)硬件連接比較復(fù)雜，對軟件的運(yùn)行速度要求不高，所以采用方案二矩陣式鍵盤進(jìn)行設(shè)計。 方案三：采用 1286 4LCD 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(fù)雜，顯示屏幕大、可對漢字和字符進(jìn)行顯示。通過脈沖計數(shù)，對速度進(jìn)行測量。 方案二：采用 專用的電機(jī)驅(qū)動芯片，例如 L298N、 L297N 等電機(jī)驅(qū)動芯片，由于它內(nèi)部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們在應(yīng)用時只需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計簡單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好。 它和 AT89S51一樣都 具有 軟件編程靈活、體積小、成本低 ,使用簡單等特點(diǎn) ， 但 是它的頻率較低、運(yùn)算速度 慢 ， RAM、 ROM 空間小等缺點(diǎn)。 方案一：采用 FPGA（現(xiàn)場可編輯門列陣） 作為系統(tǒng)的控制器， FPGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能 [3]，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高 了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用 EDA 軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能控制。 采用微機(jī)控制后 ， 整個調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化 ，并且 結(jié)構(gòu)簡單 、 可靠性高 、 操作維護(hù)方便 ,電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平 ， 靜動態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。 所以在直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速為主。從波形可以看出，在 )(ti 的上升段，脈沖形狀不同時 )(ti 的形狀也略有不同，但其下降段幾乎完全相同。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過程滿意為止。 ④ 根據(jù)選定的控制度，查表 求得 T、 PK 、 IT 、 DT 的值 [1]。下面介紹兩種常用的簡易工程整定法。 數(shù)字 PID 位置型示意圖和數(shù)字 PID 增量型示意圖分別如圖 和 所示： 圖 數(shù)字 PID 位置型控制示意圖 湖南電子電 氣網(wǎng) 9 P I D增 量 算 法控 制 器 被 控 對 象r ( t )+e ( t ) uc ( t ) 圖 數(shù)字 PID 增量型控制示意圖 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法 如何選擇控制算法的參數(shù)，要根據(jù)具體過程的要求來考慮。 由式 可得，模擬 PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 )11()( )()( STSTKSE SUSD DIP ???? （ ） 由于本設(shè)計主要采用數(shù)字 PID 算法，所以對于模擬 PID 只做此簡要介紹。下面分別介紹模擬 PID、數(shù)字 PID 及其參數(shù)整定方法。在系統(tǒng)中采 12864LCD 顯示器作為顯示部件，通過 44鍵盤設(shè)置 P、 I、 D、 V 四個參數(shù)和正反轉(zhuǎn)控制，啟動后通過顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時間。 能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error） 。 在國外，尤其在運(yùn)動控制及過程控制方面 PID 控制技術(shù)的應(yīng)用更是越來越廣泛和深入?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu) 、 加到被 控系統(tǒng)上 ； 控制系統(tǒng)的被控量 、 經(jīng)過傳感器 、 變送器 、 通過輸入接口送到控制器。s control tasks and consists of many advantages like flexible control arithmetics and high reliability,it is widely used now. This design is based on the digital PID mentioned above as basic control arithmetic and AT89S51 SCM as control core,the system produces PWM impulse whose duty ratio is controlled by digital PID arithmetic to make sure the running of direct current machine39。 本設(shè)計以上面提到的數(shù)字 PID 為基本控制算法，以 AT89S51 單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生占空比受數(shù)字 PID 算法控制的 PWM 脈沖實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。該系統(tǒng)控制精度高，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。s astatic this system, the 12864LCD is used as display unit , the 44 keyboard sets those four parameters P、 I、 D、 V and obverse and reverse control,after starting up,the display unit shows the electromotor39。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象 ， 或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。為了消除穩(wěn)態(tài)湖南電子電 氣網(wǎng) 4 誤差，在控制器中必須引入 “積分項(xiàng) ”。其中電機(jī)速度的控制在運(yùn)動控制理論中占有至關(guān)重要的作用，本設(shè)計主要應(yīng)用數(shù)字 PID 算法，利用 PWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。 本次設(shè)計系統(tǒng)的主要特點(diǎn)： （ 1） 優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動控制，誤差補(bǔ)償； （ 2） 使用光電傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為脈沖頻率，比較精確的反映出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而與設(shè)定值進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差，實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分的控制，達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的； 湖南電子電 氣網(wǎng) 5 （ 3） 使用光電耦合器將主電路和控制電路利用光隔開，使系統(tǒng)更加安全可靠； （ 4） 128 64LCD 顯示模塊提供一個人機(jī)對話界面，并實(shí)時顯示 電機(jī)運(yùn)行速度和運(yùn)行時間； （ 5） 利用 Proteus 軟件進(jìn)行系統(tǒng)整體仿真，從而進(jìn)一步驗(yàn)證電路和程序的正確性，避免不必要的損失； （ 6） 采用數(shù)字 PID 算法，利用軟件實(shí)現(xiàn)控制，具有更改靈活，節(jié)