【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 式檢測(cè)出來(lái)。 方法二：測(cè)速發(fā)電機(jī)。將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)測(cè)速發(fā)電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)測(cè)速發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生大小取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 方法三 ：光電編碼器。這是一種通過(guò) 光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。其工作原理將在下文詳述。 將上訴三種方法進(jìn)行比較，由于高性能的霍爾元件較難購(gòu)置，且成本較高，所以不采用方法一。測(cè)速發(fā)電機(jī)雖然采樣精度較高，但是其實(shí)際的安裝電路較復(fù)雜，而且成本也是三者中最高的，所以也不予采用。因此，本課題將采用方法三 —— 光電編碼器來(lái)作為電機(jī)轉(zhuǎn)速采集模塊的傳感器。 光電編碼器由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一個(gè)一定直徑的圓板上等分地裁剪出若干個(gè)長(zhǎng)方形孔 如圖 (a)所示。光電碼盤與電機(jī)同軸， 當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子器件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)的脈沖信號(hào)。再通過(guò)計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)光電編碼器輸出 的脈沖數(shù)，從而得到當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速 如圖 (b)所示 。而且，編碼盤還可提供相位相差 /2? 的兩路脈沖信號(hào)來(lái)判斷旋轉(zhuǎn)方向。 (a) (b) 10 圖 光電編碼器原理圖 2． 3． 2 電機(jī)轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計(jì) 圖 測(cè)速模塊電路圖 2． 4 顯示模塊設(shè)計(jì) 2． 4． 1 顯示模塊的原理與方法 為了使調(diào)速系統(tǒng)能讓人更直觀地觀察到電機(jī)在調(diào)速期間的運(yùn)行狀況，所以，顯示模塊是不可缺少的。 目前在顯示模塊主要有以下三種方式： 方法一 ： LED 數(shù)碼管 顯示器 。 是由發(fā)光二極管作為發(fā)光單位制作而成。 通過(guò)控制輸入顯示器的段碼信號(hào)來(lái)控制顯示器。其顯示接口電路分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。 方法二： 液晶顯示器 LCD。其分為點(diǎn)陣型與字符型兩種，點(diǎn)陣型液晶可顯示圖形和文字，字符型液晶只能顯示字符。 將上訴兩種方法進(jìn)行比較， LED 數(shù)碼管顯示器雖然在控制方面較為簡(jiǎn)單，但 是占用的資源較多，且無(wú)法顯示本課題所需的信息量，所以方法一不予采用。液晶顯示器 LCD 因其功耗小、體積小等特點(diǎn)，且符合本課題要求，所以予以采用。 LCD 顯示模塊存在多種不同的型號(hào)與規(guī)格， 對(duì)于不同的規(guī)格和型號(hào)的液晶顯示器而言，它們的控制方法是一樣的。針對(duì)本課題的要求，對(duì)于所需顯示的信息量，在顯示模塊選擇了 128?64LCD 液晶顯 示器 ，它主要是由行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器以及 128? 64圈點(diǎn)陣液晶顯示器組成，既能進(jìn)行 漢字顯示 (16?16)以及圖形顯示。 128? 64LCD共有 20個(gè)引腳，其引腳分布如圖 ，其引腳功能如表 所示 11 圖 128? 64LCD液晶顯示器模塊引腳 圖 引腳 符 號(hào) 引 腳 功 能 引腳 符 號(hào) 引 腳 功 能 1 VSS 電源地 15 CS1 CS1=1 芯片選擇左邊 64*64 點(diǎn) 2 VDD 電源正 +5V 16 CS2 CS2=1 芯片選擇右邊 64*64 點(diǎn) 3 VO 液晶顯示驅(qū)動(dòng)電源 17 /RST 復(fù)位（低電平有效） 4 RS H： 數(shù)據(jù)輸入； L： 指令碼輸入 18 VEE LCD 驅(qū)動(dòng)負(fù)電源 5 R/W H： 數(shù)據(jù)讀?。? L： 數(shù)據(jù)寫入 19 A 背光電源（ +） 6 E 使能信號(hào)。 20 K 背光電源（ ） 714 DB0DB7 數(shù)據(jù)線 有些型號(hào)的模塊 1 20 腳為空腳 表 128? 64LCD液晶顯示器模塊引腳功能 12 2． 4． 2 顯示模塊 電路設(shè)計(jì) 本調(diào)速系 統(tǒng)的 顯示模塊 電路設(shè)計(jì)如圖 。 圖 128? 64LCD液晶顯示器模塊 電路圖 2． 5 鍵盤輸入模塊設(shè)計(jì) 2． 5． 1 鍵盤輸入模塊的原理與方法 由于本直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)要求通過(guò)按鍵形式對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制，包括：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止、啟動(dòng)以及 PID 控制器的參數(shù)設(shè)定。所以 按鍵輸入模塊是本系統(tǒng)的人機(jī)界面部分至關(guān)重要的一部分。 目前在鍵盤輸入模塊主要有以下兩種方法： 方法一：獨(dú)立式鍵盤。每個(gè)鍵占用一個(gè) I/O 口。其 優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便 ，缺點(diǎn)是所占用端口資源較多。 方法二：行列式鍵盤。 行列式鍵盤由行線跟列線組成。以對(duì)行線和列線進(jìn)行掃描的方法來(lái)確認(rèn)鍵值。其優(yōu)點(diǎn)是在鍵盤較多的情況下，占用的 I/O 口資源較少，缺點(diǎn)是相對(duì)于獨(dú)立式鍵盤而言，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 將上訴兩種方法進(jìn)行比較 ，本課題要求完成電機(jī)的加速、減速、啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)控制，以及對(duì) P、 I、 D三項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定，所以所需的按鍵較多。若采用獨(dú)立式鍵盤勢(shì)必占 13 用大量的 I/O 口資源，所以方法一不予以采用。而行列式恰好滿足了本課題的要求，所以采用方法二。 2． 5． 2 鍵盤輸入模塊 電路設(shè)計(jì) 本調(diào)速系 統(tǒng)的 顯示模塊 電路設(shè)計(jì)如圖 。 圖 行列式鍵盤輸入 模塊 電路圖 3 調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字部分的設(shè)計(jì)與原理 3． 1 PID 控制器 3． 1． 1 PID 控制的原理與方法 對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)，通常要求其具有快速性、穩(wěn)定性的品質(zhì)和性能指標(biāo)， 本課題為了提高調(diào)速系統(tǒng)對(duì)直流電機(jī)在速度運(yùn)行 的 上述要求，將 采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)對(duì)本直流電機(jī)調(diào)速進(jìn)行優(yōu)化，并采用數(shù)字 PID 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)靜差運(yùn)行。 速度閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)可以對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速范圍以及調(diào)速的精度進(jìn) 行提高。在原來(lái)開環(huán)形的驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上，加 上速度閉環(huán)，這樣就形成了直流電機(jī)的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。在本直流電機(jī)速度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，速度控制器的輸出信號(hào)，作為脈寬調(diào)制器的控制信號(hào)， 經(jīng)過(guò)傳感器處理后，形成速度反饋信號(hào)， 反饋信號(hào)直接送到電子數(shù)字計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中去 。我們采用的 PID 控制器是通過(guò)計(jì)算機(jī)基于 PID 控制算法通過(guò)軟件程序?qū)崿F(xiàn)的。我們需要通過(guò)數(shù)值逼近的方法來(lái) PID 控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)， 通過(guò)求和代替積分，以及查分代替微分，使 PID 算法離散化，將描述連續(xù) 時(shí)間 PID 算法的微分方程，轉(zhuǎn)化成描述離散 時(shí)間 PID算法的差分方程。 PID控制器的 原理框圖如圖 示。 14 圖 PID控制器的原理框圖 PID 控制公式： 0 ()()( ) ( ) tp i e t d t d d e tdtu t K e t K K? ? ?? （ 1） 式（ 1）中： ()pKet 為比例項(xiàng)， pK 為比例放大系數(shù)；0 ()ti e t dtK?為積分項(xiàng)， iK 為積分放大系數(shù)； ()d detdtK為微分項(xiàng) ， dK 為微分放大系數(shù) 。 比例控制的作用是對(duì)于當(dāng)前的偏差信號(hào) ()et 進(jìn)行放大或者衰減后作為輸出的控制信號(hào) 。系數(shù) pK 越大，控制左右也越強(qiáng)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性也越強(qiáng)，即表現(xiàn)為起動(dòng)快，對(duì)階躍設(shè)定跟隨得快。但對(duì)于存在慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)， pK 過(guò)大時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)震蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 比例控制能夠減小偏差，但是不 能消除靜態(tài)偏差。 圖 比例（ p）控制階躍響應(yīng) 15 積分控制的作用是將系統(tǒng)從零開始到當(dāng)前的偏差信號(hào)進(jìn)行積累。 積分控制的輸出與偏差信號(hào) ()et 存在的時(shí)段有關(guān)，只要時(shí)間足夠，積分控制將靜態(tài)偏差消除。其缺點(diǎn)是積 分控制不能及時(shí)克服擾動(dòng)的影響。 圖 積分（ I）和比例積分（ PI）控制階躍響應(yīng) 微分控制的作用是根據(jù)偏差信號(hào) ()et 當(dāng)前的變化率 /de dt 來(lái)判斷隨后的偏差時(shí) 增大還是減少，以及增大或減少的幅度。微分控制作用正比于偏差信號(hào) ()et 的變化率，其特點(diǎn)是只對(duì)偏差 ()et 變化的速度起反應(yīng) ，對(duì)于固定不變的偏差，不會(huì)產(chǎn)生微分作用輸出。因?yàn)橹辉谄顒偝霈F(xiàn)時(shí)產(chǎn)生很大的控制作用，所以微分控制可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，從而達(dá)到提高系統(tǒng)快速性的作用，而且還有助于減小超調(diào)，克服震蕩，達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用，但是微分控制不能消除靜態(tài)偏差。 值得注意的是，微分控制不能獨(dú)立存在，一般情況下， 都要配合比例控制存在 ,實(shí)現(xiàn) PD 控制。 16 圖 微分（ D）和比例積分（ PD）控制階躍響應(yīng) 上述 對(duì) P、 I、 D控制各項(xiàng)的闡述可由表 可進(jìn)行直觀的對(duì)比 增益常數(shù)（系數(shù)） 上升時(shí)間 過(guò)沖 建立時(shí)間 穩(wěn)態(tài)誤差 Kp 減少 增大 很小變化 減小 KI 減少 增大 增加 消除 KD 很小變化 減小 減少 很小變化 圖 積分（ I）和比例積分（ PI）控制階躍響應(yīng) 3． 1． 2 數(shù)字 PID 算法的實(shí)現(xiàn) 在單片機(jī) 的應(yīng)用中，可選用的控制方法其實(shí)很多，但最常用的還是數(shù)字 PID 算法。通過(guò)最優(yōu)控制理論可以證明， PID 控制能夠滿足非常多工業(yè)控制對(duì)象的控制要求。 PID 算法也存在多種算法，如位置式 PID 算法、增量式 PID 算法等。 本課題的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用的核心算法是增量式 PID 算法，它是根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù) 與設(shè)定值進(jìn)行比較，求出誤差 ()et ，然后通過(guò) P、 I、 D用算，一步步逼近設(shè)定值，最終輸出運(yùn)算結(jié)果來(lái)控制 PWM脈沖的占空比來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)兩端的電壓值，從而達(dá)到控制點(diǎn)自己轉(zhuǎn)速的作用。 增量式 PID算法公式為： ()un? [ ( ) ( 1 ) ] ( )piK e n e n K e n? ? ? 0[ ( ) 2 ( 1 ) ( 2) ]dK e n e n e n u? ? ? ? ? ? 數(shù)字增量式 PID程序的流程如圖 17 圖 數(shù)字增量式 PID程序流程圖 關(guān)于數(shù)字 PID 控制器的 C語(yǔ)言源代碼，見 附錄 1。 3． 2 數(shù)字測(cè)速模塊 3． 2． 1 數(shù)字測(cè)速模塊的設(shè)計(jì)思想與算法 單片機(jī)接收從 光電編碼器的脈沖，然后進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，最后將轉(zhuǎn)速值傳送給 LCD 顯示與 PID控制模塊。 如圖 圖 數(shù)字測(cè)速模塊設(shè)計(jì)思想 利用單片機(jī)的 外部中斷來(lái)記錄脈沖數(shù)。每當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)一周記為一個(gè)脈沖，由脈沖觸發(fā)外部中斷，累計(jì) 外部中斷的 次數(shù) ， 除以編碼盤上的總開口數(shù)， 便可得到編碼器旋轉(zhuǎn)地圈數(shù)。 再利用單片機(jī)的定時(shí)器，利用軟件定時(shí)產(chǎn)生 1秒的定時(shí)時(shí)間，在 1 秒定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，所記錄的外部中斷發(fā)生中斷 的次數(shù)，便是電機(jī)的轉(zhuǎn)速 (r/s)。 轉(zhuǎn)速計(jì)算公式： nv Nt? ? ( / )rs 18 60nv Nt??? ( / min)r 3． 2． 2 數(shù)字測(cè)速 系統(tǒng) 流程圖 （ a） （ b） （ c） 圖 (a)系統(tǒng)主程序流程圖 (b)外部中斷流程圖 (c)定時(shí)器中斷流程圖 關(guān)于數(shù)字測(cè)速模塊的 C 語(yǔ)言源代碼，見附錄 1。 3． 3 128?64LCD 顯示模塊 3． 3． 1 128?64LCD 顯示器的控制方法 在前面的章節(jié)已經(jīng)對(duì) 128?64LCD 顯示器的引腳分布以及引腳功能做了說(shuō)明，下面我們來(lái)介紹下 128?64LCD 顯示器的控制方法。 (1) 讀狀態(tài) 如果 BUSY=1，表示系統(tǒng)正忙，不能操作；只有 BUSY=0 時(shí)，才能操作。 D/I R/W E DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 1 1 BUSY 0 ON／ OFF RST 0 0 0 0 19 (2) 寫指令 (3) 寫數(shù)據(jù) 將 8 位數(shù)據(jù)寫入已確定的顯示存儲(chǔ)器的單元內(nèi)。操作每 完成一個(gè)列地址， 列地址計(jì)數(shù)器加 1. (4) 顯示開關(guān)設(shè)置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 D 當(dāng) D=1 時(shí)，開顯示；當(dāng) D=0 時(shí)，關(guān)顯示。 (5) 顯示起始行設(shè)置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 1 顯示起始行 （ 0~63） 有上表可知， DB5 至 DB0 為顯示起始行的地址， 取值在 0至 3FH(1 至 64行 )之間 ，它所規(guī)定的是顯示器屏幕上顯示內(nèi)容的最頂一行所對(duì)應(yīng)的顯示存儲(chǔ)器的行地址。 (6) 頁(yè)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(yè)面地址是 DDRAM 的行地址。 8 行為一頁(yè)， DDRAM 共 有 64行，即 8頁(yè)， DB2 至 DB0 表示 0至 7頁(yè)。 (7) 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。 DDRAM 共有 64 列， DB5 至 DB0 取不同的值得到 0至 3FH(1至 64)，即某一頁(yè)面上的 某一單元地址。列地址計(jì)數(shù)器在每一次讀 /寫數(shù)據(jù)后將自動(dòng)加 1。 (8) 讀數(shù)據(jù) D/I R/W E DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 下降沿 指令 D/I R/W E DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0