直流电机转速分段pid控制的单片机实现 大学毕业设计.docx

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直流电机转速分段pid控制的单片机实现大学毕业设计

摘要

本设计采用微控制器AT89S52完成小型直流电机转速的采集、计算、显示、键盘设定等功能。

并将非均匀采样情况下的增量式积分分离PID控制算法应用于直流电机的PWM调速，实现了对电机转速的测量和分段控制，解决了通常低采样周期时系统的超调问题。

在设计过程中主要包括了以下两个方面的内容：

一是直流电动机调速理论的研究及其控制器的理论设计，二是控制电路的仿真和硬件设计。

设计结果表明采用分段PID控制具有算法简单快速性能好动态恢复特性快的特点。

对调速系统的研究及以后同类系统的设计开发提供了一定的参考。

关键词：

直流调速系统；PID控制；AT89S52；PWM

Abstract

ThisdesignusesmicrocontrollerAT89S52tocompleteperformancessuchassampling，calculating，displaying，andkeyboardsettingofrotationalspeedforsmallDCelectromotor.Undersituationofnon-uniformsampling，theincrementtypeintegralseparationPIDcontrolalgorithmhasbeenappliedinthePWMspeedregulationforDCelectromotor，whichcanrealizemeasuringandsectionalcontrollingoftheelectromotorrotationalspeed，andhassolvedthegeneralovershootproblemwithlowsamplingperiod.Thepapermainlyincludestwoaspects.ThefirstaspectistheprincipleresearchinthespeedregulationsystemofDCelectromotoranddesignofit.Thesecondaspectissimulationofcircuitandhardwaredesign.Theresultsofdesignhaveindicatedthat，withsectionalPIDcontroller，thesystemhasfeaturesincludingsimplealgorithm，goodrapidity，fastdynamicrecoveryperformances.Thepaperofferssomeconsultsforresearchingsystemofspeedregulationanddesignofsimiliarsystem.

Keywords　DCspeedregulationsystem;PIDcontrol;AT89S52;PWM

1绪论

1.1课题来源及研究背景

目前见到的许多关于直流电机的测速与控制中虽然能实现直流电机的无级调速，但还存在一些问题如无法与计算机直接接口许多较为复杂的控制算法无法，在不增加硬件成本的情况下实现控制器的人机界面不理想。

总的来讲控制器的智能化程度不高可移植性差。

虽然采用PWM芯片来实现电机无级调速的方案成本较低，但当控制器针对不同的应用场合增加多种附加功能时，其灵活性不够而且反而增加硬件的成本。

还有一些使用PLC控制器或高档处理器芯片（如DSP器件）的文献，它们虽然具有较高的控制性能，但由于这些高档处理器价格过高需要更多的外围器件因此也不具备在通常情况下大规模使用的条件。

从发展趋势上看，总体的研究方向是提出质量更高的算法和调速方案以及在考虑成本要求的前提下，选择适合这种算法的核心控制器。

直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通开环控制或单闭环的直流电动机可靠性差需要经常维护；开环控制加负载时电流增大负载转矩也将加大转速只能降下来，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。

单闭环调速系统的启动加速时间又过长，为了克服直流电机开环工作时增加负载而导致速度降过大或闭环启动时加速时间过长等不利因素，双闭环直调速系统便应用而生。

双闭环控制直流电动机不仅使直流电动机有着良好的动、静态调速特性且运行可靠、易于控制。

其应用从最初的军事工业向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。

伺服系统又称位置随动系统它要求实现快、稳、准的位置控制。

普通的伺服电机通常转速较高而转矩较小，在系统中作为执行元件去拖动负载时都必须经过齿轮减速装置，但由于齿隙的影响往往使系统的精度和稳定性下降。

因此为了减小甚至消除误差简化系统结构提高精度和稳定性达到少用或不用减速器的目的，就研制并应用了力矩电动机。

它具有低转速、大转矩和高精度等特点可以满足伺服系统更高性能要求。

另外采用双闭环控制电路控制电机运行可进一步提高系统的可靠性同时也符合“无刷化、稀土化、同步化”的发展趋势。

1.2直流电动机的发展与现状

一个多世纪以来双闭环调速系统一直被广泛应用着电动机，作为机电能量转换装置其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。

电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦大至上万千瓦。

但它们工作的时候都离不开速度调节或是转矩调节。

众所周知直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围致使目前工农业生产大多数均采用三相异步电动机。

随着社会生产力的发展人们生活水平的提高需要不断地开发各种新型电动机。

科学技术的进步新技术新材料的不断涌现更促进了电功机产品的不断推陈出新。

针对上述传统直流电动机的弊病早在本世30年代就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的直流无刷电动机，并取得了一定成果但由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段没能找到理想的电子换相元器件，使得这种电动机只能停留在实验室研究阶段而无法推广使用。

1955年美国D.哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利，这就是现代直流无刷电动机的雏形，但由于该电动机尚无起动转矩而不能产品化后，又经过人们多年努力借助于霍尔元件来实现换相的直流无刷电动机。

终于在1952年问世，从而开创了直流无刷电动机产品化的新纪元。

70年代以来随着电力电子工业的飞速发展许多新型的高性能半导体功率器件如GTRMOSFET，IGBT等相继出现，以及高性能永磁材料如钐钴、铁硼等的问世均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。

由于直流无刷电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点故在当今国民经济各个领域如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。

如计算机硬盘驱动器和软盘驱动器里的主轴电动机、录象机中的伺服电动机均数以百万计地运用直流电动机。

1.3直流电机调速系统

根据设计任务要求调速采用PID控制器，因此需要设计一个闭环直流电机控制系统。

该系统采用脉宽调速使电机速度等于设定值并且实时显示电极的转速值。

通过对设计功能分解设计方案论证可以分为：

系统结构方案论证，速度测量方案论证，电机驱动方案论证，键盘显示方案论证，PWM软件实现方案论证。

采用转速负反馈和PID调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环调速系统中只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流

值以后靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。

带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1.1a所示。

当电流从最大值降低下来以后电机转矩也随之减小因而加速过程必然拖长。

a）带电流截止负反馈的单闭环b）双闭环理想快速启动过程

调速系统的启动过程

图1.1调速系统启动过程的电流和转速波形

对于像龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。

为此在电机最大电流（转矩）受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动到达稳态转速后，又让电流立即降低下来使转矩马上与负载相平衡从而转入稳态运行。

这样的理想起动过程波形示1.1b，这时起动电流呈方形波而转速是线性增长的。

这是在最大电流（转矩）受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

实际上由于主电路电感的作用电流不能突跳图1.1b所示的理想波形，只能得到近似的逼近不能完全实现。

为了实现在允许条件下最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值

的恒流过程。

按照反馈控制规律采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就应该能得到近似的恒流过程。

问题是希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈不再靠电流负反馈发挥主要的作用。

1.4数字PID技术概述

现代控制理论在兴旺发达的六七十年代，曾有不少学者预言终会有那么一天，现代控制理论给出的新型控制器将会取代经典调节理论给出的PID调节器。

然而这三十多年的控制工程实践中并没有应验那些学者们的预言。

PID调节器仍顽强地固守着自己的阵地，现代控制理论提供的控制器却遇到了不易克服的适应性、鲁棒性等难题而处于控制工程中的劣势地位。

1990年的一个调查报告指出，至今在过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%。

现代控制理论的三十多年努力对过程控制的贡献还不到10%。

从某种意义上讲，现代控制理论在分析控制系统的结构性质方面是成功的，是一个很好的分析工具。

然而现代控制理论所提供的控制器设计方法完全靠对象的数学模型，而且还被“微分器物理不可实现”所束缚。

由于不能简单地提取微分信号而不得不依靠数学模型来提取状态变量信息。

其结果遇到了适应性、鲁棒性等难题而应用受到了限制。

可以说现代控制理论并没有提供实用的控制器设计方法。

相反经典调节理论不从系统的数学模型出发，而以消除误差和外扰为目的，用减少误差和抵消外扰的几种（固定形式的）不同手段的组合来组成PID控制器。

而且经典调节允许使用微分器，因此它基本上摆脱了数学模型的约束其实用性较强，是连续控制系统中用得最广泛的控制器之一，为广大工程技术人员和操作人员所接受和熟悉。

然而实际工业过程控制往往具有非线性、时变不确定性同时又受到参数整定方法繁杂，困扰常规PID控制器不能达到理想的控制效果。

针对这些问题，长期以来人们一直在寻求PID控制器参数的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。

随着微处理机技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，这种设想已变成了现实。

同时现代控制理论研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径。

近年来出现了许多将现代控制理论与传统PID调节相结合的新型控制器，如自适应PID控制器、智能PID控制器、模糊PID控制器和神经网络PID控制器等等。

由于计算机的强大处理功能和程序调整的灵活性是传统的模型控制器所不能比拟的，所以现在应用计算机技术不但推出了许多新型的控制器和控制设备，而且许多传统控制器已被改造成计算机控制器。

模拟化设计法把计算机系统假想为连续控制系统，这种设计方法可以利用成熟的连续控制系统的设计方法，进行综合设计把连续控制器的数学模型变换到离散域，再由计算机来完成控制器的任务。

因为各种变换方法都是采用近似逼近法，所以这种方法设计的计算机控制系统性能只能与原连续控制系统性能接近但不会超过。

逼近的精度与被变换的连续数学模型及采样周期大小有关。

其中采样周期的影响更大采样周期相对较小时逼近程度才较好，所以在应用中应注意采样周期的选取。

1.5本文内容及章节安排

第1章是绪论讲述直流电机、数字PID技术的背景及工作原理；第2章是讲述直流电机转速分段PID控制的单片机的实现方案设计；第3章具体分析了各个模块和硬件电路；第4章讲述了系统各个程序的实现；第5章讲述了数字PID的算法和改进；第6章则对系统的调试进行了改进。

最后是本文的结论。

2直流电机转速分段PID控制的单片机实现方案

2.1整体方案设计

根据设计任务要求调速采用PID控制器，因此需要设计一个闭环直流电机控制系统。

该系统采用脉宽调速使电机速度等于设定值并且实时显示电极的转速值。

通过对设计功能分解设计方案论证可以分为：

系统结构方案论证，速度测量方案论证，电机驱动方案论证，键盘显示方案论证，PWM软件实现方案论证。

2.1.1系统结构方案

方案一：

采用一片单片机（AT89S52）完成系统所有测量、控制运算并输出PWM控制信号。

方案二：

采用两片单片机（AT89S52），其中一片做成PID控制器专门进行PID运算和PWM控制信号输出；另一片则系统主芯片完成电机速度的键盘设定、测量、显示并向PID控制器提供设定值和测量值设定PID控制器的控制速度等。

方案一的优点是系统硬件简单结构紧凑。

但是其造成CPU资源紧张程序的多，任务处理难度增大不利与提高和扩展系统性能，也不利于向其他系统移植。

方案二则与方案一相反虽然硬件增加，但在程序设计上有充分的自由去改善速度测量精度缩短测量周期优化键盘显示及扩展其它功能。

与此同时PID控制算法的实现可以精益求精对程序算法或参数稍加改动即可移植到其他PID控制系统中。

本设计选择方案一。

2.1.2转速测量方案

方案一：

采用记数的方法。

具体是通过单片机记单位时间S（秒）内的脉冲数N每分钟的转速：

M=N/S×60。

方案二：

采用定时的方法。

是通过定时器记录脉冲的周期T这样每分钟的转速：

M=60/T。

比较两个方案方案一的误差主要是±1误差（量化误差）设电机的最低设计转速为120转/分则记数时间S=1s所以其误差得绝对值|γ|=|（N±1）/S×60-N/S×60|=60（转/分）误差计算公式表明增大记数时间可以提高测量精度但这样做却增大了速度采样周期会降低系统控制灵敏度。

而方案二所产生的误差主要是标准误差并且使采样时间降到最短误差γ=[60/（T±1）-60/T]设电机速度在120—6000转/分之间那么0.01s≤T≤0.5s代入公式得：

0.00024≤|γ|≤0.6（转/分）。

由此明显看出，方案二在测量精度及提高系统控制灵敏度等方面优于方案一所以本设计采用方案二。

2.1.3电机驱动方案

方案一：

采用专用小型直流电机驱动芯片。

这个方案的优点是驱动电路简单几乎不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对较小而且目前市场上此类芯片种类齐全价格也比较便宜。

方案二：

采用继电器对电动机的开或关进行控制通过开关的切换对电机的速度进行调整。

这个方案的优点是电路较为简单缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。

方案三：

采用由达林顿管组成的H型PWM电路。

用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态精确调整电动机转速。

这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快稳定性也极佳是一种广泛采用的PWM调速技术。

通过比较和对市场因素的考虑本设计采用方案一使系统的设计核心在PID控制上。

2.1.4键盘显示方案

方案一：

采用4×4键盘可直接输入设定值。

显示部分使用4位数码管优点是显示亮度大缺点是功耗大不符合智能化趋势而且不美观。

方案二：

使用5个按键进行逐位设置。

显示部分是使用支持中文显示的LCD优点是美观大方有利于人与系统的交互及显示内容的扩展；缺点是成本高抗干扰能力教差。

为了系统容易扩展、操作以及美观本设计完全采用方案二。

2.1.5PWM软件实现方案

脉宽调制的方式有三种：

定频调宽、定宽调频和调宽调频。

本设计采用了定频调宽方式，采用这种方式的优点是电动机在运转时比较稳定并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。

对于实现方式则有两种方案。

方案一：

采用定时器做为脉宽控制的定时方式这一方式产生的脉冲宽度极其精确误差只在几个us。

方案二：

采用软件延时方式这一方式在精度上不及方案一特别是在引入中断后将有一定的误差。

但是基于不占用定时器资源且对于直流电机采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。

由于本设计采用了两片AT89S52单片机MCU资源充足因此选择方案一。

2.2系统原理框图设计

系统原理框图如图2.1所示，是一个带键盘输入和显示的闭环测量控制系统。

主体思想是通过系统设定信息和测量反馈信息计算输出控制信息。

图2.1系统原理框图

2.3本章小结

本章大体介绍了系统各个主要部分的实现方案，并对其进行了论证，从而大体的介绍了本设计的基本思路。

3硬件系统模块组成与电路分析

硬件系统主要由4大电路组成，其具体分析如下。

3.1速度测量电路设计

3.1.1转速/频率转换电路的设计

理论上是先将转速转化为某一种电量来测量，如电压电流等。

设计中将转速测量转化为电脉冲频率的测量。

基于这一思想可以采用一对霍尔感应传感器，使输出信号的一只在转轮一侧固定，另一只则粘在对应位置的转轮上，这样电机每转一圈传感器将会输出一个脉冲然后将脉冲放大、整形后即可通过单片机测量其频率求出转速。

霍尔传感器检测转速示意图3.1如下。

在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。

圆盘每转动一圈霍尔传感器便输出一个脉冲。

通过单片机测量产生脉冲的频率就可以得出圆盘的转速。

图3.1霍尔传感器及测转速示意图

本设计采用A04E单极性开关型霍尔传感器，磁钢用来提供霍尔能感应的磁场，当霍尔元件以切割磁力线的方式相对磁钢运动时，在霍尔输出端口就会有电压输出所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。

在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。

圆盘每转动一圈霍尔传感器便输出一个脉冲。

通过单片机测量产生脉冲的频率就可以得出圆盘的转速。

本电路已经安装两个磁钢，如果要增加测量转速精度可以在圆盘上多增加几个磁钢。

3.1.2脉冲滤波整形电路的设计

由于电机在转动的过程中有很大的晃动，而且本设计中测量装置做工粗糙因此所获得的脉冲信号参杂有高频噪声或误动脉冲。

为了提高测量的准确且尽可能地减少错误，设计中在霍尔传感器OUT输出端加一电容接地。

为了既能抑制噪声又不影响测量，电容值C的选择很重要。

根据实际测量设计中所使用的直流电机转速可达6000转/分。

其所产生的脉冲周期T=1/（6000/60）S=0.01S一个周期内脉冲持续时间约为1/8T=0.00125S低电平时间约为7/8T=0.00875S，由于接收头感光导通电阻很小所以电容迅速充电当低电平到来时开始放电为保证下一个脉冲的检测放电时间t应小于低电平持续时间7/8T根据电路t=R2×C<0.00875代入R2值解不等式可得：

C<0.000017F。

单位换算得C<0.017μF为了方便整形实际设计中C=0.001μF。

由于单片机中断I/O口的需要输入信号是正规的矩形脉冲，所以电路的脉冲整形电路采用74系列反向器74LS04进行反向后输入单片机。

3.2电机驱动电路的设计

本设计采用目前市场上较容易买到的74LS04反向器，支持5.5V到7V的电机控制电压在直流运转条件下它满足了一般小型电机的控制要求。

其引脚如图3.2。

驱动电路见图3.3。

PWM控制信号由in1、in2输入。

如果in1为高电平in2为低电平时电机为正向转速反之in1为低电平in2为高电平时电机为反向转速。

本设计将in2直接接地即采用单向制动的方式。

通过实验本设计中不必使用双向制动也可达到设计要求。

图3.274LSO4引脚图

图3.3直流电机驱动图

3.3LCD显示电路与单片机的接口设计

设计中采用的LCD——1602是一种内置8192个16*16点汉字库和128个16*8点ASCII字符集图形点阵液晶显示器它主要由行驱动器/列驱动器及128×32全点阵液晶显示器组成。

可完成图形显示也可以显示7.5×2个（16×16点阵）汉字与外部CPU接口采用并行或串行方式控制。

本设计采用并行方式控制LCD与单片机的通讯接口电路如图3.4所示采用直连的方法这样设计的优点是在不影响性能的条件下还不用添加其它硬件简化了电路降低了成本。

图3.4LCD硬件接线图

3.4按钮控制电路设计

控制电路采用了5个按钮来实现功能按1为高速状态下匀速旋转，按2为中速状态下匀速旋转，按3为低速下匀速旋转，按4为加速，按5为减速。

见图3.5。

图3.5按钮控制电路图

3.5本章小结

本章具体介绍了硬件系统的各个模块的实现和功能并对各模块所对应的电路进行了分析，设计了硬件系统的各个电路。

4系统程序设计及实现

4.1系统总程序框图设计

系统程序程序框图如图4.1所示概述了程序的总体结构和工作过程。

图4.1系统总程序框图

4.2系统各部分子功能程序设计

4.2.1电机转速测量程序设计

设计中考虑到电机的工作环境一般比较恶劣因此除了硬件外，从程序上除了要更高的精确度也需要进行更多的抗干扰设计，从而实现软件的大范围检错、纠错或丢弃错误等。

在程序的设计过程中对严重不符合要求的测量数据（如大于6000转对应的数据）进行了丢弃处理而对于正常范围内的数据错误采用了采5取3求平均的算法（即采集5个数据去掉一个最大值一个最小值然后将剩余3数据求平均）。

实验表明此方法降低了系统采集转速中出现的错误。

对于转速的测量方法是通过速度脉冲信号下降沿，触发单片机的外中断，中断服务子程序在某一个脉冲的下降沿开启定时器记时，然后在下一个下降沿关闭定时器通过对定时器数据进行运算处理，可以得到信号周期进而得到速度值。

其程序框图如图4.2。

可以看出此方法下的采样周期是随转速变化的转速越高采样越快。

通过这种非均匀的速度采样方式可以使电机在高速情况下实现高速度高精度的控制。

图4.2外中断0服务子程序框图

4.2.2键盘程序设计

键盘程序设计的任务是赋予各按键相应的功能，完成速度设定值的输入和向PID控制器的发送。

5只按键一只用来位循环选择告诉单片机要调整的是设定值的个位、十位、百位还是千位。

第二、三只按键分别是减1、加1减。

在没有位选择的情况下对设定值整体进行减1、加1；在有位选择的情况下仅对相应位进行减1、加1并且当按着不释放按键时可以实现快速连续减1、加1同时允许循环减、加（既当某位为0时在减1则为9某位为9时加1则为0）。

最后一只按键是确认发送键按下它后单片机将设定值送给PID控制器从而实现设定控制。

程序框图如图4.3。

图4.3键盘电路程序框图

4.2.3LCD显示子程序的设计

LCD的详细使用过程可参阅对应型号的使用手册。

仅在本小节强调以下内容：

LCD使用的关键是根据显示需要正确地对其进行初始化设置，而一般情况下不用考虑如何向它读写指令或数据，因为制造厂商所给的使用资料里就附有驱动程序如果没有也可以从网上搜索下载得到。

然而我们必须清楚那些初始化设置之间的关