【文章內(nèi)容簡介】 ，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，IKDK由小到大改變比例系數(shù) ，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的P控制過程為止。②取比例系數(shù) 為當(dāng)前的值乘以 ，由小到大增加積分系數(shù) ，同樣讓擾動PK IK信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。③積分系數(shù) 保持不變，改變比例系數(shù) ，觀察控制過程有無改善，如有改善I PK則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù) 增大一些，再調(diào)整積分系數(shù) ，IK力求改善控制過程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù) 和積分系數(shù) 為止。PKI④引入適當(dāng)?shù)膶嶋H微分系數(shù) 和實際微分時間 ，此時可適當(dāng)增大比例系數(shù)DKD和積分系數(shù) 。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過程PKI滿意為止。XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 9 頁 共 37 頁 PWM 脈沖控制技術(shù)PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 PWM 控制的基本原理在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。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。例如圖 中 a、b、c 所示的三個窄脈沖形狀不同，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，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)槿鐖D 的 d 所示的單位脈沖函數(shù) 時，)(t?環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù) 。]7[XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 10 頁 共 37 頁abcda bii ( t )i ( t )e ( t )RL0圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖 的電路是一個具體的例子。圖中 為窄脈沖，其形狀和面積分別如圖 )(te的 a、b、c、d 所示，為電路的輸入。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的 RL 電路上，設(shè)其電流 為電路的輸出。圖 給出了不同窄波時 的響應(yīng)波形。從波形可以看)(ti )(ti出，在 的上升段，脈沖形狀不同時 的形狀也略有不同，但其下降段幾乎完全)(ti相同。脈沖越窄，各 波形的差異也越小。如果周期性的施加上述脈沖，則響應(yīng))(ti也是周期性的。用傅立葉級數(shù)分解后將可看出，各 在低頻段的特性非常接近，)(ti )(ti僅在高頻段有所不同。 圖 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 直流電機的 PWM 控制技術(shù)直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵磁磁通和f ( t )0tf ( t )0tf ( t )0tf ( t )0t a bcdXXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 11 頁 共 37 頁U ( t )0tTt 0U改變電樞回路電阻。針對三種調(diào)速方法，都有各自的特點，也存在一定的缺陷。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實現(xiàn)有級調(diào)速，減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但這種方法的調(diào)速范圍不大，一般都是配合變壓調(diào)速使用。所以在直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速為主。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。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：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。同樣，由于開關(guān)頻率高,快速響應(yīng)特性好,動態(tài)抗干擾能力強，可以獲得很寬的頻帶；開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，因此主電路損耗小、裝置效率高；直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。正因為直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點，并且隨著電力電子器件開關(guān)性能的不斷提高，直流脈寬調(diào)制( PWM) 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展 。]8[根據(jù) PWM 控制的基本原理可知，一段時間內(nèi)加在慣性負載兩端的 PWM 脈沖與相等時間內(nèi)沖量相等的直流電加在負載上的電壓等效，那么如果在短時間 T 內(nèi)脈沖寬度為,幅值為 U，由圖 可求得此時間內(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) （）?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算方法與上述相同，即XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 12 頁 共 37 頁U ( t )0tTt 0U2 T2 t 0 3 T3 t 0 4 t 0n T ( n + 1 ) t 0鍵 盤 模 塊 控 制 器 模 塊顯 示 模 塊 電 機 驅(qū) 動 模 塊 直 流 電 機速 度 檢 測 模 塊PWM脈 沖 （ 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 和占空比來實現(xiàn)，因為在實際系統(tǒng)設(shè)計中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制占空比?的大小實現(xiàn)等效直流電壓在 0～U 之間任意調(diào)節(jié)，從而達到利用 PWM 控制技術(shù)實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的目的。3 硬件電路設(shè)計部分 系統(tǒng)設(shè)計方案根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)和要求，設(shè)計系統(tǒng)方框圖如圖 所示。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現(xiàn)人機交互功能。在運行過程中控制器產(chǎn)生 PWM脈沖送到電機驅(qū)動電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機轉(zhuǎn)速，同時利用速度檢測模塊將當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過數(shù)字 PID 運算后改變 PWM 脈沖的占空比，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速實時控制的目的。XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 13 頁 共 37 頁圖 系統(tǒng)方案框圖 控制器模塊設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，采用 AT89S51 作為系統(tǒng)控制的方案。AT89S51 單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制 [4]。相對于 FPGA 來說，它的芯片引腳少，在硬件很容易實現(xiàn)。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，在各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。 電機驅(qū)動模塊設(shè)計方案驅(qū)動模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機的 I/O 口不能直接驅(qū)動電機，只有引入電機驅(qū)動模塊才能保證電機按照控制要求運行，在這里選用 L298 電機驅(qū)動芯片驅(qū)動電機，由于它內(nèi)部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們在應(yīng)用時只需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計簡單、抗干擾能力強、可靠性好。設(shè)計者不需要對硬件電路設(shè)計考慮很多，可將重點放在算法實現(xiàn)和軟件設(shè)計中，大大的提高了工作效率。該芯片是由四個大功率晶體管組成的 H 橋電路構(gòu)成，四個晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機控制達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)整電動機轉(zhuǎn)速。XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 14 頁 共 37 頁圖 驅(qū)動電路 電源模塊設(shè)計方案電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運行。在本系統(tǒng)中直流電機需要 12V 電源，而單片機、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。而本設(shè)計電源電路采用 78 系列芯片產(chǎn)生+5V、+12V。電路圖如圖 所示：圖 電源電路 速度采集設(shè)計模塊速度的采集用霍爾傳感器。通過對脈沖的計數(shù)進行電機速度的檢測。（1）霍爾傳感器的工作原理霍爾開關(guān)集成電路中的信號放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場強度變化的霍爾電壓UH 放大后再經(jīng)信號變換器、驅(qū)動器進行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號。信號輸出端每輸出一個周期的方波，代表轉(zhuǎn)過了一個齒。脈沖信號的周期與電機的轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：n = （ n 為電機轉(zhuǎn)速；P 為電機轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；T 為輸出方T60波信號周期） 。（2）測速電路原理圖XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 15 頁 共 37 頁圖 速度采集電路 顯示模塊設(shè)計方案采用 1602LCD 液晶顯示器，該顯示器控制方法簡單，功率低、硬件電路簡單、可對字符進行顯示。 引腳分布和接口信號說明(1)引腳分布1602 液晶顯示共有 16 個引腳，其引腳分布如圖 所示。 圖 1602 液晶顯示模塊引腳分布(2)引腳功能1602 引腳功能如表 所示表 1602 引腳功能編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 16 頁 共 37 頁1 VSS VSS 為地電源 9 D2 Data I/O2 VDD VDD 接 5V 正電源 10 D3 Data I/O3 VEE 液晶顯示偏壓信號 11 D4 Data I/O4 RS 0 輸入指令，1 輸入數(shù)據(jù) 12 D5 Data I/O5 R/W 0 寫入指令或數(shù)據(jù)，1 讀信息 13 D6 Data I/O6 E 1 讀取信息，1→0 執(zhí)行指令 14 D7 Data I/O7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正極8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源負極 LCD 液晶電路圖 1602 液晶顯示模塊組成XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 17 頁 共 37 頁4 軟件設(shè)計部分 驅(qū)動電路程序流程電機驅(qū)動電路是專用的驅(qū)動芯片 L298，單片機給驅(qū)動芯片輸出脈沖來控制電機，程序流程圖如下：初始化設(shè)置周期將從鍵盤（中斷）讀取的數(shù)據(jù)送到 TH0 中，從而設(shè)計脈沖給電機驅(qū)動芯片輸出脈沖開始count=256? count=count+1恢復(fù)現(xiàn)場是否返回XXX 學(xué)校 XXX 屆畢業(yè)設(shè)計說明書第 18 頁 共 37 頁圖 定時中斷服務(wù)流程圖 直流電機的中斷鍵盤控制模塊 外部中斷設(shè)置（1） 外部中斷允許設(shè)置中斷控制寄存器 IE 的 EX0 對應(yīng) INT0，EX1 對應(yīng) INT1