直流电机PID转速闭环调速控制系统.docx
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直流电机PID转速闭环调速控制系统
基于uC/COS的直流电机PID转速闭环调速控制系统Proteus仿真实现
在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电动机进行驱动、传动和控制，而现代智能控制系统中，对电机的控制要求越来越精确和迅速，对环境的适应要求越来越高。
随着科技的发展，通过对电机的改造，出现了一些针对各种应用要求的电机，如伺服电机、步进电机、开关磁阻电机等非传统电机。
但是在一些对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中，传统电机如直流电机乃有很大的优势，而要对其进行精确而又迅速的控制，就需要复杂的控制系统。
随着微电子和计算机的发展，数字控制系统应用越来越广泛，数字控制系统有控制精确，硬件实现简单，受环境影响小，功能复杂，系统修改简单，有很好的人机交换界面等特点。
在电机控制系统开发中，常常需要消耗各种硬件资源，系统构建时间长，而在调试时很难对硬件系统进行修改，从而延长开发周期。
随着计算机仿真技术的出现和发展，可用计算机对电机控制系统进行仿真，从而减小系统开发开支和周期。
计算机仿真可分为整体仿真
和实时仿真。
整体仿真是对系统各个时间段对各个对象进行计算和分析，从而对各个对象的变化情况有直观的整体的了解，即能对系统进行精确的预测，如Matlab就是一个典型的实时仿真软件。
实时仿真是对时间点的动态仿真，即随着时间的推移它能动态仿真出当时系统的状态。
Proteus是一个实时仿真软件，用来仿真各种嵌入式系统。
它能对各种微控制器进行仿真，本系统即用Proteus对直流电机控制系统进行仿真。
在系统软件开发中开发中可用操作系统，也可不用操作系统。
如用操作系统，程序可实现模块化，并能对系统资源进行统筹管理，最主要的是可实现多任务运行。
如果需要多任务并行运行，并且需要一定的时间间隔，某些任务对时间的要求不高时，如不用操作系统则要占用定时器资源，并且对栈空间和硬件资源很难进行管理，所以在这种情况下需要操作系统。
本系统用操作系统uC/COS.
uC/COS是一个完整的、可移植、可固化、可剪裁的占先式实时多任务内核.uC/COS
已经有很多产品成功使用的案例且得到美国军方的认证，说明了该系统的可靠性。
uC/COS
源代码公开，代码短，源代码大部分是使用ＡNSIC编写的，移植性和裁减性好，功能强大，
能可靠应用于各种控制系统中。
系统构成
硬件全图
各子系统
１.转速控制输入
如用按键输入则需要复杂的软件实现，并且需要足够的引脚资源，本系统用ADC0832采样电位器上的电压信号来实现转速信号输入。
2.LPC2106微控制器
LPC2106是Phlip公司推出的核心为ARM的控制器。
LPC2106包含一个支持仿真的ARM7TDMI-SCPU、与片内存储器控制器接口的ARM7局部总线、与中断控制器接口的AMBA高性能总线（AHB）和连接片内外设功能的VLSI外设总线（VPB，ARMAMBA总线的兼容超集）。
片内有64K字节静态RAM和128K的FLASH存储器。
可寻址4GB。
在本仿真中LPC2106没加晶振电路，频率在芯片属性中设置。
3.液晶显示
本系统采用Proteus仿真库有的液晶显示模块AMPIRE128X64,为8192像素的单色LCD
屏幕分为两半控制，控制引脚为CS1和CS2。
数据通过移位寄存器输入。
4．电机驱动电路
本系统仿真的是最大输入电压为12伏的微型电机，故用通用电机驱动电路实现假设该电路输入电阻为无穷大，输出电阻为0。
5．仿真电机的51单片机
虽然Proteus有电机模块，但其电机模块没有输出转速接口故用一单片机代替它，单片机用ADC0832采样输入的电压，经过处理即输出和真实电机同步的转速（需要大量的浮点运算，可考虑用DSP）。
通过两个按键改变转矩没按一次增大或减小0.001，上面的是增大。
6．仿真结果
仿真1.8秒钟后得下图，可看到转速逐渐增大然后稳定下来。
增大转矩后，可看到转速下降后又恢复
7．程序；
1．系统主程序：
main.c
/******************************************************************************
**实时微型直流电机PID转速闭环调速控制系统程序（基于移植于LPC2106上的uc/cos实时操作系统）
**程序编写者:
吴斌
**编写日期:
2007年11月14日
******************************************************************************/
#include"config.h"
#include"LCD.h"
#defineTASK_STK_SIZE512//各任务栈大小
#defineIO_Init（）\
PINSEL0=2;\
IODIR|=0x00007FB0;//P0.4\P0.5\P0.7-P1.4为输出其他的为输入
#defineUmax1000//最大调节转速
#defineKp0.7//比例放大系数
#defineTs0.03//采样周期
#definet04//积分时间常数
#definetd0.0005//微分时间常数
#defineq0Kp*（1+Ts*t0+td/Ts）
#defineq1-Kp*（1+2*td/Ts）
#defineq2Kp*td/Ts
#defineADC_DO0x00000040//P0.6
#defineADC_CS0x00000080//P0.7
#defineADC_CLK0x00000100//P0.8
#defineADC_DI0x00000200//P0.9
OS_STKMain_TaskStk[TASK_STK_SIZE];
OS_STKTask1_TaskStk[TASK_STK_SIZE];
OS_STKTask2_TaskStk[TASK_STK_SIZE];
OS_STKTask3_TaskStk[TASK_STK_SIZE];
OS_STKTask4_TaskStk[TASK_STK_SIZE];//各任务栈
OS_EVENT*Conbox;//控制信号邮箱
floatn=0;//输入转速
floatnb=0;//反馈转速
voidMain_Task（void*data）;
voidTask1（void*p_arg）;
voidTask2（void*p_arg）;
voidTask3（void*p_arg）;
voidTask4（void*p_arg）;//函数声明
voidPWMInit（void）
{
PWMPR=0x00;//不分频，计数频率为Fpclk
PWMMCR=0x02;//设置PWMMR0匹配时复位PWMTC
PWMMR0=2765;//设置PWM周期
PWMMR1=0;//设置PWM占空比
PWMLER=0x03;//PWMMR0、PWMMR1锁存
PWMPCR=0x0200;//允许PWM1输出，单边PWM
PWMTCR=0x09;//启动定时器，PWM使能
PWMMR0=2765;//设置PWM周期
PWMMR1=0;//设置PWM占空比
PWMLER=0x03;//PWMMR0、PWMMR1锁存
}
/*********************************************************************************************************
**函数名称:
main
**功能描述:
c语言的主函数，由它启动多任务环境
********************************************************************************************************/
intmain（void）
{
OSInit（）;
OSTaskCreate（Main_Task,（void*）0,&Main_TaskStk[TASK_STK_SIZE-1],0）;
OSStart（）;
return0;
}
/******************************************************************************
**函数名称:
Main_Task
**功能描述:
初始化系统及建立任务
******************************************************************************/
voidMain_Task（void*p_arg）
{
p_arg=p_arg;//避免编译警告
TargetInit（）;
IO_Init（）;
Conbox=OSMboxCreate（（void*）0）;
LCD_Main（）;
OSTaskCreate（Task1,（void*）0,&Task1_TaskStk[TASK_STK_SIZE-1],2）;
OSTaskCreate（Task2,（void*）0,&Task2_TaskStk[TASK_STK_SIZE-1],3）;
OSTaskCreate（Task3,（void*）0,&Task3_TaskStk[TASK_STK_SIZE-1],1）;
OSTaskCreate（Task4,（void*）0,&Task4_TaskStk[TASK_STK_SIZE-1],5）;
OSTaskSuspend（0）;
}
/******************************************************************************
**函数名称:
Task1_Task
**功能描述:
实时任务,负责采样和处理数据
******************************************************************************/
voidTask1（void*p_arg）
{floatus;//上次输出控制信号
floates;//上次采样误差信号
floates2=0;//上次的上次的采样误差信号
uint32nj;//采样转速信号
floatu;//此次输出控制信号
floate;//此次采样误差信号
p_arg=p_arg;
PWMInit（）;//PWM初始化
while
（1）
{nj=IOPIN>>16;
nb=（float）nj/10;//采样反馈转速
e=n-nb;
u=us+q0*e+q1*es+q2*es2;//PID处理
if（u>=Umax）
u=Umax;
es2=es;
es=e;
us=u;
OSMboxPost（Conbox,（void*）&u）;//发送处理后的信号
OSTimeDlyHMSM（0,0,0,30）;
}
}
/******************************************************************************
**函数名称:
Task2_Task
**功能描述:
根据控制信号输出PWM波
******************************************************************************/
voidTask2（void*p_arg）
{uint8err;
float*nh;
p_arg=p_arg;
while
（1）
{nh=（float*）OSMboxPend（Conbox,0,&err）;
if（*nh>=Umax-0.5）
{PWMMR0=2765;
PWMMR1=2764;
PWMLER=0x03;
}
else
{PWMMR0=2765;
PWMMR1=（uint32）（*nh/Umax*2765）;
PWMLER=0x03;
}
}
}
voidDelay（uint8n）//延时函数
{uint8i;
for（i=1;i<=n;i++）;
}
/******************************************************************************
**函数名称:
Task3_Task
**功能描述:
定时采样输入的转速要求（0832采样）
******************************************************************************/
voidTask3（void*p_arg）
{uint8ch,i,flag=0;
p_arg=p_arg;
ch=0;
IOCLR=ADC_CS;
IOCLR=ADC_DI;//片选，DO为高阻态
for（i=0;i<10;i++）
{;}
IOCLR=ADC_CLK;
Delay（4）;
IOSET=ADC_DI;
IOSET=ADC_CLK;
Delay（4）;//第一个脉冲，起始位
IOCLR=ADC_CLK;
Delay（4）;
IOSET=ADC_DI;
IOSET=ADC_CLK;
Delay（4）;//第二个脉冲，DI=1表示双通道单极性输入
IOCLR=ADC_CLK;
Delay（4）;
IOSET=ADC_DI;
IOSET=ADC_CLK;
Delay（4）;//第三个脉冲，DI=1表示选择通道1（CH2）
IOCLR=ADC_DI;//DI转为高阻态，DO脱离高阻态为输出数据作准备
IOSET=ADC_CLK;
Delay（4）;
IOCLR=ADC_CLK;
Delay（4）;//经实验，这里加一个脉冲AD便能正确读出数据
for（i=0;i<8;i++）
{IOSET=ADC_CLK;
Delay（4）;
IOCLR=ADC_CLK;
Delay（4）;
if（（IOPIN&ADC_DO）!
=0）
ch=（ch<<1）|1;//在每个脉冲的下降沿DO输出一位数据，最终ch为8位二进制数
else
ch=（ch<<1）|0;
}
IOSET=ADC_CS;
n=（float）ch*1000/256;
if（flag==0）
{flag=1;
OSTaskChangePrio（1,4）;
}
OSTimeDlyHMSM（0,0,0,300）;
}
/******************************************************************************
**函数名称:
Task4_Task
**功能描述:
液晶显示任务
******************************************************************************/
voidTask4（void*p_arg）
{
#ifOSCRITICAL_METHOD==3
OS_CPU_SRcpu_sr;
#endif
uint16w,q,k;
uint8i;
uint8shu1[6],shu2[6];
p_arg=p_arg;
for（;;）
{shu1[4]=10;
w=（uint16）（n*10）;
k=10000;
for（i=0;i<4;i++）
{shu1[i]=（uint8）（w/k）;
w=w%k;
k=k/10;
}
shu1[5]=（uint8）w;
OS_ENTER_CRITICAL（）;
LCD_num（80,2,shu1,6）;
shu2[4]=10;
q=（uint16）（nb*10）;
k=10000;
for（i=0;i<4;i++）
{shu2[i]=（uint8）（q/k）;
q=q%k;
k=k/10;
}
shu2[5]=（uint8）q;
LCD_num（80,4,shu2,6）;
OS_EXIT_CRITICAL（）;
OSTimeDlyHMSM（0,0,0,100）;
}
}
/******************************************************************************
**EndOfFile
******************************************************************************/
2.自编的LCD驱动程序
（1）头文件LCD.h
/******************************************************************************
**LCD驱动头文件LCD.h（基于LPC21**）
**程序编写者:
吴斌
**编写日期:
2007年11月12日
******************************************************************************/
#ifndef_LCD_H_
#define_LCD_H_
#include"config.h"
#defineSPI_CLK0x00000010//P0.4
#defineSPI_DATA0x00000020//P0.5
#defineRW0x00000800//RW
#defineRS0x00000400//RS
#defineCS10x00001000//CS1
#defineCS20x00002000//CS2
#defineE0x00004000//E
#defineKai0x3F
#defineGuang0x3E
#defineHang0xC0
#defineYe0xB8
#defineLie0x40
#defineSetlie（a）\
IOCLR=RW;\
IOCLR=RS;\
send（Lie+a）;
#defineSetye（a）\
IOCLR=RW;\
IOCLR=RS;\
send（Ye+a）;
#defineSetweizi（a,b）\
IOCLR=RW;\
IOCLR=RS;\
send（Lie+a）;\
send（Ye+b）;
#defineWrite（a）\
IOCLR=RW;\
IOSET=RS;\
send（a）;
voidsend（uint8dat）;
voidLCD_disp（uint8a,uint8b,uint8c,uint8d,uint8m,uint8*shuju）;
voidSetCS（uint8a）;
voidLCD（uint8a,uint8b,uint8c,uint8d,uint8*shuju）;
voidLCD_num（uint8a,uint8b,uint8*shuju,uint8n）;
voidLCD_str（uint8a,uint8b,uint8*strtab,uint8n）;
voidLCD_hanzi（uint8a,uint8b,uint8*hanzitab,uint8n）;
voidLCD_xian（uint8a,uint8b,uint8*strtab,uint8n）;
voidLCD_Main（void）;
#endif
/******************************************************************************
**EndOfFile
******************************************************************************/
（2）LCD驱动程序LCD.c
/******************************************************************************
**LCD驱动程序（基于LPC21**）
**程序编写者:
吴斌
**编写日期:
2007年11月12日
******************************************************************************/
#include"LCD.h"
voidsend（uint8dat）//用移位寄存器输出一字节数据
{uint8i;
IOSET=E;//E=1
for（i=0;i<8;i++）//发送8位数据
{IOCLR=SPI_CLK;//SPI_CLK=0
if（（dat&0x80）!
=0）IOSET=SPI_DATA;
elseIOCLR=SPI_DATA;
dat<<=1;
IOSET=SPI_CLK;//SPI_CLK=1
}
IOCLR=E;//E=0
}
voidLCD_disp（uint8a,uint8b,uint8c,uint8d,uint8m,uint8*shuju）/*LCD显示函数,在第a列b页输出大小为c*d的图像（只能选择在左或右屏幕显示）*/
{uint8i,j,f;
SetCS（m）;
for（j=0;j{Setweizi（a,j+b）;
for（i=0;i{Write（*（shuju+i））;
for（f=0;f<0xFF;f++）;
}
}
}
void
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