【正文】 最新發(fā)展成就。其中電機(jī)的控制部分已經(jīng)由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制，形成數(shù)字與模擬的混合控制系統(tǒng)和純數(shù)字控制系統(tǒng)，并正向全數(shù)字控制方向快速發(fā)展。目前開關(guān)速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成為主流。脈寬調(diào)制控制方法在直流調(diào)速中獲得了廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入70年代以來，體積小、耗電少、成本低、速度快、功能強(qiáng)、可靠性高的大規(guī)模集成電路微處理器已經(jīng)商品化，把電機(jī)控制推上了一個(gè)嶄新的階段，以微處理器為核心的數(shù)字控制（簡稱微機(jī)數(shù)字控制）成為現(xiàn)代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制器的主要形式。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)直流電氣傳動(dòng)在起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面都提出了更高的要求，這就要求大量使用直流調(diào)速系統(tǒng)。 本論文研究內(nèi)容本次設(shè)計(jì)主要研究的是直流控制系統(tǒng)的PID調(diào)速，縱所周知運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)最主要的控制對(duì)象是電機(jī)，在不同的生產(chǎn)過程中，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)要滿足生產(chǎn)要求，其中電機(jī)速度的控制在占有至關(guān)重要的作用，因此本次設(shè)計(jì)主要是利用PID控制技術(shù)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。同時(shí)利用光電傳感器將電機(jī)速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機(jī)中，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、速度檢測模塊、人機(jī)交互模塊。2 直流調(diào)速及PWM控制原理 直流電機(jī)調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)勵(lì)磁方式不同，直流電動(dòng)機(jī)分為自勵(lì)和他勵(lì)兩種類型。但是對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式： 其中：U—電壓；—?jiǎng)?lì)磁繞組本身的電阻；—每極磁通(Wb)；Cc—電勢常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量。磁場控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時(shí)受到磁極飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。 直流電機(jī)的工作原理圖電樞控制是在勵(lì)磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號(hào)加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。隨著電力電子的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法。[10]調(diào)壓調(diào)速法具有平滑度高，能耗少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。 PWM脈寬調(diào)制原理PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過對(duì)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）的技術(shù)。占空比D表示了在一個(gè)周期里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值，變化范圍為0≤D≤1。在PWM調(diào)速時(shí)，占空比是一個(gè)重要參數(shù)。（2）調(diào)寬調(diào)頻法：保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。[10]前2種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此應(yīng)用較少。定頻調(diào)寬法是利用一個(gè)固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。目前提出的控制算法有很多。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明，PID控制能夠滿足相當(dāng)多工業(yè)對(duì)象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最為廣泛的控制算法之一。[13] 模擬PID控制在模擬控制系統(tǒng)中，PID控制是應(yīng)用最為廣泛的，為了說明控制器的工作原理，以小功率直流電機(jī)做一個(gè)例子。 小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，改系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。所以PID模擬器的控制規(guī)律為： （式 1－2） 其中： Kp 控制器的比例系數(shù) Ti 控制器的積分時(shí)間，也稱積分系數(shù) Td 控制器的微分時(shí)間，也稱微分系數(shù) 模擬PID控制系統(tǒng)原理圖 PID控制由反饋系統(tǒng)偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）的線性組合而成，這3種基本控制規(guī)律各具特點(diǎn)。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設(shè)計(jì)，實(shí)際上是計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)。但是這種轉(zhuǎn)換并不是將模擬控制器的D(s)簡單的進(jìn)行Z變換得到的數(shù)字控制系器D(z)，而是通過一定離散方法使兩者有近似的動(dòng)態(tài)特性和頻率響應(yīng)特性。： 數(shù)字PID位置型控制示意圖 數(shù)字PID增量型控制示意圖 PID參數(shù)整定方法PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。 利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。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，其中通過鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機(jī)中，并且通過控制器顯示到顯示器上。[9] 系統(tǒng)框圖根據(jù)設(shè)計(jì)的要求控制器要實(shí)現(xiàn)的功能有：對(duì)鍵盤IO口狀態(tài)的實(shí)時(shí)讀取，LCD1602液晶屏的控制，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集與處理以及通過PID運(yùn)算控制脈沖占空比。方案一：以ATmega16芯片為控制核心，ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。但考慮到本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不是特別高，PWM脈沖可以用定時(shí)器產(chǎn)生，用ATmega16不能充分體現(xiàn)出其性能，而且價(jià)格偏高，編程與51內(nèi)核單片機(jī)有所區(qū)別；初學(xué)者不容易掌握。本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題只要對(duì)鍵盤接口信號(hào)處理，LCD1602顯示屏數(shù)據(jù)的讀寫，PWM脈沖信號(hào)的產(chǎn)生以及電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集與計(jì)算；[4]對(duì)數(shù)據(jù)處理速度要求不是特別高，以AT89S52芯片為控制核心足以勝任。對(duì)比以上的兩個(gè)方案可以明顯的看出本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題采用AT89S52為控制器核心比較合適，兼顧了速度與經(jīng)濟(jì)性。 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案本畢業(yè)設(shè)計(jì)需要兩種類型的的直流電壓源：第一，各芯片與顯示部分的工作電壓，電壓值為+5V波動(dòng)值不能超過正負(fù)1%；第二，加在L298N上的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓+12V，電壓波動(dòng)不能超過正負(fù)2%，根據(jù)性能要求有以下兩種方案。方案二：采用整流電路提供+5V，+12V電源；主要元件有12V交流輸出變壓器，整流橋，濾波電容，集成穩(wěn)壓塊W7805，W7812。對(duì)比以上的兩個(gè)方案采用整流穩(wěn)壓提供電源的方案二最合適。方案一：采用達(dá)林頓管組合電路構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低、易實(shí)現(xiàn)，但由于在驅(qū)動(dòng)電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路復(fù)雜、抗干擾能力差、可靠性下降，我們知道在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐過程中可靠性是一個(gè)非常重要的方面。方案二：采用專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，例如L298N、ULN2003等電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，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?cè)趹?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。[8]出于安全，可靠及電路設(shè)計(jì)復(fù)雜程度考慮；采用專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的方案二適合作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊。按照設(shè)計(jì)要求有以下兩種設(shè)計(jì)方案。[5]但是價(jià)格偏高比較適用于工業(yè)上的轉(zhuǎn)速測試。其檢測方式為：發(fā)射器和接受器相互對(duì)射安裝，發(fā)射器的光直接對(duì)準(zhǔn)接受器，當(dāng)測物擋住光束時(shí)，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測物被檢測到。本設(shè)計(jì)通過套在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的60線碼盤配合再經(jīng)脈沖整形電路變成規(guī)則的脈沖，因此電路圖的設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)。 顯示模塊設(shè)計(jì)方案此模塊的功能為：可以顯示電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速，并且顯示亮度可調(diào)。方案一：采用數(shù)碼管顯示電路，顯示的亮度高，易于編程并且價(jià)格比較便宜。速度的顯示需要的字符在數(shù)碼管上顯示不出來。方案二：采用LCD1602顯示電路，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。對(duì)比以上兩種設(shè)計(jì)方案，方案二最適合本設(shè)計(jì)。注意按鍵抖動(dòng)部分的處理。K1按鍵用于控制電機(jī)的啟停，按第一次電機(jī)啟動(dòng)，按第二次電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。K3按鍵每按下一次速度設(shè)定值加100，設(shè)定速度上限值為3000/min，K4按鍵每按下一次速度設(shè)定值減100，設(shè)定速度下限值為1500/min。經(jīng)過上述的分析與論證，系統(tǒng)各模塊采用的方案如下：（1）控制模塊： 采用AT89S52單片機(jī)（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊： 采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N實(shí)現(xiàn)（3）速度采集模塊： 采用光電傳感器（4）顯示模塊： 采用標(biāo)準(zhǔn)的41鍵盤（6）電源模塊： 資源分配圖如下： 系統(tǒng)硬件組成圖 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)電源是電路中必不可少的一部分，根據(jù)控制要求+12V電壓用于驅(qū)動(dòng)模塊，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；+5V提供芯片工作電壓與液晶屏顯示用電源。： 穩(wěn)壓電源電路圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是系統(tǒng)中很重要的一環(huán)，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L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該