【導(dǎo)讀】作為電氣傳動(dòng)的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)因其轉(zhuǎn)速調(diào)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等工廠自動(dòng)化設(shè)備中。為此，研究并制造高性能、高可靠性的直流電機(jī)控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于單片機(jī)的直流電機(jī)多速控制器，作為其配套的試驗(yàn)裝置。硬件部分先作了整體設(shè)計(jì)，然后介紹了以STC89C51. 示電路等作了詳細(xì)闡述;軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)思想，編制了各個(gè)模塊的流程圖。速、減速和顯示等功能。利用STC89C51芯片進(jìn)行低成本直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)成本、增強(qiáng)系統(tǒng)性能、滿足更多應(yīng)用場(chǎng)合的需要。力，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高精度多速度控制，達(dá)到了性能指標(biāo)要求。

　　

【正文】 1 0k1k1 0k1 0k1 0k1 0k1 . 0 F1 . 0 F1 . 0 F1 0k1 0k1 0k1 0k1 0k1 0k 圖 顯示和鍵盤(pán)輸入電路圖 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 18 ZLG7289A 應(yīng)連接共陰式數(shù)碼管，應(yīng)用中，無(wú)需用到的數(shù)碼管和鍵盤(pán)可以不連接 ,省去數(shù)碼管和對(duì)數(shù)碼管設(shè)置消隱屬性均不會(huì)影響鍵盤(pán)的使用。 如果不用鍵盤(pán)，則典型電路中連 接到鍵盤(pán)的 8 只 10K 電阻和 8 只 100K 下拉電阻均可以省去，如果使用了鍵盤(pán)，則電路中的 8 只 10K 電阻和 8 只 100K 下拉電阻均不得省略，除非不接數(shù)碼管否則串入 DP 及 SASG 連線的 8 只電阻均不能省去。 實(shí)際應(yīng)用中， 8 只下拉電阻和 8 只鍵盤(pán)連接位選線 DIG0DIG7 的 8 只電阻（位選電阻），應(yīng)遵從一定的比例關(guān)系，下拉電阻應(yīng)大于位選電阻的 5 倍而小于其 50 倍，典型值為 10 倍。下拉電阻的取值范圍是 10K100K，位選電阻的取值范圍是 1K10K。在不影響顯示的前提下下拉電阻應(yīng)盡可能的取較小的值這樣可以提高鍵盤(pán)部分的抗干 擾能力。 因?yàn)椴捎醚h(huán)掃描的工作方式，如果采用普通的數(shù)碼管亮度有可能不夠，采用高亮或超高亮的型號(hào)可以解決這個(gè)問(wèn)題。數(shù)碼管的尺寸也不宜選的過(guò)大，一般字符高度不超過(guò) 1 英寸，如使用大型的數(shù)碼管應(yīng)使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路。 ZLG7289A 需要一外接晶體振蕩電路供系統(tǒng)工作，其典型值分別為 F=16MHz C=15P。如果芯片無(wú)法正常工作，請(qǐng)首先檢查此振蕩電路在印刷電路板布線時(shí)所有元件，尤其是振蕩電路的元件應(yīng)盡量靠近 ZLG7289A，并盡量使電路聯(lián)線最短。 ZLG7289A 的 RESET 復(fù)位端在一般應(yīng)用情況下可以直接和 VCC 相 連，在需要較高可靠性的情況下，可以連接一外部復(fù)位電路或直接由 MCU 控制。在上電或 RESET端由低電平變?yōu)楦唠娖胶螅?ZLG7289A 大約要經(jīng)過(guò) 1825MS 的時(shí)間才會(huì)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。上電后所有的顯示均為空，所有顯示位的顯示屬性均為顯示及不閃爍。當(dāng)有鍵按下時(shí)， KEY 引腳輸出低電平，此時(shí)，如果接收到讀鍵盤(pán)指令， ZLG7289A 將輸出所按下鍵的代碼。如果在沒(méi)有按鍵的情況下收到讀鍵盤(pán)指令。 ZLG7289A 將輸出 0FFH （ 255）。程序中盡可能地減少 CPU 對(duì) ZLG7289A 的訪問(wèn)次數(shù)，可以使得程序更有效率。因?yàn)樾酒?直接驅(qū)動(dòng) LED 數(shù)碼管顯示。電流較大且為動(dòng)態(tài)掃描方式，故如果該部分電路電源連線較細(xì)較長(zhǎng)，可能會(huì)引入較大的電源噪聲，干擾在電源的正負(fù)極并入 47U到 220U 的電容可以提高電路抗干擾的能力。 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路設(shè)計(jì) 位置測(cè)量元件是閉環(huán)控制系統(tǒng)中的重要部件之一，它的作用是檢測(cè)位移 (角位移或線位移 )并發(fā)出反饋信號(hào)，起著相當(dāng)于人眼的作用。一個(gè)完善的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，其定位精度和測(cè)量精度主要由測(cè)量元件決定，因此，高精度伺服系統(tǒng)對(duì)測(cè)量元件的質(zhì)量要求北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 19 相當(dāng)高。光電編碼器是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中必不可少的一種數(shù)字式速度和位置測(cè)量元件，被廣泛應(yīng)用于 微處理器控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)中。 光電編碼器 增量式光電編碼器有光源、光電轉(zhuǎn)盤(pán)、光敏元件、光電整形放大電路四部分組成。光電轉(zhuǎn)盤(pán)與被測(cè)軸聯(lián)接，光源通過(guò)光電轉(zhuǎn)盤(pán)的透光孔射到光敏元件上，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)光敏元件便發(fā)出與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)。為了適應(yīng)可逆控制以及轉(zhuǎn)向的判別，光電編碼器輸出兩路 (A 相、 B 相 )相隔 T/4 脈沖周期的正交脈沖若轉(zhuǎn)盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí) A相超前 B 相，則逆時(shí)針轉(zhuǎn) /時(shí) B 相超前 A 相。 增量式光電編碼器的分辨率是以編碼器軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的輸出信號(hào)基本周期數(shù)，也就是用脈沖數(shù) /轉(zhuǎn)表示的，并以此定義編碼器的分辨率，因此光電 轉(zhuǎn)盤(pán)上的槽或窗口數(shù)目等于編碼器的分辨率。本系統(tǒng)中選用了分辨率為 1024 編碼器。 整形辨相電路 為了實(shí)現(xiàn)可逆控制，用光電編碼器的波形實(shí)現(xiàn)可逆位置檢測(cè)時(shí)，必須將 A、 B 兩相方波形進(jìn)行的整形和辨相處理，產(chǎn)生出反映電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的脈沖信號(hào)。整形辨相電路如圖 所示，它是采用邏輯門(mén)組合電路的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)的，即將光電編碼器輸出的兩路信號(hào)，分別輸入到一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和一個(gè)非門(mén)，之后再將信號(hào)經(jīng)過(guò)一次與邏輯，得到反映電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)信號(hào) (CP+)和反轉(zhuǎn)信號(hào) (CP)。 圖 整形辨相電路 用邏輯表達(dá)示表示即為 : 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 20 BACP *?? （ ） BACP ??? （ ） 其中 A 為信號(hào) A 的單穩(wěn)觸發(fā)脈沖。整形辨相電路的波形如圖 所示。由圖可知，當(dāng) A 超前 B 到 T/4 周期時(shí)， CP+輸出信號(hào)，而 CP 沒(méi)有 信號(hào)輸出，相反，就只有CP 有信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的識(shí)別。 ABC P +C P ABABABC P +C P 圖 整形辯相波形 由于本系統(tǒng)不需要測(cè)量電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。因此只需將正轉(zhuǎn)信號(hào) CP+接入單片機(jī)的CO 端口即可測(cè)量各階段的轉(zhuǎn)速。 本章小結(jié) 本章討論了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的原則 。依據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)了各功能模塊電路說(shuō)明各模塊電路的連接方法 。著重分析了 D/A 轉(zhuǎn)換電路、鍵盤(pán) 顯示電路、轉(zhuǎn)速測(cè)量電路、單片機(jī)與上位機(jī)串行電路通訊 電路 的原理。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 21 4 軟件設(shè)計(jì) 引言 隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器正逐步走向成熟 ，它的主導(dǎo)思想是利用軟件代替和簡(jiǎn)化硬件，利用基本的硬件電路和軟件技術(shù)達(dá)到系統(tǒng)多功能集成和容易修改的要求。本文在 前面 搭建了一個(gè)較為簡(jiǎn)單的硬件電路，系統(tǒng)功能的主要實(shí)現(xiàn)依靠軟件的設(shè)計(jì)來(lái)完成的。本系 統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為若干個(gè)模塊，分別實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能 。 模糊 PID調(diào)速 在直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 ,大多采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的常規(guī) PID控制技術(shù)。由干電機(jī)本身是一個(gè)非線性的被控對(duì)象，許多拖動(dòng)負(fù)載含有彈性或間隙等非線性因素 ,所以被控制對(duì)象的參數(shù)變化與非線性特性，使得線性的常參數(shù)的 PID調(diào)節(jié)器常常顧此失彼，難以使 系統(tǒng)在各種情況下都能保持設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo)，系統(tǒng)的魯棒性差，難以滿足高精度、快響應(yīng)的控制要求。 模糊控制是一種較為典型的智能控制方法，其最大的特點(diǎn)是將專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示為語(yǔ)言控制規(guī)則，并用這些控制規(guī)則去控制系統(tǒng)，這樣可以不依賴被控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，對(duì)被控制對(duì)象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性。 模糊控制過(guò)程 要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言控制的模糊邏輯控制器，就必須解決三個(gè)基本問(wèn)題。第一是先通過(guò)傳感器把要監(jiān)測(cè)的物理量變成電量，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器把它轉(zhuǎn)換成精確的數(shù)字量，精確輸入量輸入至模糊邏輯控制器后，首先要把這些精確的輸入量轉(zhuǎn)換成模糊 集合的隸屬函數(shù)，這一步稱為精確量的模糊化。第二是根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或者專家制定出模糊規(guī)則，并進(jìn)行模糊邏輯推理，以得到一個(gè)模糊輸出集合即一個(gè)新的模糊隸屬函數(shù)，這一步稱為模糊規(guī)則形成和推理。第三是根據(jù)模糊邏輯推理得到的輸出模糊隸屬函數(shù)，用不同的方法找一個(gè)具有代表性的精確值作 為控制量，這一步稱為模糊輸出量的反模糊化。模糊邏輯控制器的結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 模糊控制結(jié)構(gòu) 模糊化 反模糊化 模糊推理 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 22 通常控制總是用系統(tǒng)的實(shí)際輸出值與設(shè)定的期望值相比較，得到一個(gè)偏差值 E，控制器根據(jù)這個(gè)偏差值來(lái)決定如何對(duì)系統(tǒng)加 以調(diào)整控制。很多情況下還需要根據(jù)該偏差的變化率 EC 來(lái)進(jìn)行綜合判斷。無(wú)論是偏差還是偏差變化率，它們都是精確的輸入值，要采用模糊控制技術(shù)就必須首先把它們轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)。定義輸入量的隸屬函數(shù)可采用吊鐘形、梯形和三角形，理論上吊鐘形最為理想，但是為了簡(jiǎn)化計(jì)算，現(xiàn)在常用的是三角形，其次是梯形。為了實(shí)現(xiàn)模糊控制器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通常把偏差和偏差變化率的變化范圍設(shè)定為 [+6，一 6]區(qū)間連續(xù)變化量，使之離散化，構(gòu)成含13 個(gè)整數(shù)元素的離散集合 :{6， 5， 4， 3， 2， l， 0， l， 2， 3， 4， 5， 6}。再把在 區(qū)間 [+6， 6]上的量根據(jù)需要?jiǎng)澐殖扇舾傻燃?jí)，每個(gè)等級(jí)作為一個(gè)模糊變量，并對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集合或者隸屬函數(shù)。習(xí)慣上可以分為八個(gè)等級(jí) : “正大 ”(PB)，可取在 +6 附近 。 “正中 ”(PM)，可取在 +4 附近 。 “正小， (PS)，可取在 +2 附近 。 “正零 ”(PZ)，可取在比零稍大一點(diǎn)的地方 。 “負(fù)零 ”(NZ)，可取在比零少小一點(diǎn)的地方 。 “負(fù)小 ”(NS)，可取在 2 附近 。 “負(fù)中 ”(NM)，可取 在 4 附近 “負(fù)大 ”(NB)，可取在 6 附近。 如果需要簡(jiǎn)化，可以把 “正零 ”和 “負(fù)零 ”合并為 “零 ”（ ZO）取七個(gè)等 級(jí)。 例如定義輸入量的隸屬函數(shù)選取三角形隸屬函數(shù) (取五個(gè)等級(jí) )，如圖 所示 。精確輸入量模糊化方法就是對(duì)論域中的每一個(gè)取值對(duì)不同的模糊語(yǔ)言集合或隸屬函數(shù)有不同的隸屬度。例如變換后的值是 5，它對(duì) “負(fù)大 ”的隸屬函數(shù)的隸屬度是 ，對(duì) “負(fù)小 ”的隸屬函數(shù)的隸屬度是 ，對(duì)其他隸屬函數(shù)的隸屬度都是 0，諸如此類就完成了對(duì)精確輸入量的模糊化過(guò)程。輸出控制量模糊化和輸入量模糊化方法類似。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 23 圖 E（ EC）隸屬函數(shù) 模糊規(guī)則的形成是根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或者專家的控制知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)制定出若干模糊控制規(guī)則，如果 E 和 EC 都分為 7 個(gè)等級(jí)的話，那么就可以形成 49 條規(guī)則。 “如果A 且 B,那么 C（ IF A AND B THEN C） ”類型的推理規(guī)則是模糊控制器最常用的規(guī)則形式 。 E 和 EC 的模糊關(guān)系 R 表示為 R=(EEC)。 U 。 如果現(xiàn)在輸入為 E*和 EC*，根據(jù)模糊推理合成規(guī)則，模糊控制器輸出的模糊控制量 U*及其隸屬度八 ， μU*(z)為 : RECEU ?)( *** ?? （ ） 目前設(shè)計(jì)的模糊控制 器基本上都是采用這種方式，即在模糊控制過(guò)程中，同時(shí)要把偏差和偏差的變化率作為模糊輸入量。這種方法不僅能保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，而且還可以減少超調(diào)量和振蕩現(xiàn)象。 模糊規(guī)則表如 表一 所示 6 3 0 +3 +6 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 24 表 模糊規(guī)則表 E EC NB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PB PB PM PS ZO NM PB PB PB PM PS ZO ZO NS PB PM PS PS ZO NS NS ZO PM PS PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NB PM ZO ZO NS NM NB NB NB PB ZO NS NM NB NB NB NB 通過(guò)模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合或者隸屬函數(shù)，但在實(shí)際使用中，特別是在模糊邏輯控制中，必須要用一個(gè)確定的值才能去控制伺服機(jī)構(gòu)。在推理得到的模糊集合中取一個(gè)相對(duì)最能代表這個(gè)模糊集合的單值的過(guò)程稱作反模糊化。反模糊化常用方法有三種最大隸屬度函數(shù)法、重心法和加權(quán)平均法 。 1） 最大隸屬度函數(shù)法 —取所有規(guī)則推理結(jié)果的模糊集合中隸屬度最大的那個(gè)元素作為輸出值，即 U0= maxμr(u)u∈ U 最大優(yōu)缺點(diǎn)是 :最大隸屬度函數(shù)法不考慮隸屬度函數(shù)的形狀，只關(guān)心其最大隸屬度值處的輸出值，丟掉許多信息，但計(jì)算簡(jiǎn)單。 2)重心法 —重心法就是取模糊集合隸屬函數(shù)曲線與基礎(chǔ)變量軸圍成面積的重心所對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)變量值作為確定值的方法，即取模糊集合隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)軸圍成面積的重心作為代表點(diǎn)。在輸出是離散值集合的情況下，控制作用可以用下式求得 : u= ???? ?nr rrnr r uuu 11 )(/)( ?? （ ） 3) 加權(quán)平均法 系數(shù)加權(quán)平均法的輸出如下 : u= ?? ?111 /)( kuk （ ） 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 25 這里權(quán)系數(shù) k，的選擇要根據(jù)實(shí)際情況而定，不同的系數(shù)決定著系統(tǒng)有不同的響應(yīng)特性。在模糊控制中，可以通過(guò)選擇和調(diào)整權(quán)系數(shù)來(lái)改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性，這種方法更具靈活性。 調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制模型 如圖 PID控制器結(jié)構(gòu)圖，采用模糊控制器產(chǎn)生系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)及積分系數(shù)。 圖 參數(shù)自整定模糊 PID 控制器 轉(zhuǎn)速環(huán)模糊控制器的設(shè)計(jì) 如圖 ,其輸入量為直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子角速度給定值和實(shí)際值的偏差 e以及偏差的變化量 de，其輸出為比例積分調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) KP和積分系數(shù) KI。 圖 參數(shù)自整定的模糊控制器