【正文】 面，若按下設(shè)置鍵顯示屏進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，此時(shí)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(dòng)鍵啟動(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)、停止運(yùn)行的控制。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計(jì)算電機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)速了。圖 電源電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)，只有引入電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)， 該芯片是由四個(gè)大功率晶體管組成的 H 橋電路構(gòu)成，四個(gè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。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(jiǎn)單，但對(duì)能量的損耗大，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)同一般不宜采用。 鍵盤模塊設(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(gè)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(jiǎn)單，并且各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵均有一端接地，另一端接到輸入線上。該方案的實(shí)現(xiàn)原理是將測(cè)速發(fā)電機(jī)固定在直流電機(jī)的軸上，當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)測(cè)速電機(jī)的軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，因此測(cè)速發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生大小隨直流電機(jī)轉(zhuǎn)速大小變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(jì)沒有采用此方案。基于上述理論分析和實(shí)際情況，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用方案二。若采用 89C51 需要做 RAM，ROM 來擴(kuò)展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增多。通過輸入模塊將參數(shù)輸入給 FPGA，F(xiàn)PGA 通過程序設(shè)計(jì)控制PWM 脈沖的占空比，但是由于本次設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間要求不高，F(xiàn)PGA 的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。根據(jù) PWM 控制的基本原理可知，一段時(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的 PWM 脈沖與相等時(shí)間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在短時(shí)間 T 內(nèi)湖南電子電氣網(wǎng) 14U ( t )0tTt 0UU ( t )0tTt 0U2 T2 t 0 3 T3 t 0 4 t 0n T ( n + 1 ) t 0脈沖寬度為 ,幅值為 U，由圖 可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為：0t 圖 PWM 脈沖，若令 ， 即為占空比，則上式可化為： TUt??0Tt0?? (U 為脈沖幅值) U?0（）若 PWM 脈沖為如圖 所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計(jì)算方法與上述相同，即 （ 為矩形脈沖占空比） UTtnt?????00 ?（）圖 周期性 PWM 矩形脈沖由式 可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值 U 和占空比 來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制?占空比 的大小實(shí)現(xiàn)等效直流電壓在 0～U 之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到利用 PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn)：由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好、穩(wěn)速精度高、調(diào)速范圍寬。如果周期性的施加上)(ti述脈沖，則響應(yīng) 也是周期性的。例如圖 中 a、b、c 所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，其中圖 的 a 為矩形脈沖，圖 的 b 為三角脈沖，圖 的 c為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于 1，那么，當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。大慣量如：大烘房的溫度控制，一般 P 可在 10 以上,I 在（10）之間,D 在 1 左右。下面以 PID 調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟：①讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù) =0，實(shí)際微分系數(shù) =0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，IKDK由小到大改變比例系數(shù) ，讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿P意的控制過程為止。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是：①選擇一個(gè)足夠小的采樣周期，具體地說就是選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí)間的十分之一以下。顯然，要同時(shí)滿足上述各項(xiàng)要求是很困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設(shè)計(jì)，實(shí)際上是計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)。 圖 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值 與實(shí)際輸出值 構(gòu)成的)(tr)(tc控制偏差： = － er)(t（）將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為 PID 調(diào)節(jié)器。軟件部分采用 C 語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)為：可移植性強(qiáng)、算法容易實(shí)現(xiàn)、修改及調(diào)試方便、易讀等。被廣泛應(yīng)用于汽車制造、醫(yī)療、鐵道運(yùn)輸、航天航空、鋼鐵生產(chǎn)等領(lǐng)域，并受到各行各業(yè)地重視。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error）。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。s closed loop control to attain the purpose of rotate speed39。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(gè)參數(shù)和正反轉(zhuǎn)控制，啟動(dòng)后可以通過顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間。同時(shí)利用光電傳感器將電機(jī)速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。s rotate ,the design uses photoelectric sensor to transduce the electromotor speed into impulse frequency and feed it back to SCM,this process implements rotate speed39。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。隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)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(guó)內(nèi)外各行業(yè)的高度重視。在積分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。因此在運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)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。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、速度檢測(cè)模塊、人機(jī)交互模塊。 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(duì)象組成。 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。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。（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(duì)象。PKIDT表 擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)控制度 控制規(guī)律 T PID PI K? KT PID K PI 湖南電子電氣網(wǎng) 11（2）經(jīng)驗(yàn)法經(jīng) 驗(yàn)法是靠工作 人員的經(jīng)驗(yàn)及 對(duì)工藝的熟悉 程度，參考測(cè)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(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來；動(dòng)差大來波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)。PID 參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣量來確定的。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。脈沖越窄，各 波形的差異也越小。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。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)。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。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。設(shè)計(jì)者不需要對(duì)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。方案三：采用測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。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。湖南電子電氣網(wǎng) 19 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(duì)于該模塊考慮一下兩種方案。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。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用了比較常見的光電測(cè)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(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，反之三極管截止，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(huì)產(chǎn)生 N 個(gè)低電平。在本系統(tǒng)中，用 ～ 連接鍵盤的列信號(hào) L0～L3；用 ～ 連接鍵盤的行信號(hào) H0～H3 [9]。 湖南電子電氣網(wǎng) 28脈 沖 計(jì) 數(shù) 時(shí)間 ＝ ?速 度 計(jì) 算PID運(yùn) 算顯 示 數(shù) 據(jù) 刷 新定 時(shí) 器 T0賦 初 值RETI各 變 量 重 新 賦 值YN圖 鍵盤程序流程 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。8 行為一頁，DDRAM 共 64 行即 8 頁，DB2DB0 表示 07 頁。 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 5PIC 、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(cè)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。再點(diǎn)菜單Source→Build ALL 編譯匯編源程序，生成目標(biāo)代碼文件 。否則，將原比例系數(shù) 增大一些，再調(diào)整積分系P數(shù) ，力求改善控制過程。并且可以反PKIDK映表 測(cè)試數(shù)據(jù)表次數(shù) 設(shè)定 PK設(shè)定 I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 23 4 100 22％ 114 1 100 5％ 6 3?5 0 100 1％ 126 2 100 6％ 8 %27 2 0 100 2% 15 98 2 100 8％ 5 1?9 2 100 9％ 7 210 2 100 8％ 611 2 0 100 6% 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)： 值的選取決定于系統(tǒng)的響應(yīng)速度。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(cè)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(duì)PCB 板進(jìn)行繪制。 count=0。 pwm1=0。Disp_Chinese(0,16,pian)。Disp_Chinese(0,16,zi)。Disp_Chinese(3,16,dian)。Disp_Chinese(3,16,xi)。Disp_Chinese(6,16,jia)。 ) //等待設(shè)置鍵按下 { if(flag0==1) break。 right()。湖南電子電氣網(wǎng) 38 left()。 right()。 right()。 left()。 right()。 left()。 flag1=0。Disp_Digit(2,52,s[0])。 Delay12864(2500)。 Delay12864(100