【正文】 ........................... 4 直流電動機的基本工作原理 .......................................... 5 直流電動機的機械特性 ................................................. 5 本章小結(jié) ............................................................................... 9 第二章 直流電動機 PID 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案 .......................... 10 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 ............................................................. 10 調(diào)速方案選擇 .............................................................. 10 檢測方案選擇 .............................................................. 12 單片機的選擇 .............................................................. 17 PID 調(diào)節(jié)器 ................................................................... 22 PID 控制器的原理 ............................................................... 26 各環(huán)節(jié)作用 ......................................................................... 27 比例環(huán)節(jié)的作用 ........................................................... 27 積分環(huán)節(jié)的作用 .......................................................... 28 微分環(huán)節(jié)的作用 .......................................................... 30 本章小結(jié) ............................................................................. 31 第三章 直流電動機 PID 系統(tǒng)硬件設(shè)計 ................................. 32 H 橋驅(qū)動電路設(shè)計方案 ...................................................... 32 調(diào)速設(shè)計方案 ..................................................................... 33 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 ............................................................. 34 電源電路 ....................................................................... 34 橋驅(qū)動電路 ................................................................ 35 基于霍爾傳感器的測速模塊 ........................................ 35 基于單片機的直流電機 PID 調(diào)速系統(tǒng)整體硬件設(shè)計 ...... 36 本章小結(jié) ............................................................................. 37 第四章 直流電動機 PID 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ................................. 38 如何應(yīng)用 PID 控制電動機 轉(zhuǎn)速 .......................................... 38 直流電機動態(tài)數(shù)學(xué)模型 ............................................... 38 增量式 PID 控制算法 .................................................. 39 調(diào)速系統(tǒng)主程序原理框圖 ................................................. 45 中斷服務(wù)程序原理框圖 ..................................................... 46 本章小結(jié) ............................................................................. 47 結(jié)束語 .......................................................................................... 48 參考文獻 ...................................................................................... 49 致 謝 .......................................................................................... 51 附 錄 .......................................................................................... 51 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 引 言 本文主要研究了利用 8051 系列單片機，通過 PWM 方式控制直流電機調(diào)速的方法。 PWM 控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點。電動機的另一個發(fā)展者美國的達(dá)文波特，在幾乎相同的時間里，也成功的制造了電動的印刷機，只可惜這個型號的印刷機成本太大，幾乎沒有商業(yè)價值。雖然直流發(fā)電機和直流電動機的用途各不同，但是它們的結(jié)構(gòu)基本上一樣，都是利用電和磁的相互作用來實現(xiàn)機械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。我們在這一章里討論直流電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，就是討論直流電機中的 “ 磁 ” 和 “ 電 ” 如何相互作用，相互制約，以及體現(xiàn)兩者之間相互關(guān)系的物理量和現(xiàn)象（電樞電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩、電磁功率、電樞反應(yīng)等）。采用直流勵磁時 ,勵磁回路中只有電阻引起的電壓降 ,所需勵磁電壓較低 ,勵磁電源的容量較小。 自勵 直流電動機 利用電機自身所發(fā)電功率的一部分供應(yīng)本身的勵磁需要。圖 2 為其起勵過程。 定子包括：主磁極，機座，換向極，電刷裝置等。它與轉(zhuǎn)動的交換器作滑動連接，將外加的直流電流引入電樞繞組中，使其轉(zhuǎn)化為交流電流。它是由楔形銅片疊成，片間用云母墊片絕緣。這時導(dǎo)體 cd 受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?，?dǎo)體 ab 受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時針方向。 并勵電動機的勵磁繞組與電樞并聯(lián)，其電壓與電流間的關(guān)系為 ： U=E+RaIa 即： Ia= aREU?（ Ra 為電樞電壓） ff IUI ? I=Ia+If≈Ia 當(dāng)電源電壓 U 和勵磁電路的電阻 Rf保持不變時，勵磁電流 If 以及由它所產(chǎn)生的磁通 Φ 也保持不變，即 Φ= 常數(shù)。這時起動電樞中的起動電流的初始值為： staast RRUI ?? 則起動電阻為： Δn TN T nN n0 n 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 RaRaURst ?? 一般： Iast=（ ～ ） IN 起動時，可將起動電阻 Rst 放在最大值處，待起動后，隨著電動機轉(zhuǎn)速的上升，再把它逐段切除。 本章小結(jié) 本章節(jié)主要介紹了 直流電機的主要結(jié)構(gòu)和相關(guān)原理，并詳細(xì)介紹了直流電機的勵磁構(gòu)造等，通過以上的了解對我們以下的工作起了鋪墊作用。如圖 13， VT 是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 cU 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓 dU ，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。檢測信號分為電量和非電量兩類。 圖 24霍爾元件 接線圖： 圖 25霍爾原件接線圖 霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路，其外形較小，如圖所示，是其中一種型號江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 的外形圖。 ? 開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，這個磁場是被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電學(xué)量來進行檢測和控制。 圖 210壓力傳感器 開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報警器、自 動控制電路等。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。對 P3 口寫入“ 1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸出端口。即使不訪問外部存儲器， ALE仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。 EA/VPP：外部訪問允許。用戶應(yīng)在訪問相應(yīng)的數(shù)據(jù)指針寄存器前初始化 DPS 位。 （ WDT）： 打開 WDT 需按次序?qū)?01EH 和 0E1H 到 WDTRST 寄存器（ SFR 的地址為 0A6H），當(dāng) WDT 打開后，需在一定得時候?qū)?01EH 和 0E1H 到 WDTRST 寄存器以避免 WDT 計數(shù)溢出。有兩種方法可退出掉電模式：硬件復(fù)位或通過激活外部中斷。 當(dāng)位 WDIDLE 被置位，在空閑模式中 WDT 將停止計數(shù)，直到從空閑（ IDLE）模式中退出重新開始計數(shù)。 IE 也包含總中斷控制位 EA， EA 清 0，將關(guān)閉所有中斷。采用外部時鐘的電路如圖 5右圖所示。 ： 在掉電模式下，振蕩器停止工作，進入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令，片內(nèi) RAM 和特殊功能寄存器的內(nèi)容在終止掉電模式前被凍結(jié)。自適應(yīng)控制運用現(xiàn)代控制理論在線辨識對象特性參數(shù)，實時改變其控制策略，使控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)，但其控制效果的好壞取決于辨識模型的精確度，這對于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的。 PID控制器有幾個重要功能 :它提供一種反饋控制，通過積分作用可以消除靜態(tài)偏差，通過微分作用可以預(yù)測未來。 從技術(shù)角度看， PID 控制是自動控制中產(chǎn)生最早的一種控制方法，至少可追逆到 1000年前我國北宋年間發(fā)明的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng) —— 水運儀象臺；從理論角度看，是 20世紀(jì) 40年代開始的調(diào)節(jié)原理的一種典型代表。由此可見， PID控制還將得到了進一步的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而在這種情況下，為什么 PID控制器依然能在過程工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用 ?其中一個原因是許多高級控制策略 (如模型預(yù)測控制 )都采用分層結(jié)構(gòu)，而 PID控制被用于最底層 。 PID控制中的積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，微分作用可以解決大慣性過程的控制問題。實際上，許多 DCS、 PLC和 FCS供應(yīng)商都在各自的系統(tǒng)中提供了 PID江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 控制器自整定功能。將是本篇論文的研究重點?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(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。 4. PID控制器的參數(shù)整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。 各環(huán)節(jié)作用 比例環(huán)節(jié)的作用 比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的方向變化。 G3=tf(44,[ 1])。假設(shè)閉環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，則此時 控制輸出量 u(t)和控制偏差量 e (t)都將保持在某個常數(shù)值上，不失一般性，我們分別用 0u 和 0e 來表示。 G=G12*G3*G4。 IT 值過小，系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定， IT 值能完全消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 差，提高系統(tǒng)的控制精度 。 圖 216 微分的預(yù)測作用 下面將對微分環(huán)節(jié)進行仿真研究，考察 PK =， DT =1284， IT = 對系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響 源程序代碼： G1=tf(1,[ 1])。 td=[12:36:8