1、精選優質文檔-傾情為你奉上目錄專心-專注-專業1 緒 論1.1 直流調速系統的發展概況 在當代工業中，電動機演繹了重要的角色，實現了電能到其他形式的能的轉換，被廣泛應用于機械制造，冶金，石油化工，國防等工業部門，以不斷提高產品質量和產量的需求增長所要求的制造過程中，需要越來越多的自動化生產設備，以達到調速的控制。1964 A.Schonung和H.stemmler首先從開放的電機轉速的推廣和應用新的形勢提出了脈沖寬度控制技術的應用，以電機驅動器。 PWM輸出取代模擬轉換器（DAC）控制速度，其中直流電機調速是最常見的應用。通常結合橋式驅動器，PWM直流電動機調速控制電路非常簡單，具有較大的調速

2、范圍。直流電動機的控制，主要是在固定頻率脈沖寬度調制。1.2 直流調速系統的研究現狀1.2.1 調速系統國內外研究現狀從六十年代成功的第一硅晶閘管我們的第一個測試系統只被可控硅直流調速系統開始飛速發展和廣泛應用。 0.4200KW晶閘管直流轉換器，用于中，小功率已被用來作為通用產品的標準化，系列化質量。目前，全國高校，科研院所和生產廠家都在數字直流調速系統的發展，作出直流調速系統的許多控制算法： （1）、直流電機參數辨識方法和直流調速系統。根據系統或鏈路的輸入和輸出特性的方法，最小二乘法，可以得到該系統連接的內部參數。以高精確度將得到的參數，該方法是簡單的。 （2）、直流電動機調速系統的內模控

3、制方法。根據內部模型控制方法雙閉環直流電動機調速系統的設計原則，將內模控制器，取代常規的PI調節器，成功地解決了速度超調的問題，該系統獲得了良好的動，靜態性能，并設計簡單，易于實現的控制器、內模控制方法直流電動機調速系統。根據內部模型控制方法雙閉環直流電動機調速系統的設計原則，以及內模控制器，取代常規的PI調節器，成功地解決了系統的速度超調的問題，取得了良好的動靜態性能，并設計簡單，易于實現控制.1.2.2 控制策略概況 在現代控制理論及應用的智能控制策略，一些新的控制方法，如模糊控制，自適應控制，神經網絡控制，變結構控制，專家系統控制已逐步進入電力電子控制領域，控制性能更穩定，降低制造成本。

4、在數字化控制方案系統中有：1. PID控制PID算法概述在現代工程控制中，大多數仍然使用的PID控制模式仍然是這樣。 PID有幾個重要的功能：提供反饋控制;通過積分作用能消除穩態誤差;通過派生訴訟預測未來。為開發利用PID控制算法都高，這是由于用簡單的固定形式的PID控制器，在廣泛的操作條件下，都能保持穩健;一方面是因為PID控制器使工程師和技術人員在一個簡單而直接的方式對系統進行調整。但在工業生產過程中，被控對象的變化或負載因數的干擾，對象或結構變化的特征參數， PID參數恒定的修正將影響使用效果; PID參數整定過程，但復雜繁瑣的項目一直困擾著技術人員，設置一般都需要經驗豐富的工程師和技術

5、人員來完成它的參數，耗時耗力，再加上實際的系統有很大的不同，也有滯后，非線性和其他因素的影響，使PID參數整定有一定的難度，導致很多PID控制器整定做得很好，這樣的系統并不以令人滿意的自然狀態所以建議自整定PID控制器參數的在線識別對象的工作，為此功能，實時變化的控制策略，使質量控制，以保持最佳。 （1.2）可以看出增量型算法優點是不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關，對計算的精度影響較小。而位置型算法要用到過去的誤差的累加，容易產生大的誤差率，以補償模糊控制規則和偏置的實踐經驗。此外，隨著神經網絡控制芯片的出現，一些學者正在研究其應用在DC轉換器，如采用神經網絡控制器更換

6、滯環電流控制器。總之，每個控制方案都有其長處，但在某些領域存在著一些問題。因此，相互滲透，優勢互補，相互間的經濟優勢，組合成一個復合控制方案的各種控制方案的發展的一個必然趨勢。1.3 論文研究的背景和意義 隨著單芯片，數字直流PWM調速系統在行業的發展已經廣泛使用的控制手段也日益成熟。該微控制器的特點是：一個足很快的;與自動產生PWM波PWM端口;具有自行拍攝功能測量頻率;具有A / D轉換器，電動機，輸出模擬電流和模擬/數字轉換器的電壓的輸出速度;各種同步串行接口，充足的內部ROM和RAM，所以你不能減小音量控制系統;有看門狗，電源管理功能。因此，公司選擇的實驗STC單片機STC12C5A6

7、0S2 通過基于設計和調試STC單片機的直流脈寬調速系統得到的結論，進一步深化直流電機的調速方法，PI控制器的理解把握STC同時，運動控制知識整合。1.4 本文所做的主要工作 本文在選定L298N電機控制驅動、STC單片機、光柵轉盤等硬件的基礎上，完成了系統整體方案的設計，并實現了以STC單片機為核心的直流電機調速控制系統，主要工作內容有：（1）器件選型和控制系統總體方案設計（2）控制系統硬件設計（3）控制系統軟件設計，包括繪制程序流程圖、編寫源程序、KEIL軟件編譯（4）控制系統的組裝與調試（6）提出基于模糊控制算法的系統控制策略改進方案2 直流調速控制系統概況及理論基礎2.1 直流電機調速

8、方法及原理直流電機轉速n的表達式為: （2.1）由該式可知，直流電機轉速n的控制方法有三種：（1）改變電樞回路電阻。該方法的優點是系統結構簡單；缺點是效率低。因此，該方法適合小功率直流電機，開環控制且只能無極調速。一般適用于電動玩具中。（2）改變電動機主磁通。該方法的優點是能夠實現平滑調速；缺點是調速范圍小而且通常配合調壓調速在基速以上做小范圍的的升速。現已很少單獨使用，通常以非獨立控制勵磁的方式出現。（3）調節電樞電源電壓。從電樞的額定電壓主要的變化電壓降到較低的電樞電壓，從電機額定速度降下來，是恒轉矩調速方法。對于在一定范圍內平滑無級調速控制系統，這是最好的要求。可調直流電源有以下三種：旋

9、轉變換器單元：交流電動機和直流發電機單元組成的，以實現該方法的優點是可調節的直流電源是4的圖像可以被允許在扭矩范圍中運行。缺點是設備，大容量，高效率，安裝費用低以及需要奠定基礎，運行噪音，維修不便， 50年代的廣泛應用，現在很少使用。靜態控整流器：靜止可控整流器，如晶閘管可控整流，以獲得可控整流電壓。直流斬波器和脈沖寬度調制器：一個恒定的直流電源，直流斬波器和脈沖寬度調制器的轉換增益可控的電平電壓。2.2 直流電動機的PWM調速原理一個完全可控的，采用脈寬調制技術，可直接將恒定的直流電壓，以可變幅值的直流電壓，可調節的直流電壓的調制的極性，電力電子器件如電機的電樞的端電壓來實現平滑速度控制系統

10、，這就是所謂的直流脈寬調速系統調速系統。脈沖寬度調制（脈沖寬度調制），使用功率電子開關裝置被導通和關斷的直流脈沖的直流電壓變為一個連續的序列，并且通過控制脈沖寬度或周期，能夠實現變壓器的目的。用于電力電子設備是全控設備，如功率晶體管（GTR），功率MOSFET，IGBT等。通常用固定頻率PWM變換器寬度調制來實現調節的目的。PWM變流器與晶閘管相控調節器相比具有許多優點，如濾波裝置需要甚至只使用一個小的電樞電感就足夠了，無需外部的過濾裝置;小型電動機損耗而發熱，動態響應快，開關頻率高時，控制線和簡單為達到更好的機械特性要求，一般直流電動機都是在閉環控制下運行。經常采用的閉環系統有轉速負反饋和電

11、流截止負反饋。2.3 調速系統的性能指標2.3.1 調速系統的穩態指標任何一個需要控制該設備的速度，它的生產過程中的速度性能有一定的要求，如在一定的最大速度和最小速度范圍內，有一個級或無級的調節速度;需要一定的精度速度下各種干擾的穩定運行都不允許太多的速度波動，以確保產品質量。對于頻繁起動/制動設備的要求盡可能快的加速和減速，以提高生產率，速度不應該接受必須發揮盡可能平穩的機械制動戲劇性的變化。對于定量分析，可以為兩個速度指標進行了前兩個要求，被稱為“速度范圍”和“靜態滑”，統稱為穩態性能速度控制系統這兩個指標調速范圍生產機械要求電動機提供的最高轉速nmax和最低轉速nmin之比叫做調速范圍。

12、 （2.2）靜差率當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落與理想轉速n0之比稱作靜差率,即 （2.3）靜差率是用來衡量調速系統在負載變化時轉速的穩定度。它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩定度就越高。 圖2.1 不同轉速下的靜差率調速范圍和靜差率這兩項指標不是彼此孤立的。在調速過程中，若額定轉速相同，則轉速越低，則靜差率越大。如果低速時的靜差率能滿足設計要求，則高速時的靜差率就更滿足要求。因此靜差率的指標應以最低速時能達到的數值為準。2.3.2 調速系統的動態指標生產工藝對控制系統動態性能的要求經折算和量化后可以表達為動態性能指標。自動控制系統的

13、動態性能指標包括對給定輸入信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。圖2.2 典型的階躍響應過程和跟隨性能指標在給定信號或參考輸入r(t)的作用下，系統輸出量c(t)變化情況可用跟隨性能指標來描述。如圖2.2所示。常用的階躍響應性能跟隨指標有上升時間，超調量和調節時間。上升時間tr輸出量從零開始第一次上升到穩態值C時所經過的時間，它表示了動態響應的快速性。超調量和峰值時間tP輸出量到達最大值Cmax時的時間即為峰值時間。最大值超過穩態值的百分數叫超調量,即 （2.4） 超調量反映系統的相對穩定性，超調量越小，相對穩定性越好。 調節時間ts輸出量達到并不再超出穩態值的5%(或2%)的范圍

14、所需的時間稱為調節時間。它衡量輸出量整個調節過程的快慢。它反應了系統的快速性和穩定性。 3 調速系統硬件部分設計3.1 調速控制系統實現的功能A 包含檢測環節、調節器環節、控制輸出環節的單閉環控制系統。B 轉速給定值設置范圍0-110C 顯示器顯示轉速給定值、測量值及占空比。D 轉速控制和啟制動控制。3.2 系統總體設計框圖及其工作原理單片機按鍵轉速顯示電機驅動芯片直流電機測速環節 圖3.1 系統總體框圖 單片機為核心的系統，通過矩陣鍵盤給定值設定電機的轉速。直流電動機和同軸管和紅外光柵轉臺速度信號可以被轉換成脈沖信號，并在微控制器，微控制器通過脈沖計數來計算實際速度。通過設定旋轉速度值和測量

15、值進行比較，使用該軟件用于計算誤差的PID控制器，以控制給定的量。單片機輸出的二進制控制直接輸入的金額給電機驅動芯片的PWM波形輸出輸入來控制不同的邏輯電平控制組合的直流電機驅動芯片不同占空比的速度。數碼管顯示值給定的速度，實際速度值和占空比。綜上所述，主微控制器來完成參數設置，速度測量，顯示和控制輸出參數3.3 器件選型1.單片機選型：直流電機調速系統僅需要完成轉速計算、控制器實現、輸出PWM波形等任務，系統簡單，所以采用一般的單片機即可勝任，本系統采用廉價耐用的STC單片機。測控環節硬件選型L298N電機控制模塊是為學生學習和DC電機控制微控制器設計愛好者學習套件。使用L298N電機驅動器

16、IC，DC的配置模塊。模塊可以方便地使用電纜和SPCE061A精簡開發板（即“61板”）的連接，可作為單芯片的教學，早期產品的開發，驗證和其他輔助工具。直流電動機模型310CA，工作電壓3V12V。在軸直流電機放置光柵轉臺，雙方都配備了鼠標滾輪的光柵紅外發射器和接收管。當DC馬達旋轉，改變光柵斷開狀態紅外管，使直流電動機的旋轉速度的測定。3.4 測速環節3.4.1 光柵轉盤在光柵輪的直流馬達軸安裝，可用于測量電機的速度，而且也便于觀察電動機的旋轉。紅外發射管和紅外接收器之間的光柵輪轂蓋。圓形的表面光柵轉臺開設了四光通過槽，電機每轉一圈，紅外接收器將接收到紅外光的四倍，從而使電機的轉速功能可以實

17、現。圖3.2 轉速測量環節示意圖 圖3.3 光電轉換電路原理圖3.4.2 光電轉換電路當管被堵塞的紅外發射和直流電機光柵轉盤的紅外線接收管不透明部分之間，紅外線接收器是關閉的，此時圖中的SPEED輸出高電平。相反，當通過光柵溝槽去轉臺是紅外光之間的管中，在導通狀態下的紅外接收器，此時SPEED輸出低電平。將SPEED連接到單片機口，speed端口電平變化恰好引發下降沿的產生，設置中斷服務程序計數，計數值可以通過電機的旋轉速度來計算。3.5 L298N電機驅動芯片L298N雙H橋直流電機驅動芯片3.5.1 芯片簡介ST L298N是一個高電壓，大電流電機驅動芯片生產。工作特點是：高電壓，高達46

18、V的最大工作電壓：輸出電流，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流撒下：25W的額定功率。內含兩個H橋的高電壓，用來驅動直流電動機和步進電動機，繼電器，線圈等感性負載大電流全橋驅動器;使用標準邏輯電平信號控制;有兩個使能控制端，而不情況下，允許對輸入信號的影響或禁止一個邏輯器件的工作電源輸入端，在低電壓下工作的內部邏輯電路的一部分;可能的外部感測電阻器，該控制電路中的反饋量的變化。使用L298N芯片驅動電機，該芯片可以驅動步進電機或步進電機的想法也可以驅動兩個直流電機圖3.4 電機驅動芯片原理圖電路圖3.6 控制系統核心單片機3.6.1 STC單片機最小系統1、主要特性：4K字節可編程閃爍存儲器

19、128*8位內部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數器5個中斷源 片內振蕩器和時鐘電路 2、部分管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口， P0能夠用于外部程序數據存儲器。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收輸出4個TTL門電流， P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。P3口也可

20、作為STC的一些特殊功能口:P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1）RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3 單片機最小系統的實現時鐘電路時鐘電路設計系統內部使用，即利用片上振蕩器電路。 STC單片機有一個內部振蕩器構成一個高增益放大器的對面。標簽XTAL1和XTAL2是在放大器的輸入和輸出端子。作為一個反饋放大器芯片晶體諧振器元件一起構成一個自激振蕩器外部晶體諧振器和電容器C1和C2構成連接到放大器的反饋回路中的并聯諧振電路。水平，

21、外部振蕩器電容值的穩定性雖然沒有嚴格要求，但會影響從急速振動和溫度的電容振蕩器頻率穩定度的大小。因此，該系統晶體振蕩器電路為12MHz，電容應是可以選擇的陶瓷電容器，約22F的電容值。復位電路由外部復位電路復位來實現。芯片復位電路是復位引腳RST通過一個施密特觸發器和復位電路連接到施密特觸發器用來抑制噪聲，每個機器周期S5P2的輸出，采樣一次復位電路。上電復位電路通常是自動復位，有兩種方式重設按鈕。4 系統軟件部分4.1 主函數 其主要功能是入口程序的執行，首先初始化，然后設置顯示循環功能，實現實時顯示，中斷依托功能的其余部分的循環：一組全面依靠“設備中斷“來實現的，發生時，P3.2引腳時，中

22、斷服務函數的下降沿，設定速度值和積極，失速;控制器的功能依賴于“定時器中斷”的軟件（T0）組合實現2.5秒的延遲周期，這件事發生在計數溢出中斷響應，計算出控制量; PWM波形的函數依賴于“定時器中斷”（T1），通過控制所述驅動芯片的輸入電平的調整速度達到一段100us的周期。4.1.1 主函數流程圖調用初始化函數，允許中斷調用顯示函數開始圖4.1 主函數流程圖4.1.2 源程序見附錄4.1.3 中斷函數流程圖P3.2=0?Y 中斷服務：進入綜合設置函數N開始中斷返回圖4.2 綜合設置函數中斷流程圖T0中斷標志位=1？Y 中斷服務：進入控制器函數N開始中斷返回 圖4.3 控制器函數中斷流程圖T1

23、中斷標志位=1？Y 中斷服務：進入波形發生函數N開始開始中斷返回 圖4.4 PWM波形發生函數中斷流程圖4.2 初始化函數本函數主要功能是設置定時計數器工作模式、中斷請求方式、允許中斷響應、給計數器賦初值并啟動定時計數器。源程序見附錄B4.3 控制器函數控制器函數涉及轉速實際值計算、偏差值的計算，并運用PID算法，通過增量算式計算控制量；并針對前后兩次控制量差別大小，設置了兩種不同控制策略。4.3.1 源程序及注釋 源程序見附錄C 4.3.2 對程序的說明1 轉速的測量脈沖計數函數源程序：void counter() interrupt 2 /外部中斷1中斷向量號為2，設置其為下降沿觸發中斷請

24、求方式，實現脈沖計數功能count+; 關于轉速計算： 為一個脈沖的時間， 為4個脈沖時間，也就是電機旋轉周期，那么其倒數count/10就是轉速。2.循環采樣的實現初始化函數調用后，計數器開啟，當計數值達到最大65536時，T0溢出，硬件自動使中斷觸發位置位，中斷允許條件下，CPU響應中斷，進入中斷服務函數，函數中首先進行定時器初值重置，保證了再次進入該函數，實現循環，同時進行一次采樣和執行PID算法，但是軟件延時又決定采樣周期為2.5S。每2.5秒進行一次轉速計算即speed=count/10;同時將count數值清零，說明count數值為2.5S內脈沖個數。 3 調節器的算法誤差較大時，

25、執行PID算法；誤差較小時，執行控制量增減1的算法。其中誤差較小時采用的增減1算法是在實際硬件調試中總結出來的一種控制算法，雖然簡單但是實用，而且效果較好。也可以所有情況均采取PID算法，不加區別。4.4 PWM波形發生函數此函數功能是依據PID算式得出的控制量的大小，通過電機驅動芯片輸入電流不同組合方式，控制輸出周期一定占空比可調的PWM波形。初始化T1計數值flag=0?t1+<v?t1+<150-v?IO1=II1=0產生高電平波形flag=1t1=0IO1=II1=1產生低電平波形flag=0t1=0NYNYY開始AISHI 結束4.4.1 PWM波形發生函數流程圖 N圖4

26、.6 PWM波形發生函數流程圖4.4.2 源程序及注釋 源程序見附錄F4.4.3 對程序的說明void PWM() interrupt 3函數產生PWM一周期波形如下圖。由此可知，此函數決定電機驅動芯片輸出占空比可調的周期為150*100us=15ms的PWM波形。圖4.7 PWM波形示意圖4.6 綜合設置函數該函數實現的功能是通過按鍵設置轉速給定值，電機最大轉速110轉/秒.同時設定電機轉向和停止。4.6.1 綜合設置函數流程圖 見附錄4.6.2 源程序及注釋 程序見附錄5 硬件調試與控制策略改進5.1 程序下載 將單片機供電電源和串口線接好，然后利用STC-ISP軟件將程序下載到單片機。5

27、.2 PID參數調節 5.2.1 PID控制器參數對于系統性能影響從穩定性，反應速度，過沖和系統，例如，考慮PID控制器的三個參數的作用主要是在調節穩態精度的各個方面：比例系數Kp的作用是加快系統的響應速度，提高系統的調節精度。 KP越大，系統的響應速度快，調節系統的精度較高，但容易產生超調，甚至導致系統不穩定。Kp值很小，會使系統難以消除靜態誤差，調節精度受影響系統;積分作用系數文的作用是消除穩態誤差。淇更大的穩態誤差，該系統消除了速度較快，但文過大，剛開始的反映反應過會產生扭曲現象，造成了較大的超調響應過程。如果文過小，會使系統難以消除靜態誤差，精度穩定影響系統;微分作用系數Kd值的作用是

28、改善系統的動態特性，它的作用是抑制變化的過程中應對任何方向的偏差，提前預測偏差的變化。但Kd值過大，則過程將前進制動響應，從而延長調節時間，并會降低系統的抗干擾性能。因此，綜合整治的Kp，Ki Kd值三個參數可以使系統達到理想的工作特性。5.2.2 參數整定方法（1）經驗整定法根據上面參數對于系統性能指標影響，先設定一組參數，然后觀察響應結果，根據超調、調節時間和穩態誤差實際情況，對參數值進行修改，并反復修正試湊，直到得到較為滿意的響應結果為止。可以先整定比例度,使過渡過程基本穩定, 然后加積分消除余差, 最后加微分進一步提高控制質量。5.3.3 調試數據在實驗中分別將給定值從0變為60、70

29、、80、90、100，模擬階躍響應的發生，得到如下曲線，由圖可見，在開始會有一個周期也就是1s的純延時，在這以后的一段時間，速度調節曲線斜率很大，調速很快。當速度接近給定值以后，速度調節會變慢。當誤差很小時，這時PID調節失效，調節方式改為占空比加1，調節速度較慢，直到速度達到穩定區域時，在穩定區域內小幅擺動。調節曲線的超調很小，調節速度也較快，基本上在十秒左右就能將速度調到給定值穩定區內，系統的性能基本達標。結 論目前，PWM控制模式并更換電動機 - 發電機組飽和電抗器笨重的控制具有投資少，占地小，無噪音，運行成本低，效率高。其原理是通過改變脈沖電機電樞電壓的占空比，以實現平滑的速度控制來調

30、整。由單片機控制的直流調速系統通常由電動機，控制器，速度檢測和反饋會議在這里取代了傳統單片機的電子控制裝置（觸發，調節器），實現了數字觸發系統，數字轉速表，數字式調節器，所謂全數字化控制。該系統控制3-12V，調速范圍為0-110轉/秒的速度范圍內，電機的電壓范圍內通過連續整定PID參數，最終達到低于5的穩態誤差，調節時間小于8秒，超調量可以忽略速度的效果。參考文獻1 馬淑華、王鳳文等.單片機原理與接口技術M.北京：北京郵電大學出版社，2005：50-55.2 任彥碩、趙一丁、張家生.自動控制系統M.北京：北京郵電大學出版社，2006：40-55.3 羅金成.智能全數字直流調速系統理論研究與設計D:武漢：武漢理工大學，2006.4 徐升.全數字直流脈寬調速系統及其模糊控制算法D:武漢：華中科技大學，2006.5 楊琳琳.數字直流調速系統的設計與實現D:合肥：合肥工業大學，2007.6 賈玉瑛，王臣.基于單片機控