【文章內(nèi)容簡介】 計數(shù)器，兩個外部中斷，可以在線編程，因此選用此芯片作為控制器比較合適（在下一節(jié)里還會對此芯片做一簡要介紹），可以用它來構(gòu)建最小系統(tǒng)。由于此系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)不算復(fù)雜，我們可以選用 12MHz 的晶振。單片機有三種復(fù)位電路：上電復(fù)位、按鍵電平復(fù)位、按鍵脈沖復(fù)位。本次設(shè)計采用按鍵 脈沖復(fù)位方式。為保證單片機可靠復(fù)位脈沖寬度應(yīng)大于兩個機器周期（ 24 個時鐘周期）。最小系統(tǒng)如圖 圖 2.. 單片機最小系統(tǒng)電路圖 直流電機的驅(qū)動 一個電動小車整體的運行性能，首先取決于它的電池系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)。電動小車的驅(qū)動系統(tǒng)一般由控制器、功率變換器及電動機三個主要部分組成。電動小車的驅(qū)動不但要求電機驅(qū)動系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性，而且電機的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響，這就要求驅(qū)動具有盡可能寬的高效率區(qū)。我們所使用的電機一般為直流電機，主要用到永磁直流電機、 伺服電機及步進電機三種。直流電機的控制很簡單，性能出眾，直流電源也容易實現(xiàn)。 直流電機驅(qū)動電路使用最廣泛的就是 H型全橋式電路，這種驅(qū)動電路可以很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。它的基本原理圖 、結(jié)構(gòu)如圖 。 全橋式驅(qū)動電路的 4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)， Q Q4 為一組，Q Q3 為另一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng) Q Q4 導(dǎo)通時， 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 Q Q3 關(guān)斷，電機兩端加正向電壓，可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng) Q Q3 導(dǎo)通時， Q Q4 關(guān)斷，電機兩端為反向電 壓，電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。在小車動作的過程中，我們要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正 轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在 QQ4 導(dǎo)通且 Q Q3 關(guān)斷，到 Q Q4關(guān)斷且 Q Q3 導(dǎo)通，這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在這種情況下，理論上要求兩組控制信號完全互補，但是，由于實際的開關(guān)器件都存在開通和關(guān)斷時間，絕對的互補控制邏輯必然導(dǎo)致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關(guān)斷的過程中，下橋臂導(dǎo)通了。因此，為了避免直通短路且保證各個開關(guān)管動作之間的協(xié)同 性和同步性，兩組控制信號在理論上要求互為倒相的邏輯關(guān)系，而實際上卻必須相差一個足夠的死區(qū)時間，這個矯正過程既可以通過硬件實現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時，也可以通過軟件實現(xiàn) 。 圖 直流電機 H型驅(qū)動電路 在控制系統(tǒng)中，通常用電樞電壓作控制信號，電壓的大小與電機的轉(zhuǎn)速成正比，改變電壓極性，電機運轉(zhuǎn)方向也隨之改變。根據(jù)電樞反應(yīng)原理，電機轉(zhuǎn)速公式為： （ ） 式中 U—— 電樞端電壓 I—— 電樞電流 R—— 電樞電路總電阻 K—— 電機結(jié)構(gòu)參數(shù) ? —— 磁極磁通量 改變電機的轉(zhuǎn)速，可通過改變電樞兩端的電壓來實現(xiàn)。 圖 是利用開關(guān)管對直流電機進行 PWM 調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形圖。在圖 中，當(dāng)開關(guān)管MOSFET 的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，電機電樞兩端的電壓為 Us， t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電樞兩端電壓變?yōu)?0。 t2 秒后，柵極電壓又變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管重復(fù)前面的動作過程。這樣，對應(yīng)著輸入 電平的高低，直流電動機電樞兩端的電U IRn K??? 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 壓波形圖如圖所示。電機電樞兩端電壓的平均值 0U 為： （ ） 式中， ? —— 占空比， 占空比 ? 表示在一個周期 T 里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。 ? 的變化范圍為0＜ ? ＜ 1，由式可知，當(dāng)電源兩端電壓 su 不變的情況下，電樞端電壓的平均值 0u 取決于占空比 ? 的大小。改變 ? 的大小就可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的。 但實際的應(yīng)用中還需加續(xù)流管等其它元件，圖 （ b）是一個實際的標準雙極性PWM 功率放大器。它是一個典型的 H 型功放，四個功放管分別采用 NPN 型達林頓管TIP122 和 PNP 型達林頓 TIP127。 PWM 脈沖信號通過光電耦合 4N35 加到晶體管的輸入端。 4N35 的作用是把控制電源和驅(qū)動電源隔離，以免驅(qū)動電源不穩(wěn)定影響整個控制系統(tǒng)；同時， 4N35 的輸出端還提供功放的基極驅(qū)動電流。 圖 （ b） 標準的 PWM 功放電路 系統(tǒng)工作過程如下：當(dāng) PWM1 端變?yōu)榈碗娖角?PWM2 端為高電平時，功放管 T2/T3導(dǎo)通。 T1/T4 截止，電機的電流從左到右，電機正轉(zhuǎn)；反之反轉(zhuǎn)。二極管 D D DD4 是續(xù)流二極管，在晶體管切換時提供電流通路，并聯(lián)在二極管兩端的電容電阻也起續(xù)流作用。 目前，針對中小型 PWM 功放電路已經(jīng)有 現(xiàn)成的集成分立元件出售，由于所有的PWM 功能集成在一塊芯片上，使得這些集成分立器件可靠性高，性能好，使用方便。對原來的分立元件電路需要調(diào)定各種參數(shù)，麻煩又需要經(jīng)驗，故能用集成就用集成的為1 10120s sstu tu u ut t T?? ? ? ??1tT?? 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 好。 如圖 （ C）所示， 采用市面易購的電機驅(qū)動芯片 L293D，該芯片是利用 TTL 電平進行控制，對電機的操作方便，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)操作，很方便單片機的操作，亦能滿足直流減速電機的要求 。 圖 （ c） L293D驅(qū)動電機電路 電機驅(qū)動芯片 L293D。 L293D 是著名的 SGS 公司的產(chǎn)品。為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動，設(shè)計用來接收 DTL 或者 TTL 邏輯電平，驅(qū)動感性負 載 (比如繼電器，直流和步進馬達 )，和開關(guān)電源晶體管。內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。其額定工作電流為 1A，最大可達 ， Vss電壓最小 ，最大可達 36V； Vs 電壓最大值也是 36V，經(jīng)過實驗， Vs 電壓應(yīng)該比 Vss電壓高，否則有時會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。表 是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系。 表 引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系 EN A（ B） IN1（ IN3） IN2（ IN4） 電機運行情況 H H L 正轉(zhuǎn) H L H 反轉(zhuǎn) H 同 IN2 （ IN4 ） 同 IN1（ IN3） 快速停止 L X X 停止 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 圖 （ d） L293D 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 L293D 可直接的對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的 I/O 輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，非常方便，亦能滿足直流減速電機的大電流要求。調(diào)試時在依照上表，用程序輸入對應(yīng)的碼值，能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的動作，調(diào)試通過。恒壓恒流橋式 1A驅(qū)動芯片 L293D 圖 （ d） 是其內(nèi)部邏輯框圖 圖 （ e）是其與 51單片機連接的電路原理圖 圖 （ e） L293D 與 89C51 連接驅(qū)動電機 另外還要注意一點，電動機在啟動時的電流很大，會引起電源波動。如果電動機和單片機系統(tǒng)共用一個電源，這將會對程序運行造成很大的影響。所以最好還是把這兩者 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 的供電電源分開。 算法的研究 現(xiàn)代的精確控制幾乎都是用 PID 算法， 按偏差的比例、積分和微分進行控制的調(diào)節(jié)器簡稱為 PID 調(diào)節(jié)器，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。 PID 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易 于調(diào)整，在長期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗。特別在工業(yè)過程中，由于控制對象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運用現(xiàn)代控制理論分析綜合往往不能得到預(yù)期的效果，所以人們常采用 PID 調(diào)節(jié)器，并根據(jù)經(jīng)驗進行在線參數(shù)整定。 模擬 PID 調(diào)節(jié)器是一種線形調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值 w 與實際輸出值 y 進行比較構(gòu)成控制偏差 wye ?? （ ） 并將其比例、積分、微分通過線形組合構(gòu)成控制量，如圖 (a)所示。 圖 （ a） 模擬 PID控制 在實際的應(yīng)用中，根據(jù)對象的特性和控制要求，可以靈活地改變其結(jié)構(gòu)，取其中的一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律。例如，比例（ P）調(diào)節(jié)器、比例積分（ PI）調(diào)節(jié)器、比例微分（ PD）調(diào)節(jié)器，其階越響應(yīng)曲線如圖 (b)所示。 PID 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律如下 ? ???? t di udtdeTe dtTeKu 0 0)1( （ ） 式中： K 為比例系數(shù)， iT 為積分時間， dT 為微分時間， 0u 為控制量的基準，也就是 e=0時的控制作用。 在工業(yè)過程控制中，模擬 PID 調(diào)節(jié)器有電動、氣動、壓動等多種類型。這類模擬調(diào)節(jié)儀表是用硬件來實現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的。自從計算機進入控制領(lǐng)域以來，用計算機軟件來實現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)算法不但成為可能，而且具有更大的靈活性。 被控對象 pK sKi/ sKd 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 圖 (b)各種調(diào)節(jié)器的階越響應(yīng)曲線 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量，因此式（ ）中的積分和微分項不能直接準確計算，只能用數(shù)值計算 的方法逼近。在采樣時刻t=iT (T 為采樣周期 )，式（ ）所表示的 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律可通過數(shù)值公式 ?? ? ????? ij iidjiii ueeTTeTTeKu 0 01 )]([ （ ） 近似計算。如果采樣周期 T 足夠小，這種逼近可相當(dāng)準確，被控過程與連續(xù)控制過程十分接近，我們把這種情況稱為“準連續(xù)控制”。 式（ ）表示的控制算法提供了執(zhí)行機構(gòu)的位置 iu (如閥門開度 )，所以稱為位置式PID 控制算法。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對數(shù)值，而是其增量（例如去驅(qū)動步進電機）時 ，由式（ ）可導(dǎo)出提供增量的 PID 控制算法著只要將式： 010 )]([ ueeTTeTTeKu iidij jiii ????? ??? （ ） 及 0211011 )]([ ueeTTeTTeKu iidij jiii ????? ?????? ? （ ） 相減就可以導(dǎo)出下面的公式 ?????? ????????? ???? )2( 2111 iiidiiiiiiieeeTTeTTeeKuuu （ ） 式（ ）稱為增量式 PID 控制算法。式（ ）也可進一步改寫為： 22110 ?? ???? iiii edededu （ ） 其中： )1(0 TTTTKd di ??? 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 )21(1 TTKd d??? TTKd d?2 可見增量式算法只需要保持現(xiàn)時以前的 3 個時刻的偏差值即可。 增量式 PID 算法與位置式相比，有下列優(yōu)點： （ 1），位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去偏差的累加值 ??ij je0，容易產(chǎn)生較大的累計誤差。而增量式只需計算增量，當(dāng)存在誤差或精度不足時，對控制量計算的影響較小。 （ 2），控制從手動切換到自動時，必須首先將計算機的輸 出值設(shè)置為原始閥門開度0u ，才能保證無沖擊切換。如果采用增量算法，則由于式中不出現(xiàn) 0u 項，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。此外，在計算機發(fā)生故障時，由于執(zhí)行機構(gòu)本身有寄存作用，故可仍然保持在原位。 但是增量式 PID 算法也有不足之處： 由于積分截斷誤差大，使系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差；溢出的影響較大。 式（ ）在單片機上還是不容易實現(xiàn)，我們可以將其繼續(xù)轉(zhuǎn)換： )2()()( )2()( 211 210100 ??? ?????????? ????????? iiidiipii dpi yyyKyyKyrK eeeKeeKeKu （ ） 其中：TTKKKKTTKK ddpii ??? ,為 PID 參數(shù)， 21, ?? iii yyy 為采樣值， r 為輸入的設(shè)定值。 PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： （ 1）比例環(huán)節(jié)：及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 （ 2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用取決于積分時間常數(shù) Ti， Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。 （ 3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早 期