基于PID控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

目錄摘要.IAbstract.II第一章 前言11.1 課題研究背景11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)11.3 課題主要研究?jī)?nèi)容2第二章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)22.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案22.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)22.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊32.4 速度檢測(cè)模塊3 2.5 顯示模塊4第三章 PID算法及PWM控制技術(shù)53.1 數(shù)字PID53.2 直流電機(jī)的PWM控制技術(shù)63.2.1 PWM基本原理63.2.2 PWM脈寬調(diào)制介紹63.2.3 PWM的實(shí)現(xiàn)與工作方式7第四章 軟件設(shè)計(jì)84.1 主程序設(shè)計(jì)84.2 PID算法94.2 按鍵設(shè)置10第五章 結(jié)語(yǔ)11參考文獻(xiàn)12附錄1：原理圖13附錄2：PCB圖14附錄3：實(shí)物圖15基于PID控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)摘要：在現(xiàn)代工業(yè)控制以及生活中，直流電動(dòng)機(jī)儼然變成了不可減少的一部分了。小到各種小型玩具，大到各種儀器。應(yīng)用廣泛，必然需要精密的控制。而本課題主要研究基于PID的直流電機(jī)調(diào)速。系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為核心控制芯片，采用PID控制，輸出PWM脈沖信號(hào)，采用改變占空比的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)包含：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊、顯示模塊等。編程采用的是C語(yǔ)言，并用Altium Designer 10軟件進(jìn)行了原理圖與PCB圖的繪制。關(guān)鍵詞：AT89S52單片機(jī)；PID算法；PWM脈沖；占空比。The DC motor speed control system based on PID controlAbstract: In modern industrial control, and life, as if into a DC motor irreducible part of. Small variety of small toys, large variety of instruments. Widely used, necessarily requires precise control. And this issue is mainly based on PID DC motor speed control. System AT89S52 microcontroller as the core control chip, the use of PID control output PWM pulse signal, by changing the duty cycle of the methods to achieve the motor speed regulation. The design of the hardware system comprising: smallest single-chip systems, motor drive module, speed detection module, a display module. Using the C programming language, and with Altium Designer 10 software for drawing schematic and PCB map.Keywords:AT89S51 SCM PID algorithmPWM impulse duty ratios 第一章 前言1.1 課題研究背景對(duì)于直流電機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，KZ-D拖動(dòng)系統(tǒng)即采用可控硅裝置向電機(jī)供電是比較主流的技術(shù)。早期的控制系統(tǒng)采用的是發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其相當(dāng)?shù)谋恐亍WM脈寬調(diào)制技術(shù)，是目前已經(jīng)應(yīng)用的很成熟的技術(shù)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和單片機(jī)技術(shù)的成熟運(yùn)用，使得模擬化的直流電機(jī)過(guò)度到了數(shù)字化。通過(guò)電力電子技術(shù)中的橋式電路與微處理器進(jìn)行連接使用，由微處理器產(chǎn)生受占空比改變后的PWM脈沖波形。通過(guò)改變后的脈沖波形來(lái)控制加在電機(jī)兩端的電壓，從而來(lái)對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行控制。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)隨著新型磁材料地發(fā)現(xiàn)以及冷卻控制技術(shù)不斷提升，促進(jìn)了直流電機(jī)的產(chǎn)品變得多種多樣。一些直流電機(jī)在控制系統(tǒng)中添加了標(biāo)準(zhǔn)接口，其可確保兼容程序控制器與新型數(shù)字變換器。在國(guó)內(nèi)，因?yàn)閷?duì)電機(jī)的應(yīng)用比較少，所以直到很晚才對(duì)其開(kāi)始研究。受國(guó)外直流電機(jī)應(yīng)用潮流的影響，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了很多直流電機(jī)研發(fā)單位。對(duì)直流電機(jī)的研究取得很多成果的浙江大學(xué)電機(jī)研究所就是國(guó)內(nèi)首個(gè)對(duì)直流電機(jī)開(kāi)始研究的研究所了。2002年年底，隨著磁懸浮列車試運(yùn)行的成功，表明了國(guó)內(nèi)的直流電機(jī)的飛速發(fā)展。然而和國(guó)外的那些尖端技術(shù)相比，我們還存在著很多的不足。積極的發(fā)展些新穎的技術(shù)、新型的材料以及些不同的結(jié)構(gòu)，努力解決晶閘管整流時(shí)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的一系列問(wèn)題，比如切換振動(dòng)以及噪聲等各方面的問(wèn)題。在這些問(wèn)題的基礎(chǔ)上，我們必須要堅(jiān)持發(fā)展直流電機(jī)原有的良好特點(diǎn)。在優(yōu)勢(shì)不變的情況下使其能夠滿足各種機(jī)械所需要的不同要求，使系統(tǒng)更加的完善。在新型的電機(jī)系統(tǒng)上搭建上晶閘管整流電源系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出全新的能夠適應(yīng)晶閘管整流電源來(lái)供電的新型電動(dòng)機(jī)系列。1.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容本課題主要研究的是基于PID控制算法的直流電機(jī)調(diào)速。核心問(wèn)題就是如何通過(guò)PID算法來(lái)控制占空比從而生成特定的PWM脈沖波形，控制電機(jī)兩端的電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)中，需要將電機(jī)的速度傳回到單片機(jī)中，形成一個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制系統(tǒng)。這里采用的是霍爾元件來(lái)完成這一任務(wù)。人機(jī)交互采用的是數(shù)碼管和按鍵，按鍵作為參數(shù)的設(shè)定以及正反轉(zhuǎn)的控制，啟動(dòng)后通過(guò)數(shù)碼管來(lái)顯示電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速。本課題的硬件系統(tǒng)主要包含控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊、按鍵模塊和顯示模塊等。系統(tǒng)的軟件部分采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，其具有可移植性強(qiáng)、算法易于實(shí)現(xiàn)、能夠很方便的進(jìn)行調(diào)試和對(duì)程序進(jìn)行修改。第二章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案根據(jù)題目的給的任務(wù)和要求，設(shè)計(jì)了如圖2.1所示的系統(tǒng)框圖。圖中的控制模塊是該系統(tǒng)的重要核心部件，通過(guò)按鍵模塊以及顯示模塊作為系統(tǒng)的人機(jī)交互，通過(guò)按鍵將設(shè)定的速度以及電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)輸入到單片機(jī)中，然后從數(shù)碼管上得到相應(yīng)的值?？刂颇K將相應(yīng)的PWM脈沖發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，驅(qū)動(dòng)著直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，速度檢測(cè)模塊將檢測(cè)到的速度傳回到控制器模塊中。傳回的值與設(shè)定的值形成偏差，然后利用PID算法進(jìn)行偏差運(yùn)算，改變占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM脈沖的調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行速度的控制。按鍵模塊控制模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)顯示模塊速度檢測(cè)模塊圖2.1 系統(tǒng)框圖2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)本設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)是由AT89S52單片機(jī)與晶振電路以及復(fù)位電路所構(gòu)成的。其復(fù)位電路應(yīng)用的是按鍵復(fù)位來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的復(fù)位。此類單片機(jī)擁有很強(qiáng)的算術(shù)以及運(yùn)算功能，他的自由度很高、編程靈活。這些特點(diǎn)使其能夠很好的完成各種不同需要的算法以及邏輯的控制。憑借著小體積、低耗能、以及技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，使得單片機(jī)在各個(gè)不同領(lǐng)域都有著廣泛的使用。圖2.2 最小系統(tǒng)2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用的是H橋式驅(qū)動(dòng)電路。之所以被叫做H橋，是因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)形狀很想字母H。該電路是由4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)組成。由驅(qū)動(dòng)電路可知，當(dāng)電路通電的時(shí)候只有對(duì)角線上的三極管會(huì)被導(dǎo)通。因此不同對(duì)角線的導(dǎo)通意味著流過(guò)的電流方向就不同了。所以控制電流流經(jīng)電機(jī)的方向就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向了。 圖2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)2.4 速度檢測(cè)模塊本系統(tǒng)的速度檢測(cè)模塊，采用的是霍爾元件，該元件是由其內(nèi)部的三片霍爾金屬板所組成。只有在金屬板產(chǎn)生橫向?qū)〞r(shí)，即磁鐵與金屬板正對(duì)著的時(shí)候形成霍爾效應(yīng)，才能產(chǎn)生頻率信號(hào)。因此，可以在電機(jī)上安裝磁鐵，將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過(guò)對(duì)金屬板導(dǎo)通是頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)來(lái)進(jìn)行電機(jī)速度的檢測(cè)。圖2.4 速度采集2.5 顯示模塊在對(duì)系統(tǒng)設(shè)置以及在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需要對(duì)設(shè)置的參數(shù)以及電機(jī)的速度進(jìn)行顯示。因此選用驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定且在低電壓的情況下就有高亮度，功耗小的數(shù)碼管。只需簡(jiǎn)單的硬件電路就能實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的功能，且其編程簡(jiǎn)單，能夠滿足系統(tǒng)所需的顯示速度的要求。圖2.5 數(shù)碼管顯示第三章 PID算法及PWM控制技術(shù)3.1 數(shù)字PID在DDC系統(tǒng)中，控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完成。所以，數(shù)字控制的設(shè)計(jì)實(shí)際是計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)。PID調(diào)節(jié)器的離散化差分方程為： （1.1）由上式可知，當(dāng)偏差為零時(shí)為初值。 稱作比例（P）項(xiàng)，起比例作用。 稱作積分（I）項(xiàng)，起積分作用。 稱作微分（D）項(xiàng)，起微分作用。這三種作用可以單獨(dú)使用也可以合并使用，常用的組合有：P控制 ：（1.2）PI控制：。（1.3）PD控制：（1.4）PID控制：式（1.1）的輸出量u(n)為全輸出量，對(duì)應(yīng)著每次采樣時(shí)刻應(yīng)該要達(dá)到的位置。因此式（1.1）又稱為位置型PID算式。由（1.1）可以看出，位置型算式不簡(jiǎn)便，是因?yàn)樗鄯e偏差，不僅需要占用很多的存儲(chǔ)單元，而且不易于編寫(xiě)程序，因此對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)式（1.1）可以看出u(n-1)的表達(dá)式，即（1.5）將式（1.1）和（1.5）相減，便可以得到數(shù)字PID增量型控制算法為：（1.6）從上式可以得到數(shù)字PID位置型控制算法為：（1.7）式中：為比例增益為積分增益為微分增益3.2 直流電機(jī)的PWM技術(shù)調(diào)節(jié)電樞的供壓，減弱勵(lì)磁的磁通以及電樞回路中電阻的改變，是目前直流電機(jī)最主要的三種調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式。這三種調(diào)速方式都有其各自的特點(diǎn)也有其各自的缺點(diǎn)。電樞回路中電阻的改變只能讓電機(jī)完成有級(jí)調(diào)速。減弱勵(lì)磁的磁通時(shí)，雖然電機(jī)能夠平滑的調(diào)節(jié)速度，但其速度的調(diào)節(jié)范圍比較小，且其需要和變壓調(diào)速一起使用。所以在直流電機(jī)調(diào)速中，一般使用的都是變壓調(diào)速。直流PWM的調(diào)速系統(tǒng)就是變壓調(diào)速中的一種。因?yàn)樗哂斜容^高的開(kāi)關(guān)頻率，所以單靠電樞電感來(lái)過(guò)濾波形就可以得到很穩(wěn)定的電流。他低速時(shí)的特性和穩(wěn)態(tài)時(shí)的精度都比較好。此外，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率比較高，使得對(duì)系統(tǒng)能夠快速的響應(yīng)。在動(dòng)態(tài)環(huán)境下具有很強(qiáng)的抗干擾能力。伴隨著電力電子的不斷發(fā)展，直流電機(jī)的PWM技術(shù)也得到了飛快的發(fā)展。隨著現(xiàn)代科學(xué)迅速的發(fā)展，大規(guī)模、高精密的集成電路取代了模擬電路與數(shù)字電路。集成電路的發(fā)展讓數(shù)字調(diào)制技術(shù)逐漸的發(fā)展起來(lái)。目前，脈寬調(diào)制技術(shù)在大部分的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中被使用。用微處理器將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速將是電機(jī)發(fā)展的一個(gè)主要方向。采用微處理器與集成電路的結(jié)合，使得系統(tǒng)中的模擬信號(hào)都轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)的精確使電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候精度能夠達(dá)到一個(gè)比較高的水平。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)他的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能也能很好的滿足工業(yè)中的各種要求。3.2.1 PWM基本原理PWM脈寬調(diào)制是一種將微處理器所輸出的數(shù)字信號(hào)作為控制模擬電路的一種有效技術(shù)。通過(guò)這種用數(shù)字化控制模擬電路的方式，可以在很大程度上減小系統(tǒng)的成本和系統(tǒng)的功耗，另外，在許多的微處理器芯片上都設(shè)置了PWM的控制器，這樣的設(shè)計(jì)讓系統(tǒng)的控制能夠更好的被實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，PWM就是將模擬信號(hào)的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號(hào)的方法，通過(guò)改變波形的占空比來(lái)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。因?yàn)镻WM信號(hào)的數(shù)字性，使得輸出的電流信號(hào)時(shí)刻都是滿幅值的要么就有電流，要么就沒(méi)有，不會(huì)出現(xiàn)得到的電流不相同的情況。3.2.2 PWM脈寬調(diào)制介紹PWM脈寬調(diào)制技術(shù)是一種對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，得到所需波形的技術(shù)。主要的就是改變占空比的值了。他的計(jì)算公式為： 在保持電源的電壓恒定時(shí)，電樞電壓的平均值就可以由公式得出：。為平均值，為最大值。從上式可以看出，改變占空比就可以使電樞的電壓發(fā)生改變。電機(jī)的控制就是由電樞電壓控制的。 脈沖信號(hào)tT圖3.1 PWM脈沖信號(hào)圖-最大值-平均值-最小值圖3.2 PWM波形圖從公式來(lái)看，有三種方法來(lái)改變占空比：（1）不變，改變，使周期改變。（2）不變，改變，使周期改變。（3）保持不變，使、同時(shí)改變。目前用的比較多的就是第三種方法了，前面的兩種在實(shí)際中用的比較少。3.2.3 PWM的實(shí)現(xiàn)與工作方式PWM在實(shí)現(xiàn)上有軟件延時(shí)和定時(shí)技術(shù)兩種方式。軟件延時(shí)是通過(guò)改變輸出端口的高低電平的時(shí)間值可以改變占空比進(jìn)而調(diào)速。從理論上來(lái)講，軟件上的延時(shí)能比較容易的實(shí)現(xiàn)，但他所需要用到的系統(tǒng)上的資源比較多，使得在用的時(shí)候不是很方便。然而用定時(shí)計(jì)數(shù)的時(shí)候就比較的簡(jiǎn)單了，只要單片機(jī)定時(shí)的產(chǎn)生PWM脈沖，實(shí)現(xiàn)脈沖的輸出就可以了，況且他占用的資源很少。PWM在工作的時(shí)候采用的是單極性的工作方式。單片機(jī)的一個(gè)端口輸出低電平，另一個(gè)端口輸出PWM脈沖信號(hào)。只要對(duì)PWM脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)制以及對(duì)兩個(gè)端口進(jìn)行切換都可以控制著電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。第四章 軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序設(shè)計(jì)該系統(tǒng)采用的是AT89S52單片機(jī)作為控制核心來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。給系統(tǒng)上電后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，然后判斷設(shè)置鍵是否按下，如果判斷到按下的話，就進(jìn)入按鍵子程序進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。通過(guò)對(duì)按鍵的設(shè)置后，啟動(dòng)，電機(jī)就會(huì)根據(jù)設(shè)置的開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)測(cè)速模塊將電機(jī)的速度傳到單片機(jī)，同時(shí)數(shù)碼管對(duì)當(dāng)前的速度進(jìn)行顯示。而反饋回單片機(jī)中的值將與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差，然后用PID算法對(duì)偏差進(jìn)行處理，不斷的修改直到電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度達(dá)到所設(shè)定的值。開(kāi)始初始化KEY?=1設(shè)置測(cè)速測(cè)量值是否等于設(shè)定值PID處理顯示圖4.1 主程序流程圖4.2 PID算法本設(shè)計(jì)的核心就是PID算法了，他根據(jù)速度檢測(cè)裝置反饋采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差,通過(guò)P、I、D運(yùn)算將得到的偏差進(jìn)行處理，對(duì)PWM脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)，進(jìn)而來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其運(yùn)算公式為：PID算法處理流程圖如圖4.2所示。 計(jì)算計(jì)算計(jì)算返回圖4.2 PID算法流程圖4.3 按鍵設(shè)置程序系統(tǒng)上電后，首先對(duì)期望的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置。按下設(shè)置鍵后只需調(diào)節(jié)按鍵加或按鍵減鍵，調(diào)到所期望的值，然后再次按下設(shè)置鍵。根據(jù)需要按下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)電機(jī)即開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可以隨時(shí)更改方向，只需按下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)按鍵即可。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是如需停止的話，按下停止鍵電機(jī)即可停止運(yùn)轉(zhuǎn)，停止后如需再次運(yùn)轉(zhuǎn)的話，只需