【文章內(nèi)容簡介】 K? KT PI KT K? KT PID KT K? KT PI KT K? KT PID KT K? KT PI KT K? KT PID KT K? KT 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8頁 共 37頁 ③ 積分系數(shù) IK 保持不變，改變比例系數(shù) PK ，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù) PK 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) PK 和積分系數(shù) IK 為止。 ④ 引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù) DK 和實(shí)際微分時(shí)間 DK ，此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù) PK和積分系數(shù) IK 。和前述步驟相同，微分時(shí)間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過程滿意為止。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)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(gè)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(shí)，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(gè)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 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(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)槿鐖D d所示的單位 脈沖函數(shù) )(t? 時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù) ]7[ 。 圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖 的電路是一個(gè)具體的例子。圖中 )(te 為窄脈沖，其形狀和面積分別如圖 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 )(ti 為電路的輸出。圖 給出了不同窄波時(shí) )(ti 的響應(yīng)波形。從波形可以看出，在 )(ti 的上升段，脈沖形狀不同時(shí) )(ti 的形狀也略有不同，但其下降段幾乎完全相同。脈沖越窄，各 )(ti 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(jí)數(shù)分解后將可看出，各 )(ti 在低頻段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同。 f ( t )0tf ( t )0tf ( t )0tf ( t )0t a bcd中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10頁 共 37頁 abcda bii ( t )i ( t )e ( t )RL0 圖 沖量相 同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 直流電機(jī)的 PWM 控制技術(shù) 直流電動(dòng)機(jī)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(fù)載 ， 可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起動(dòng) 、 制動(dòng)和反轉(zhuǎn) ； 能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求 ， 在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 直流電動(dòng)機(jī)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(lì)磁磁通和改變電樞回路電阻。針對三種調(diào)速方法，都有各自的特點(diǎn)，也存在一定的缺陷。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)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(diǎn) ： 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(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng) ， 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(shí) ， 電網(wǎng) 功率因數(shù)比相控整流器高。正因?yàn)橹绷?PWM 調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點(diǎn) ， 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(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的 PWM 脈沖與相等時(shí)間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在短時(shí)間 T內(nèi)脈沖寬度為 0t ,幅值為 U，由圖 可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為： 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11頁 共 37頁 U ( t )0tTt 0UU ( t )0tTt 0U2 T2 t 0 3 T3 t 0 4 t 0n T ( n + 1 ) t 0 圖 PWM脈沖 TUtU ?? 00 ，若令 Tt0?? ， ? 即為占空比，則上式可化為： UU ???0 (U 為脈沖幅值 ) （ ） 若 PWM 脈沖為如圖 ，那么與此脈沖等效的直流電壓的計(jì)算方法與上述相同，即 UT UtnT UntU ?????? ?000 （ ? 為矩形脈沖占空比） （ ） 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(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)等效直流電壓在 0～ U 之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到利用 PWM 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12頁 共 37頁 鍵盤模塊 控制器模塊顯示模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 直流電機(jī)速度檢測模塊PWM 脈沖3 硬件 電路 設(shè)計(jì)部分 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)方框圖如圖 。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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。 在運(yùn)行過程中控制器產(chǎn)生 PWM 脈沖送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)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(yùn)算后改變 PWM 脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制的目的。 圖 系統(tǒng)方案框圖 控制器模塊設(shè)計(jì)方案 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，采用 AT89S51 作為系統(tǒng)控制的方案。 AT89S51 單 片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)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(shí)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(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案 驅(qū)動(dòng)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(jī)的 I/O 口不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，只有引入電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊才能保證電機(jī)按照控制要求運(yùn)行，在這里選用 L298 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī) ，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(shí)只需考慮到芯片的硬件連接、 驅(qū)動(dòng)能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計(jì)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好。設(shè)計(jì)者不需要對硬件電路設(shè)計(jì)考慮很多，可將重點(diǎn)放在算法實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)中，大大的提高了工作效率。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13頁 共 37頁 該芯片是 由四個(gè)大功率晶體管組成 的 H橋電路構(gòu)成，四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 。 圖 驅(qū)動(dòng)電路 電源模塊設(shè)計(jì)方案 電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運(yùn)行。在本系統(tǒng)中直流電機(jī)需要 12V電源，而單片機(jī)、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(jì)電源電路采用 78系列芯片產(chǎn)生 +5V、 +12V。電路圖如圖 ： 圖 電源電路 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14頁 共 37頁 速度采集設(shè)計(jì)模塊 速度 的采集 用霍爾傳感器。通過對脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行電機(jī)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(hào)放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場強(qiáng)度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號(hào)變換器、驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號(hào)。信號(hào)輸出端每輸出一個(gè)周期的方波，代表轉(zhuǎn)過了一個(gè)齒。 脈沖信號(hào)的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速 的 關(guān)系 為 ： n=PT60 （ n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速； P為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)； T 為輸出方波信號(hào)周期 ）。 （ 2） 測速 電路原理圖 圖 速度采集電路 顯示模塊設(shè)計(jì)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(jìn)行顯示 。 引腳分布和接口信號(hào)說明 (1)引腳分布 1602 液晶顯示共有 16個(gè)引腳，其引腳分布如圖 所示。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15頁 共 37頁 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(hào) 符號(hào) 引腳說明 編號(hào) 符號(hào) 引腳說明 1 VSS VSS為地電源 9 D2 Data I/O 2 VDD VDD接 5V正電源 10 D3 Data I/O 3 VEE 液晶顯示偏壓信號(hào) 11 D4 Data I/O 4 RS 0輸入指令， 1輸入數(shù)據(jù) 12 D5 Data I/O 5 R/W 0寫入指令或數(shù)據(jù)， 1讀信息 13 D6 Data I/O 6 E 1讀取信息， 1→0 執(zhí)行指令 14 D7 Data I/O 7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正極 8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源負(fù)極 LCD 液晶電路 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 16頁 共 37頁 圖 1602液晶顯示模塊組成 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 17頁 共 37頁 4 軟件設(shè)計(jì)部分 驅(qū)動(dòng)電 路 程序流程 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是專用的驅(qū)動(dòng)芯片 L298，單片機(jī)給驅(qū)動(dòng)芯片輸出脈沖來控制電機(jī)，程序流程圖如下： 圖 定時(shí)中斷服務(wù)流程圖 直流電機(jī)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， EA 為中斷的總開關(guān)，若