【正文】 數(shù)字 PID 算法調(diào)節(jié) PWM 的占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 首先，我要特別感謝 ***老師對我的悉心指 導(dǎo)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間 *老師指導(dǎo)我、幫助我收集文獻(xiàn)資料，理清設(shè)計(jì)思路，完善操作方法，并對我所做的設(shè)計(jì)提出有效的改進(jìn)方案。倘若此時按方向按鈕，電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速。 ISIS 直譯為智 能原理圖輸入系統(tǒng)。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(diǎn)。 通過設(shè)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(jì)計(jì)數(shù)器 T1的計(jì)數(shù)值，就可以算出電動機(jī)轉(zhuǎn)速： V==(TH1*256+TL1) (r/min)。其電路如圖 53 所示，利用兩個光電耦合器將單片機(jī)的 I/O 與驅(qū)動電路進(jìn)行隔離，保證電路安全可靠。 根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件連接不是很復(fù)雜，對軟件的運(yùn) 行速度要求不高，所以采用方案二獨(dú)立式鍵盤進(jìn)行設(shè)計(jì)。 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。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(diǎn)，但是它的頻率較低、運(yùn)算速度慢， RAM、ROM 空間小 等缺點(diǎn)。 增量式算法是位置算法的一種改進(jìn)。 PWM 的一個優(yōu)點(diǎn)是從 AT89S52 到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。 （ 3）由 于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。 VM 系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。在電動機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。在換向片上放置 著一對固定不動的電刷 B1 和 B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向器和電刷與外電路接通。早期直流電 動機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)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(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著科技的發(fā)展， PWM 調(diào)速成為電機(jī) 調(diào)速的新方式，并憑借它的開關(guān)頻率高、低速運(yùn)行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在電機(jī)調(diào)速中被普遍運(yùn)用。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 論文題目： 傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： ****** 學(xué) 號： ********* 專 業(yè)： *************** 方 向： *********** 指導(dǎo)教師： ****** 20**年 **月 **日 摘 要 轉(zhuǎn)速是直流電機(jī)運(yùn)行中的一個重要物理量，如何準(zhǔn)確、快速測量出電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速在實(shí)際工作中具有非常大的使用價值。利用單片機(jī)對直流電機(jī)進(jìn)行直接的控制具有準(zhǔn)確的自動調(diào)節(jié)作用。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。 圖 21直流電機(jī)的物理模型圖 直流電動機(jī)的工作原理如圖 22 所示。但是只能進(jìn)行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)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。它的另一個缺點(diǎn)是運(yùn)行條件要求高，維護(hù)運(yùn)行麻煩。 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。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。由式（ 27）可以得到（ k1）次的 PID 輸出表達(dá)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(jì)算法和工程整定法兩種。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。該方案的實(shí)現(xiàn)原理是將測速發(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(jì)沒有采用此方案。 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，任何一種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或缺的，對于該模塊考慮下兩種方案： 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。這樣單片機(jī)產(chǎn)生的 PWM 脈沖控制 L298N 的選通端，使電機(jī)在 PWM 脈沖的控制下正常運(yùn)行，其中 四個二極管對芯片起保護(hù)作用。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 43 頁 圖 44(a)測速齒輪 圖 44（ b） 霍爾傳感器安裝示意圖 AT89S52的簡介 AT89S52 主要性能 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。圖 “c” 為引腳圖，從 ag 引腳輸入不同的 8 位二進(jìn)制編碼，可顯示不同的數(shù)字或字符。從 ISIS 窗口各欄內(nèi)容可知： PROTEUS VSM 所包括的內(nèi)容都已整合到 ISIS 中，所以， ISIS 實(shí)際上是 PROTEUS VSM 的設(shè)計(jì)與仿真平臺。倘若此時按啟停按鈕，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，回到圖 64 狀態(tài)。老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)、誨人。 圖 69 減速后 波形（ COT0=10） 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 32 頁 共 43 頁 同理，按動多次加速鍵后，當(dāng) COT1=0AH＝ 10 后，加速檔位到達(dá)最高，不再加速，相當(dāng)于速度 11 檔。 Proteus 的軟 件仿真基于處理器虛擬系統(tǒng)仿真模型 VSM，是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具，它與其他軟件最大的不同也是最大的優(yōu)勢就在于它能仿真大量的單片機(jī)芯片，比如 MCS51 系列、 AVR、 PIC湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 27 頁 共 43 頁 系列等常用的 MCU，以及單片機(jī)外圍電路，比如 LCD， RAM， ROM，鍵盤，馬達(dá)， LED， AD/DA等。不同數(shù)字或字符其字段碼不一樣，對于同一個數(shù)字或字符，共陰極連接和共陽極連接的字段碼也不一樣，共陰極和共陽極的字段碼互為反碼。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器?；魻杺鞲衅魇歉鶕?jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器。 根據(jù)系統(tǒng)的具體要求 ，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。最主要的 是它 對外部環(huán)境的要求不高，并且工作溫度可以達(dá)到 150176。因此在本次設(shè)計(jì)選用方案一。因此，實(shí)際用得較多的還是工程整定法。這也是 PWM 用于通信的主 要原因。 目前，受到器件容量的限制， PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng) 。 圖 23 晶閘管－電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（ VM系統(tǒng)） 直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通、斷時間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平 均值可調(diào)的直流電源，亦稱直流－直流變換器。改變電樞湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 43 頁 電壓可通過多種途徑實(shí)現(xiàn)，如晶閘管供電速度控制系統(tǒng)大功率晶體管速度控制系統(tǒng)、直流發(fā)電機(jī)供電速度控制系統(tǒng)及晶體管直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)等。此時載流導(dǎo)體 ab 和 cd 受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣驮谑褂弥幸资芡?界干擾影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟動制動性能良好，且能在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在電力、冶金、機(jī)械制造等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，主要由 51 單片機(jī)、電源、驅(qū)動電路、 LED 液晶顯示器、霍爾測速電路以及獨(dú)立按鍵組成的電子產(chǎn)品。 1960年以來，晶閘管整流器的應(yīng)用，使得直流拖動控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，對滯留拖動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)也有了一套實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法。 選題的目的和意義 直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。 fI 變化時間遇到的時間常數(shù)同 aI 變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。 VM 系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。 PWM 脈寬調(diào)制方式 PWM 脈寬調(diào)制的方式有 3 種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。工業(yè)應(yīng)用中，采用 PID 位置算法是不夠方便和有欠缺的。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。其檢測方式為：發(fā)射器和接受器相互對射安裝，發(fā)射器的光直接對準(zhǔn)接受器，當(dāng)測物擋住光束時，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測物被檢測到。按鍵設(shè)置在行、列線的交叉點(diǎn)上，利用這種矩陣結(jié)構(gòu)只需 m 根行線和 n 根列線就可組成 mn? 個按鍵的鍵盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合。 Vs 為電機(jī)驅(qū)動電源。因?yàn)檗D(zhuǎn)速常用 r/min 表示，所以電動機(jī)轉(zhuǎn)速 V=60N/24=(r/min)。圖（ b）為共陽極結(jié)構(gòu)， 8 端發(fā)光二極管的陽極端連接在一起，陰極端分開控制，使用時 公共端接電源。 本文中由于我們主要使用 keilC51 軟件編輯、調(diào)試程序， Proteus 軟件仿真單片機(jī)。 圖 64 上電狀態(tài) 按下啟停按鈕。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 34 頁 共 43 頁 致謝 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，凝結(jié)了很多人的心血，在此我表示由衷的感謝。采用單片機(jī)控制取代了以往的模擬控制，使控制精度更高，而且方便系統(tǒng)的改進(jìn)和升級，靈活性和適應(yīng)性更強(qiáng)。 （ 2）設(shè)置編輯環(huán)境：按上述的方法對 Proteus 的設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。 圖 47 鍵盤電路 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 21 頁 共 43 頁 整體硬件電路圖 圖 48 整體電路圖 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 22 頁 共 43 頁 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主程序流程圖 圖 51 主程序流程圖 直流電機(jī)速度控制程序設(shè)計(jì) 本設(shè) 計(jì)采用增量式 PID 控制對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差 ()en ，對偏差進(jìn)行 P、 I、 D 運(yùn)算最終利用運(yùn)算結(jié)果控制 PWM 脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)對加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 AT89S52 主要功能列舉 擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash 晶片內(nèi)部具時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz） 內(nèi)部程序存儲器（ ROM）為 8KB 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）為 256 字節(jié) 32 個可編程 I/O 口線 8 個中斷向量源 三個 16 位定時器 /計(jì)數(shù)器 三級加密程序存儲器