基于单片机的伺服电机转速控制系统.docx

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基于单片机的伺服电机转速控制系统

基于单片机的伺服电机转速控制系统

摘要

传统的晶闸管直流调速系统,其控制回路都是采用模拟电子线路构成的,晶闸管触发器多数还是采用分立元件组成的，这使得控制回路的硬件设备极其复杂,安装调试困难,相对故障率较高。

针对传统的晶闸管直流调速系统的一些不足，提出了一种基于单片机的伺服电机转速控制系统的设计方法，并介绍了PID控制算法的设计。

本设计使用AT89C52作为控制芯片,以PI（比例-积分）调节控制算法为基础,采用软件编程产生脉宽比可控的脉宽调制信号,再通过功率放大电路H桥驱动电路来控制伺服电机电枢电压，从而完成对伺服电机转速的调节,达到了较好的控制性能。

同时通过4*4小键盘输入设定的伺服电机转速，用光电编码器来测定伺服电机转速，显示在4位LED上。

关键词：

直流调速；PID控制算法；AT89C52；脉宽调制；伺服电机

TheServoMotorSpeedControlSystemBasedOnMCU

Abstract

TheconventionalDCdrivesystemofSCR,whichControlloopisconsistingofsimulateelectroniccircuits,andtheSCRtriggerismostlymadeupofthediscretecomponent,sothehardwaredevicesareextremelycomplexintheControlloop，theinstallationandtrialrundifficultly,therelativefailurerateishigh.Tosolvetheproblems,thispaperpresentsonekinddesignmethodoftheservomotorspeedcontrolsystembasedonMCU,andintroducesthedesignofthePIDcontrolalgorithm.

ThisdesignusesAT89C52asthecontrollerchip,takesPI（proportion-integral）regulationcontrolalgorithmtobethefoundation,adoptssoftwareprogrammingtogetthesignalforPulse-Width-Modulation,andcontrolsthearmaturevoltageofservomotorthroughHbridgedrivingcircuitinpoweramplificationelectriccircuit,thusitcompletestoadjusttheservomotorrotational-speed,andachievesthegoodcontrolperformance.Meanwhileitsetstheservomotorrotational-speedthroughthe4*4smallkeyboard,andminutesthespeedoftheservomotorbytheopticalencoder,thenshowsthespeedoftheservomotoronthe4LED.

Keyword:

Direct-currentspeedregulation;PIDcontrolalgorithm;AT89C52;Pulse-Width-Modulation;Servomotor

第一章引言

一.1课题的研究背景及意义

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。

因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

1.在智能仪器仪表上的应用

　　单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

　　2.在工业控制中的应用

　　用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

　　3.在家用电器中的应用

　　可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

　　4.在计算机网络和通信领域中的应用

　　现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

　　5.单片机在医用设备领域中的应用

　　单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

　　6.在各种大型电器中的模块化应用

　　某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。

如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。

如：

音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。

　　在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。

此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

一.2转速控制系统设计目标及技术要求

本设计的目的是实现伺服电机转速的控制。

本设计完成后要求可以实现键盘输入，控制PWM波形产生，实现脉宽调制，软件实现PID控制算法，驱动电路的设计，实现伺服电机转速的调节，显示。

第二章伺服电机转速控制系统设计

二.1系统硬件组成原理

转速控制系统的硬件原理框图2-1如图所示：

图2-1　转速控制系统硬件原理框图

以AT89C52单片机为控制核心,包括键盘电路，测速电路，PWM功放电路，显示电路。

二.2PID控制算法简介

在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。

它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。

PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、…）。

PID控制器包括比例、积分和微分三部分，其控制原理图如图2-2所示：

图2-2典型PID控制结构

比例（P）控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差成比例的关系。

系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用越大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分（I）控制是消除系统的稳态误差，提高无差度。

如果系统有误差，积分调节就进行直至无误差，积分调节停止，积分调节输出为常值。

积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，若Ti越小，积分作用就越强，反之Ti越大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。

微分（D）控制反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，己被微分调节作用消除。

因此，微分调节可以改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。

另外微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。

下面对控制点所采用的PID控制算法进行说明。

控制点目前包含两种比较简单的数字ＰＩＤ控制算法，分别是：

位置式算法，增量式算法。

这两种ＰＩＤ算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。

二.2.1位置式PID控制算法

由51单片机组成的数字控制系统控制中，PID控制器是通过PID控制算法实现的。

51单片机通过AD对信号进行采集，变成数字信号，再在单片机中通过算法实现PID运算，再通过DA把控制量反馈给控制源。

从而实现对系统的伺服控制。

下面是位置式PID控制算法的简化示意图。

图2-3 位置式PID控制算法的简化示意图

上图的传递函数为：

（式2.1）

在时域的传递函数表达式：

（式2.2）

对上式中的微分和积分进行近似：

（式2.3）

式中n是离散点的个数。

于是传递函数可以简化为：

（式2.4）

其中

是第k个采样时刻的控制；

是比例放大系数； 

是积分放大系数；

是微分放大系数；

T是采样周期。

如果采样周期足够小，则（式2.4）的近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与连续过程十分接近。

（式2.4）表示的控制算法直接按（式2.1）所给出的PID控制规律定义进行计算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式PID控制算法

对于位置式算法，可以选择的功能有：

a、滤波：

同上为一阶惯性滤波

b、饱和作用抑制：

1.削弱积分法

一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。

具体地说，在计算

时，将判断上一个时刻的控制量

是否已经超出限制范围，如果已经超出，那么将根据偏差的符号，判断系统是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项。

2.积分分离法

在基本PID控制中，当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调量和长时间的波动。

特别是对于温度、成份等变化缓慢的过程，这一现象将更严重。

为此可以采用积分分离措施，即偏差较大的时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。

另外积分分离的阈值应视具体对象和要求而定。

若阈值太大，达不到积分分离的目的，若太小又有可能因被控量无法跳出积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差。

3.有效偏差法

当根据PID位置算法算出的控制量超出限制范围时，控制量实际上只能取边际值U=

或U=

有效偏差法是将相应的这一控制量的偏差值作为有效偏差值计入积分累计而不是将实际的偏差计入积分累计。

因为按实际偏差计算出的控制量并没有执行。

如果实际实现的控制量为U=Um上限值或下限值