1、摘 要在機電傳動控制系統(tǒng)中，電機控制算法和手段有很多，最早開發(fā)的模擬PID控制早已形成了典型的結(jié)構(gòu)。但是它的參數(shù)一旦設(shè)定，系統(tǒng)在運行過程當中無法改變 ，但實際上，一般系統(tǒng)由于參數(shù)、溫度等的變化，難以獲得理想的控制效果。伴隨電子計算機的崛起，出現(xiàn)了許多智能控制，數(shù)字PID技術(shù)也迅速發(fā)展起來，其不僅滿足了模擬PID的控制任務(wù)，還具有靈活的控制算法和高可靠性的優(yōu)點。本系統(tǒng)的各功能單元獨立模塊化，主要以數(shù)字PID為核心控制算法、51單片機作為系統(tǒng)控制器，產(chǎn)生受數(shù)字PID控制的占空比的PWM脈沖，從而實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速或者位移的控制，組成一個位移隨動系統(tǒng)。同時，利用霍爾器件將電機的當前速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率

2、反饋到單片機中，實現(xiàn)閉環(huán)控制并達到轉(zhuǎn)速檢測目的。系統(tǒng)中還采用了LCD1602作為顯示器件，通過獨立按鍵來實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)和加減速控制，以及P、I、D參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)在啟動后可以通過顯示部件了解電機當前的狀態(tài)。關(guān)鍵詞：模塊化；PID；控制；機電傳動Abstract Intheelectromechanicaldrivecontrolsystem,therearemanymotorcontrolalgorithmsandmeans,theearliestdevelopedsimulationPIDcontrolhasalreadyformedatypicalstructure.However,onc

3、eitsparametersareset,thesystemcannotbechangedintheprocessofoperation.However,infact,itisdifficulttoobtaintheidealcontroleffectforthegeneralsystemduetothechangesofparametersandtemperature.Withtheriseofelectroniccomputers,therearemanyintelligentcontrol,digitalPIDtechnologyhasalsodevelopedrapidly,which

4、notonlymeetsthesimulationPIDcontroltask,butalsohastheadvantagesofflexiblecontrolalgorithmandhighreliability.Eachfunctionalunitofthesystemisindependentandmodularized.ThedigitalPIDasthecorecontrolalgorithmand51singlechipmicrocomputerasthesystemcontrollergeneratethePWMpulseofdutycyclecontrolledbydigita

5、lPID,soastorealizethecontrolofdcmotorspeedordisplacement,andconstituteadisplacementfollowupsystem.Atthesametime,halldeviceisusedtoconvertthecurrentspeedofthemotorintopulsefrequencyandfeedbacktothesinglechipmicrocomputertorealizetheclosedloopcontrolandachievethepurposeofspeeddetection.LCD1602isalsous

6、edasthedisplaydeviceinthesystem.Thepositiveandnegativerotationandaccelerationanddecelerationcontrolofthemotorarerealizedthroughindependentkeys,andtheparametersofP,IandDareset.Thecurrentstateofthemotorcanbeunderstoodthroughthedisplaycomponentsafterthesystemisstarted. Key Words：modularity;PID;control;

7、electromechanicaldrive- 39 -目 錄摘 要 ABSTRACTI1 緒論- 2 -1.1 研究背景- 2 -1.2 研究價值- 2 -1.3 研究內(nèi)容- 3 -1.4 小結(jié)- 3 -第二章 PID算法及PWM控制簡介- 4 -2.1 PID算法- 4 -2.1.1 模擬PID- 4 -2.1.2 數(shù)字PID- 5 -2.1.3 數(shù)字PID參數(shù)整定方法- 7 -2.2 PWM脈沖控制技術(shù)- 9 -2.2.1 PWM控制的基本原理- 9 -2.2.2 直流電機的PWM控制技術(shù)- 9 -2.3 小結(jié)- 10 -第三章 系統(tǒng)模塊設(shè)計方案- 11 -3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案- 1

8、1 -3.2 控制器模塊設(shè)計方案- 11 -3.3 電機驅(qū)動模塊設(shè)計方案- 12 -3.4 速度采集模塊設(shè)計方案- 12 -3.5 顯示模塊設(shè)計方案- 12 -3.6 鍵盤模塊設(shè)計方案- 13 -3.7 電源模塊設(shè)計方案- 13 -3.8 小結(jié)- 13 -第四章 模塊化電路設(shè)計- 14 -4.1 硬件資源分配- 14 -4.2 電源模塊電路設(shè)計- 14 -4.3 電機驅(qū)動模塊電路設(shè)計- 15 -4.4 速度采集模塊電路設(shè)計- 16 -4.5 顯示模塊電路設(shè)計- 16 -4.6 鍵盤模塊電路設(shè)計- 18 -4.7 小結(jié)- 18 -第五章 軟件模塊設(shè)計- 19 -5.1 算法實現(xiàn)- 19 -5.1

9、.1 數(shù)字PID算法- 19 -5.2 系統(tǒng)程序流程- 20 -5.2.1 主程序流程圖- 20 -5.2.2 速度采集模塊算法- 21 -5.2.3 鍵盤模塊程序流程- 22 -5.2.4 定時程序流程- 22 -5.2.5 顯示模塊程序流程- 23 -5.2.6 驅(qū)動模塊程序流程- 25 -5.3 Keil uVision4軟件簡介- 25 -5.4 系統(tǒng)Proteus仿真- 26 -5.5小結(jié)- 28 -第六章 系統(tǒng)測試與分析- 29 -結(jié) 論- 32 -致 謝- 33 -參考文獻- 34 -附 錄- 36 -1 緒論1.1 研究背景在這個時代，高速發(fā)展的科技條件下，各方面都在快速的崛起

10、，當然機電傳動控制技術(shù)也在迅速的發(fā)展；在這個數(shù)字化時代下，首當其沖的是智能控制技術(shù)在各行業(yè)的深層次的應(yīng)用，因此在這個快速的社會背景之下，掌握機電傳動控制的行動，才能立足于這個時代。根據(jù)中國的基本國情，是從一個制造業(yè)大國一步一步地向創(chuàng)新型大國的進軍，這個社會的前提下，對于機電復(fù)合型人才的需要越來越大，并且要求越來越高。那么我們就應(yīng)該了解一下，機電傳動控制的基本情況，在人才培養(yǎng)方面是機電傳動控制發(fā)展根本。當然理論是離不開實踐的檢驗，因此課程實驗室人才培養(yǎng)過程的必不可少的重要環(huán)節(jié)。在當下，只要講到機電傳動控制，都是自動控制系統(tǒng)，更加自動控制系統(tǒng)來控制機電傳動，才是一個完整的機電傳動系統(tǒng)的體現(xiàn)，在各行

11、各業(yè)都是這樣的機制。因此，奠定了機電傳動控制的社會機械地位，進一步講就是機電控制系統(tǒng)的實驗裝置在社會進程的過程中，作為一個支柱。這就充分的體現(xiàn)了機電控制的教學實驗的重要性，而在實驗控制系統(tǒng)的演示其控制原理必須讓初學者能夠簡單明了地理解并且能夠運用。那么就要求在現(xiàn)有的教學機制的基礎(chǔ)上，必須以創(chuàng)新型為理念，以控制實驗過程為指導，以實驗安全為準則，以實驗功能為目標，全面提高并發(fā)展創(chuàng)新性實驗教學質(zhì)量，這對我們一個工業(yè)大國的發(fā)展非常重要。1.2 研究價值在全球經(jīng)濟高速增長的基礎(chǔ)之下，推動了全面的科技發(fā)展，中國機械制造業(yè)也在與時俱進，不斷創(chuàng)新，進而出現(xiàn)了一大批機器設(shè)備制造商的迅速發(fā)展。看到了未來機電傳動控

12、制系統(tǒng)的廣闊市場，我們也要跟進步伐，對機電傳動控制的學習刻不容緩。我們想要學好這門課，必須從實際出發(fā)，建立創(chuàng)新性的理念，理論聯(lián)系實際，用學以致用的態(tài)度來做好準備。這樣我們學習的機電傳動控制系統(tǒng)的知識，通過我們的學以致用的學習理念，讓其知識成為解決實際工程問題的一把利劍。經(jīng)查詢相關(guān)資料，在國外，在機電控制系統(tǒng)方面，采用PID控制技術(shù)來解決工程實際問題，那么這就意味著在機電傳動控制方面的PID控制的戰(zhàn)略地位。科技的發(fā)展，人們的創(chuàng)新思維的進步，更要求工程要解放大量勞動力，采用機械來完成，那么機電控制系統(tǒng)的社會要求更加嚴峻，這一要求就要PID控制技術(shù)作為一項發(fā)展前景和社會影響力的新技術(shù)，正越來越受到國

13、內(nèi)外各行各業(yè)的高度重視。因此，該系統(tǒng)在我們了解學習機電傳動控制和自控的原理顯得特別重要。1.3 研究內(nèi)容本論文主要是機電控制系統(tǒng)的體現(xiàn)，那么PID技術(shù)必須要在機電傳動控制領(lǐng)域的應(yīng)用得到全面的體現(xiàn)，具體設(shè)計思路如下：首先調(diào)研學習國內(nèi)外自動控制教學演示裝置的發(fā)展，掌握機電傳動控制和自動控制的基本原理，然后對系統(tǒng)進行分析，以STC89C52為控制核心，通過PID控制調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比，從而實現(xiàn)電機的速度或位移控制。同時，利用霍爾傳感器采集電機轉(zhuǎn)速，然后將電機信號轉(zhuǎn)換為脈沖頻率，最后通過通訊線路反饋到單片機中進行處理，從而形成一個閉環(huán)位移隨動系統(tǒng)，達到無靜差調(diào)節(jié)的目的。本論文的系統(tǒng)，采用了化整為零

14、的設(shè)計思路，采用分模塊化設(shè)計，整個系統(tǒng)的設(shè)計要求，通過各個模塊來分任務(wù)來實現(xiàn)，這樣根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，分模塊進行功能體現(xiàn)，在把各個模塊有機地結(jié)合在一起，體現(xiàn)了整個系統(tǒng)的所有功能。在模塊化的實現(xiàn)下，系統(tǒng)中采用LCD1602和獨立式鍵盤來實現(xiàn)人機對話，可以通過鍵盤來修改P，I，D和V的參數(shù)，在系統(tǒng)的軟件編程使用了C語言進行程序設(shè)計編譯，實現(xiàn)智能型的PID控制技術(shù)，使得系統(tǒng)響應(yīng)更加敏捷。這樣的系統(tǒng)，在人工操作方面，更加人性化，系統(tǒng)的機電傳動的自動控制完美的體現(xiàn)出來，不僅在自動控制方面的加強，而且在操作人員的施工體驗滿足當代的工程要求。1.4 小結(jié)本章內(nèi)容主要是對機電傳動控制的發(fā)展做了闡述，對本系統(tǒng)的

15、設(shè)計背景和價值進行了總結(jié)，還對本設(shè)計的內(nèi)容和思路做出了解釋。 2 PID算法及PWM控制簡介2.1 PID算法PID控制是基于偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）的控制。而近幾年智能控制發(fā)展越來越快，被應(yīng)用到很多工程領(lǐng)域和和實際生活中，解決了很多人力無法處理的難題，而這些大多數(shù)都要靠先進的控制算法來實現(xiàn)。下面進行簡單介紹一下模擬PID和數(shù)字PID的原理及其參數(shù)整定的方法。2.1.1 模擬PID在社會發(fā)展進程中，人們常常采用如圖2.1所示的模擬控制： 圖2.1 模擬PID控制原理圖PID控制器中的偏差控制由輸入與輸出的差值來決定，即得出如下式子： e(t) =r(t)c(t) 式（2.1）在

16、實際應(yīng)用中，經(jīng)常滿足P、I和D的基本控制規(guī)則及對象的屬性和控制要求相結(jié)合，以實現(xiàn)最優(yōu)控制。對應(yīng)的模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 ut=Kpet+1TI&0tetdt+TDdetdt 式（2.2）式中，KP為比例增益；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。對式2.2進行拉普拉斯變換可得傳遞函數(shù)為 D(S)=U(S)E(S)=KP(1+1TIS+TDS) 式（2.3）所以我們就可以得出系統(tǒng)的輸入與輸出間的因果關(guān)系，這不但使得運算變得簡單方便，而且還方便用圖形表示和進行軟件設(shè)計。2.1.2 數(shù)字PID自從計算機和各類微控制器芯片應(yīng)用在控制系統(tǒng)中以來，越來越多的計算機或微控制器取代了模擬PID控制。因

17、此，數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計實際上也是計算機算法的設(shè)計，利用軟件設(shè)計來實現(xiàn)系統(tǒng)控制，這就是數(shù)字PID控制。由于采樣控制無法直接處理連續(xù)的控制算式，所以要將控制算法進行離散化設(shè)計，然后再將此算法進行編程設(shè)計下載到單片機里。所以對式（2.2）進行離散化處理得到：e(n) =r(n)c(n) 式（2.4）當采樣周期T特別小時可作如下代換： de(t)dte(n)e(n1)T 式（2.5）0te(t)dti=1ne(i)T 式（2.6）這樣一來，式（2.2）便可離散化得到以下差分方程：u(n)=KPe(n)+TTIi=1ne(n)+TDTe(n)e(n1)+u0 式（2.7）式（2.7）中u0是指不存在偏差時的

18、值,而式（2.7）中的第一項的作用是比例控制,稱為比例（P）項uP(n),即 up(n)=KPe(n) 式（2.8）第二項的作用是積分控制,稱為積分（I）項uI(n)即 uI(n)=KPTTIi=1ne(i) 式（2.9）第三項稱為微分（D）項uD(n)即 uDn=KPTDTenen1 式（2.10）上面所述的三種作用一般都是組合使用，常見組合有:P控制: u(n)=uP(n)+u0 式（2.11） PI控制: u(n)=uP(n)+uI(n)+u0 式（2.12） PD控制: u(n)=uP(n)+uD(n)+u0 式（2.13） PID控制: u(n)=uP(n)+uI(n)+uD(n)+

19、u0 式（2.14）式（2.7）的輸出量u(n)為全量輸出稱為位置型PID。由式（2.7）可看出，這種位置型控制算式比較復(fù)雜，一個重要原因是要對偏差e(i)進行累加，這樣的話就會大量占用單片機的存儲空間，而且程序語言編寫較為復(fù)雜，因此我們根據(jù)式（2.7）來計算求得u(n1)的表達式，即。u(n1)=KPe(n1)+TTIi=1n1e(n)+TDTe(n1)e(n2)+u0 式（2.15）綜上所述，我們用式（2.7）減去式式（2.15）即得到增量型控制算式為：u(n)=u(n)u(n1)=KPe(n)e(n1)+KIe(n)+KDe(n)2e(n1)+e(n2) 式（2.16）所以位置型控制算式

20、為：un=KPenen1+KIen+KDen2en1+en2+u0 式（2.17） 位置型和增量型數(shù)字PID示意圖分別如圖2.2和2.3所示：圖2.2 位置型示意圖圖2.3 增量型示意圖2.1.3 數(shù)字PID參數(shù)整定方法PID參數(shù)對于一個閉環(huán)控制系統(tǒng)是否能夠達到控制要求至關(guān)重要，而它的具體參數(shù)需要需要根據(jù)具體系統(tǒng)和工藝來確定，并能夠持續(xù)跟蹤設(shè)定值。系統(tǒng)輸出能夠在不同環(huán)境干擾下依舊穩(wěn)定，系統(tǒng)運行時變量盡可能小。很明顯要同時滿足上述要求很難，但是我們有必要盡可能的滿足系統(tǒng)平穩(wěn)運行的要求。 自從智能控制問世以來，出現(xiàn)了很多調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)法，但主要還是理論計算方法和工程設(shè)定方法。一般理論算法設(shè)計控制器在工

21、業(yè)控制中最難的是要獲得準確的數(shù)學模型。因此，大多數(shù)系統(tǒng)實際使用仍然是工程調(diào)整方法。工程調(diào)整方法簡單易行，可以解決一般的實際問題，其最大優(yōu)點是在設(shè)置參數(shù)時，它不依賴于被控對象的數(shù)學模型。接下來大概介紹一下常用的兩種整定方法。（1）擴充臨界比例度法 這種方法一般沒必要測試過程的動態(tài)特性，又由于臨界比例度法簡單方便，因此在工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。具體方法如下：首先選擇一個合適的采樣周期T，越小越好；工作時控制器先變?yōu)榧儽壤刂疲簿褪钦f去掉積分微分的作用，然后慢慢降低比例度（=1/KP），直至到系統(tǒng)的響應(yīng)達到臨界振蕩狀態(tài)，記錄此時K以及 Tk；選擇合適的控制度，而控制效果通常用0e2t來表示；控制度

22、0e2tdtDDC0e2tdt模擬 式（2.18）在一般的實際應(yīng)用中，不需要計算出0e2t，控制度僅僅用來判斷控制效果的物理效果。根據(jù)控制度的選定，查表2.1求得T、KP、TI、TD的值。表2.1 擴充臨界比例度法整定參數(shù) （2）經(jīng)驗試湊法在實際機電傳動控制工程當中，由于難以確定電機傳動的動態(tài)特性，即使能夠確定，其不僅計算量大還比較復(fù)雜，得到的結(jié)果與實際結(jié)果往往相差較大，甚至事倍功半。而試湊法是一般是靠現(xiàn)場工作人員積累的多年經(jīng)驗，以及對工藝方法的熟悉程度，根據(jù)測量值跟蹤和設(shè)定點曲線進行對比，不斷調(diào)整P，I和D的參數(shù)。因此，為了選擇最佳參數(shù)，有必要在生產(chǎn)現(xiàn)場進行測試以制作記錄曲線。具體操作可以按

23、照以下規(guī)則進行：首先找到一個比較理想的參數(shù)，然后按照從小到大的順序來查表，我們先變化比例項，積分和微分項歸零；緊接著在變化積分項，最后變化微分。要使得曲線變化大而頻繁，此時的比例系數(shù)首先要放大，如曲線上下變化比較大，這是比例要往下調(diào)；若曲線偏離回復(fù)變慢的話我們則需要把積分時間降一降；如果曲線在橫向方向變長也就是周期變大的話，積分時間則需要延長一些了；如果曲線振蕩的速度變快，我們要先把微分時間降下來；如果振蕩的幅度越來越慢的話我們這時需要適當?shù)陌盐⒎謺r間加長。 按照上述的方法便可實現(xiàn)對PID參數(shù)的整定，但是具體參數(shù)一直需要在現(xiàn)場調(diào)試，并不斷進行修正，從而逐漸達到系統(tǒng)控制的理想要求。這樣一來的話，

24、在我們設(shè)計系統(tǒng)開始時，必須對各個參數(shù)進行驗證處理，才能夠確保我們設(shè)計的系統(tǒng)能夠平穩(wěn)安全的運行，從而也證明我們設(shè)計的合理性。而且經(jīng)驗試湊法在設(shè)計過程當中有助于我們更加深入的了解機電傳動控制及相關(guān)知識的原理，尤其是對于一個不理解其基本原理的人來說百利而無一害。2.2 PWM脈沖控制技術(shù)PWM(Pulse Width Modulation)控制技術(shù)實際上就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的一種技術(shù)。該技術(shù)目前應(yīng)用于各種控制工程領(lǐng)域中，并取得了非常好的效果。2.2.1 PWM控制的基本原理根據(jù)采樣控制理論，脈沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在同一慣性的環(huán)節(jié)上時，效果基本差不多。如下圖2.4中的前三個圖的形狀雖不同但

25、陰影部分面機相等，也就表示當他們分別加在同一控制系統(tǒng)中時作用效果基本相同。并且脈沖的寬度越窄，它們的輸出差異越小。當脈沖變?yōu)閳D2.4中的d圖時，則該響應(yīng)該環(huán)節(jié)的過渡函數(shù)。 一般這幾種脈沖加在同一環(huán)節(jié)時，其作用結(jié)果雖然相差無幾，但響應(yīng)時間不同。圖2.4 沖量相同而形狀不同的脈沖2.2.2 直流電機的PWM控制技術(shù)直流電機具有出色的速度控制特性，平穩(wěn)舒適的速度控制，可以實現(xiàn)無級啟動和停止。能夠滿足機電控制系統(tǒng)的特定操作要求，并且廣泛用于需要速度控制或快速位移控制的前進和后退行駛的電驅(qū)動系統(tǒng)等許多領(lǐng)域。直流電動機轉(zhuǎn)速n的表達式為：n=(UIR)/K 式（2.19）式中：U電樞端電壓（V）；I電樞電流

26、（A）；R電樞電路總電阻（）；一對磁極磁通量（Wb）；K與電動機相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。而PWM調(diào)速實質(zhì)是改變其占空比，占空比是指一個周期中高電平所占的比例，高電平所占比例大，電機速度就高；反之高電平所占比例小，電機速度就低。而脈寬調(diào)制就是通過微處理器產(chǎn)生可調(diào)的脈沖信號，這些脈沖信號作為驅(qū)動電路中開關(guān)器件的觸發(fā)信號去控制它的導通時間，以此改變加在直流電機電樞兩端的電壓，從而實現(xiàn)電機的調(diào)速控制。目前我們常用改變占空比的方法有三種：第一種是脈沖寬度保持不變而不斷改變其頻率；第二種是脈沖的寬度和頻率同時發(fā)生變化，這種方法實現(xiàn)起來稍微復(fù)雜一些，同時也會使得控制變難；第三種方法是脈沖的頻率不變也就是周期T不變，

27、而同時改變高低點電平所占時間。在本設(shè)計中選用了第三種方法，因為前兩種都改變了T，若系統(tǒng)的固有頻率與它接近時可能會產(chǎn)生振蕩，對系統(tǒng)造成巨大損傷，故不宜采用。 一般PWM軟件實現(xiàn)的方式主要有兩種，第一種是通過軟件延時方法產(chǎn)生PWM方波，但這種方法如果在輸出PWM方波的同時，執(zhí)行其他操作如鍵盤掃描，顯示等的時候，單片機CPU的機器周期將會被占用一部分，影響PWM輸出的準確性，并且導致處理器的響應(yīng)速度減緩，一般不被采用。第二種方法是采用定時器溢出中斷的方法，產(chǎn)生一定的脈沖信號，這種方法產(chǎn)生的PWM方波更精確，在程序中很復(fù)雜，并且操作較多時也可以輸出準確的PWM方波。經(jīng)過對兩種方法的綜合考慮，我選擇第二

28、種方法去產(chǎn)生PWM方波，第二種方法能夠產(chǎn)生較為準確的PWM方波，并且本設(shè)計在執(zhí)行PWM方波的同時，還要去執(zhí)行按鍵、顯示操作，能夠更加貼近我的系統(tǒng)設(shè)計要求，采用第一種方法將會產(chǎn)生很大的偏差，因此在PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中我采用第二種方法。2.3 小結(jié)本章主要對PID和PWM調(diào)速原理進行了講解，以及它們在機電傳動控制系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，最重要的是只有了解了這些原理我們才能真正的了解自動控制，才能更進一步的學習和了解機電傳動控制的機構(gòu)和原理，才能夠?qū)Ρ鞠到y(tǒng)進行合理的設(shè)計。3 系統(tǒng)模塊設(shè)計方案3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)和要求，在深入研究機電傳動控制和自動控制的基本原理后，做出系統(tǒng)方案

29、框圖如圖3.1所示。在圖中，控制器模塊是該設(shè)計的核心，通過鍵盤和顯示器模塊來實現(xiàn)人機對話。我們可以將需要設(shè)置的參數(shù)值和狀態(tài)值可以通過鍵盤上的按鍵輸入，并通過控制器（STC89C52）控制顯示在顯示器上。在系統(tǒng)運行過程中，可以通過檢測模塊將當前的速度信號送入到控制器中，經(jīng)過PID運算后改變PWM脈沖的占空比，從而實現(xiàn)電機速度或位移實時控制的目的。圖3.1 系統(tǒng)整體方案圖3.2 控制器模塊設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求，我們主要任務(wù)是要去解決控制器能夠產(chǎn)生占空比受數(shù)字PID算法控制的PWM脈沖，并且能夠?qū)﹄姍C當前速度信號進行采集處理，根據(jù)算法比較后得出當前所需輸出的占空比脈沖。它就相當于我們的大腦一樣

30、，是整個系統(tǒng)的核心，所以我們在選擇時一定要經(jīng)過仔細分析和比較，最后要選擇一個既方便操控又簡單易懂的控制器。故此模塊選用了51系列（AT89C52）單片機。采用傳統(tǒng)的AT89C52（51系列）單片機作為本系統(tǒng)的核心控制器。因為我們之前學過51單片機這門課程，對它的編程和功能都比較熟悉，上手比較容易。它具有靈活的編程語言，能夠辨別多種程序語言，體積小，一般受環(huán)境的影響小，成本低，使用簡單等特點，基于上述等各種優(yōu)點，它被廣泛應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域。而AT89S51與它相似，但是控制稍微復(fù)雜一些，還有FPGA雖然功能強大，但是其引腳多導致控制比較復(fù)雜，會給軟件程序的編寫帶來很大麻煩，尤其在硬件電路的設(shè)計上

31、，可能會浪費大量的時間和精力卻還達不到控制系統(tǒng)的要求。基于上述的種種影響，最終還是選用了51系列的單片機，它完全可以滿足本系統(tǒng)設(shè)計的要求。3.3 電機驅(qū)動模塊設(shè)計方案機電傳動控制系統(tǒng)中，我們需要解決的就是電機能否正常的運轉(zhuǎn)問題，這樣一來我們就必須先解決電機驅(qū)動問題。主要考慮了傳統(tǒng)晶閘管構(gòu)成的驅(qū)動電路和專用的直流電機驅(qū)動芯片。經(jīng)過詳細分析對比之后，本系統(tǒng)采用了專用的直流電機驅(qū)動芯片，如最普遍的L298N，L297N等驅(qū)動芯片。因為它們不僅考慮了電路的抗干擾能力，實際應(yīng)用中的安全性，可實現(xiàn)性等，所以我們只需要考慮硬件連接和驅(qū)動器應(yīng)用程序中的芯片。因此，此方法的電路設(shè)計相對簡單，抗干擾能力強，可靠性

32、好。設(shè)計人員不需要考慮很多硬件電路設(shè)計，并可以專注于實現(xiàn)算法和軟件設(shè)計的任務(wù)中去，這樣一來便大大提高設(shè)計人員的工作效率。3.4 速度采集模塊設(shè)計方案本系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，我們在調(diào)節(jié)過程中需要先設(shè)定電機的轉(zhuǎn)速，然后與當前的實際轉(zhuǎn)速值進行比較，所以我們需要設(shè)計一個速度采集電路。 目前，速度采集的方式有很多種，而且市場上的傳感器類型也比較多，但總的來說速度采集方面大概分為光電式傳感器采集、測速發(fā)電機進行轉(zhuǎn)速測量和霍爾傳感器等。在本設(shè)計中采用了霍爾傳感器來對速度進行采集，該器件的內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成。當磁鐵正對金屬板時，產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)āＲ虼耍盆F片可以安裝在電機上，將霍爾集成

33、片安裝在電機的固定軸上，控制器通過對脈沖的計數(shù)進行電機速度的檢測。并且霍爾傳感器的電參量檢測系統(tǒng)具有很好的線性度、精確度和良好的反應(yīng)時間，并且其構(gòu)造簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長等優(yōu)點。3.5 顯示模塊設(shè)計方案本系統(tǒng)設(shè)計的顯示模塊是基于電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，我們需要對電機的參數(shù)、工作方式以及狀態(tài)進行顯示，而目前最主要的顯示器有1602LCD、12864LCD、LED等。下面對這三種顯示器進行比較: 1602LCD顯示器，可對字符進行顯示（字符區(qū)域16*2），而且價格便宜市場供應(yīng)量大，最重要的是它控制和線路連接簡單且耗能小。而12864LCD這種顯示器顯示程序代碼量比較大，電路比較復(fù)雜，故不宜采用

34、。但由于本次設(shè)計需要設(shè)置各種參數(shù)，需要顯示字符，使用LED顯示器件無法完成設(shè)計任務(wù)，因此此方法不適合。綜合對比之后本系統(tǒng)最終采用了1602LCD。3.6 鍵盤模塊設(shè)計方案在機電傳動控制系統(tǒng)中，為了使系統(tǒng)更加的人性化，便引入了鍵盤模塊來實現(xiàn)人機交互，有助于我們對機電傳動系統(tǒng)的進一步學習。一般鍵盤有兩種，分別是獨立鍵盤和矩陣鍵盤。而本設(shè)計中，我們需要使用按鍵對電機參數(shù)進行輸入、工作方式設(shè)定以及電機起動、停止及換向的控制。因此鍵盤模塊在整個控制系統(tǒng)中是不可或缺的一部分，因為本系統(tǒng)的輸入值比較少，矩陣鍵盤硬件線路復(fù)雜，軟件編程量大，控制起來比較復(fù)雜，不宜采用。而獨立鍵盤各個按鍵相互獨立，在一個按鍵作用

35、時不會影響其它按鍵的狀態(tài)，并且與單片機的連接簡單，占用空間小。綜上所述，鍵盤模塊最終使用獨立鍵盤，因為本次設(shè)計的系統(tǒng)硬件線路連接比較簡單，輸入值比較少，對軟件的運行速度要求不高。3.7 電源模塊設(shè)計方案一個完整的系統(tǒng)必須要有能源供給，系統(tǒng)的能源就好比人的心臟一般。我們在設(shè)計過程當中必須遵守相應(yīng)的規(guī)則，要能夠滿足系統(tǒng)運行的要求，符合當今社會主義核心發(fā)展觀理念，對能源不能浪費，要將利用率達到最高。故此在本系統(tǒng)設(shè)計當中首先進行對交流電進行整流和降壓，再通過穩(wěn)壓芯片（7812、7805）對整流后的電壓進行處理，此方案對能源的利用率高，抗干擾能力強，并且電路電壓穩(wěn)定且易實現(xiàn)，設(shè)計人員不用過多考慮消除環(huán)境

36、干擾問題。由于實際試驗環(huán)境的限制，我們在實際系統(tǒng)中的電源模塊采用了USB DC5V來實現(xiàn)對電機的供電。3.8 小結(jié)本章主要對本設(shè)計當中各模塊的設(shè)計思路做了具體說明，而且各模塊的選用都進行了對比和篩選，最后做出最佳選擇。只有硬件模塊設(shè)計合理才能夠進行軟件設(shè)計，才能夠順利執(zhí)行接下來的設(shè)計任務(wù)。4 模塊化電路設(shè)計4.1 硬件資源分配本系統(tǒng)的各模塊通過控制器有序的連接在一起，組成一個完整的位移隨動系統(tǒng)，硬件資源分配如下圖4.1所示。圖4.1 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖4.2 電源模塊電路設(shè)計在本設(shè)計中單片機、顯示模塊等其它電路都是用5V的電源，因此在電源電路中選用7805穩(wěn)壓芯片，其輸出最大電流為1

37、.5A，能夠滿足系統(tǒng)的要求；但是為了以后系統(tǒng)的擴展還設(shè)計了直流12V電源，電路中選用7812穩(wěn)壓芯片。該電路的抗干擾能力比較好，其電路如圖4.2所示。圖4.2 電源模塊電路原理圖以上是設(shè)計的電源電路，由于試驗條件的限制，所以在模型中只選用了USB DC5V電源來給整個系統(tǒng)供電。4.3 電機驅(qū)動模塊電路設(shè)計驅(qū)動模塊是控制器與電機之間的橋梁，因為MCU的I/O口是不能直接驅(qū)動電機，這里選用了L298N芯片來驅(qū)動電機。驅(qū)動電路如圖3.3所示表4.1 L298N芯片引腳功能表引腳符號功能 圖4.3 電機驅(qū)動模塊電路原理圖4.4 速度采集模塊電路設(shè)計本系統(tǒng)通過利用霍爾器件來獲得直流電機的轉(zhuǎn)速，然后將轉(zhuǎn)速

38、轉(zhuǎn)換成脈沖信號，將測量轉(zhuǎn)速的霍爾傳感器和電機固定在同一電路板上，然后在霍爾探頭相對的電機軸上固定一小磁鐵，這樣一來電機每轉(zhuǎn)一圈霍爾傳感器就會輸出一個脈沖信號，將此信號接到單片機的IO口上，單片機計算一定時間內(nèi)的脈沖個數(shù)便獲得電機速度。如圖4.4獲得脈沖信號，圖4.5為傳感器輸出信號波。 (a) (b)圖4.4 電機的速度采集方法圖4.5 傳感器輸出的脈沖波形4.5 顯示模塊電路設(shè)計 根據(jù)設(shè)計要求要對電機運行的轉(zhuǎn)態(tài)及控制參數(shù)要進行顯示。綜合考慮選用了1602LCD作為顯示模塊，其引腳名稱及對應(yīng)關(guān)系如圖4.6所示，引腳功能如表4.1所示。圖4.6 1602引腳分布圖表4.2 1602液晶顯示模塊引

39、腳功能引腳符 號引 腳 功 能引腳符 號引 腳 功 能1VSS電源地9DB2數(shù)據(jù)2VDD電源正+5V10DB3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11DB4數(shù)據(jù)4RSH:數(shù)據(jù)輸入；L:指令碼輸入12DB5數(shù)據(jù)5R/W H:數(shù)據(jù)讀取；L:數(shù)據(jù)寫入13DB6數(shù)據(jù)6E使能信號14DB7數(shù)據(jù)7DB0數(shù)據(jù)15BL+ 背光電源（+）8DB1數(shù)據(jù)16BL- 背光電源（-）1602液晶顯示器與單片機的連接電路如圖4.7所示：圖4.7 顯示模塊電路原理圖4.6 鍵盤模塊電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計需求，本系統(tǒng)中使用了獨立鍵盤來實現(xiàn)人機交互，其電路原理圖如圖4.8所示。圖4.8 鍵盤模塊電路原理圖使用說明：系統(tǒng)每次開始初運行時，1602處

40、于待機界面，若按下修改按鍵則進入速度設(shè)定界面或者直接使用轉(zhuǎn)速“+”或“-”來實現(xiàn)速度的設(shè)置，若按下?lián)Q頁按鍵之后便可對P、I、D的參數(shù)通過“增加”、“減小”按鍵分別進行設(shè)置，一切設(shè)置完之后再次按下修改按鍵就可以了，此時我們可通過“換頁”鍵返回速度顯示界面。4.7 小結(jié) 本章主要通過使用模塊化的設(shè)計方法，對電源、驅(qū)動、顯示、鍵盤和速度采集模塊進行了電路設(shè)計，而且對各個模塊的電路做了詳細的說明，使得更加的簡潔明了，對于系統(tǒng)的設(shè)計思路和原理進行了實踐驗證。5 軟件模塊設(shè)計5.1 算法實現(xiàn)5.1.1 數(shù)字PID算法本設(shè)計的核心算法為數(shù)字PID，想要實現(xiàn)對直流電機速度的控制，先要根據(jù)速度采集模塊每次采樣的

41、信號值進行處理，然后再與設(shè)定值先進行比對，接著計算得出偏差e(n)，再對e(n)進行P、I、D運算，最后得到運算結(jié)果。然后利用該結(jié)果控制脈沖的輸出，從而控制電機轉(zhuǎn)速。其過程運算公式為：un=Kpenen1+KIen+KDen2en1+en2+u0式（5.1） 因此，必須編程實現(xiàn)該公式的功能并下載到單片機當中，其程序流程如圖5.1所示，詳細代碼見附錄。圖5.1 單片機處理公式流程5.2 系統(tǒng)程序流程 5.2.1 主程序流程圖按照系統(tǒng)的控制要求和運行過程設(shè)計出主程序流程如圖5.2所示。本設(shè)計主要要實現(xiàn)電機的控制和顯示，首先在程序運行時我們得先初始化，然后調(diào)用子程序?qū)︼@示界面進行清顯示；然后判斷是否

42、有按鍵作用，若判斷有的話進入顯示界面開始操作；然后根據(jù)程序判斷是那個按鍵作用，再接著根據(jù)程序的設(shè)計進行相應(yīng)的電機控制，并將當前的狀態(tài)進行顯示。圖5.2 主程序的整體流程圖5.2.2 速度采集模塊算法本系統(tǒng)是基于機電傳動控制系統(tǒng)，而其中最重的就是能夠?qū)崿F(xiàn)電機的控制，本設(shè)計則采用霍爾器件來獲取電機轉(zhuǎn)速信號，其計算公式為： v=60PT r/min 式（5.2）式中: v電機轉(zhuǎn)速; P電機轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù); T輸出方波信號周期。根據(jù)式( 5.2) 帶入各參數(shù)的值便可計算出直流電機的轉(zhuǎn)速，相應(yīng)的我們則應(yīng)該在程序中加入該算式。圖5.3 速度采集程序流程圖5.2.3 鍵盤模塊程序流程鍵盤模塊是用來設(shè)定本系統(tǒng)

43、控制的相應(yīng)參數(shù)，使得系統(tǒng)電機進入相應(yīng)的狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)人機對話，使得處理器能夠捕捉到這個信息，所以鍵盤的設(shè)計至關(guān)重要。其具體程序流程如圖5.4所示。圖5.4 鍵盤模塊程序流程圖5.2.4 定時程序流程本系統(tǒng)的定時程序是用來控制電機的運行狀態(tài)，進行在PID運算，以STC89C52中的T0作為中斷，其程序流程如圖5.5所示。圖5.5 定時程序流程圖5.2.5 顯示模塊程序流程顯示模塊是本系統(tǒng)唯一能夠明確顯示電機各項參數(shù)，以及運行狀態(tài)和PID參數(shù)設(shè)定的窗口，能夠準確表明人機對話的結(jié)果。本設(shè)計系統(tǒng)選用了1602LCD顯示器，下面是1602LCD的相關(guān)指令如表5.1所示。表5.1 1602LCD的11條指

44、令集序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4開/關(guān)顯示控制0000001DCB5光標或字符移動000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符存儲器地址0001字符發(fā)生器存儲地址（AGG）下一頁續(xù)續(xù)表5.1序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D08置數(shù)據(jù)存儲器地址0011顯示數(shù)據(jù)存儲器地址（ADD）9讀忙標志或地址01BF計數(shù)器地址（AC）10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容下面是該系統(tǒng)的顯示模塊具體程

45、序流程框圖，如圖5.6所示。圖5.6 顯示模塊程序流程圖5.2.6 驅(qū)動模塊程序流程本系統(tǒng)中電機驅(qū)動模塊電路采用了驅(qū)動芯片L298N，我們主要任務(wù)是能夠通過控制器控制脈沖來給驅(qū)動供電，實現(xiàn)電機控制。其程序流程圖5.7如下所示： 圖5.7 電機驅(qū)動模塊流程圖5.3 Keil uVision4軟件簡介 Keil Vision軟件是由Keil Software制造的多種語言開發(fā)系統(tǒng)，。并且Keil提供完整的開發(fā)解決方案，包括C編譯器，宏匯編和庫管理等。而Keil Vision4引入了多變的窗口管理系統(tǒng)，設(shè)計人員可以使用多個監(jiān)視器并且可以直觀地查看窗口的整個位置，而且新添了新的用戶界面，設(shè)計者可以更好

46、地利用屏幕空間，可以組織多個窗口來提高工作效率。最新的版本支持ARM芯片，還添加了新功能，能夠使得用戶獲得完美的體驗。Keil Vision4還為設(shè)計員創(chuàng)建了一個干凈、高效的應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境。5.4 系統(tǒng)Proteus仿真在一切設(shè)計完成后，選用了Proteus對系統(tǒng)進行仿真驗證。因為它既可以對硬件電路進行仿真，更重要的是它里面元件豐富，有各種處理器，操作簡單，所以在驗證原理時優(yōu)先選擇。下面為本設(shè)計系統(tǒng)在Proteus中的仿真設(shè)計流程：（1）新建工程 軟件打開后找到File選項，左擊后在彈出的對話框里選擇“New Design”，然后在選擇Default，這樣新建工程就完成了。（2）設(shè)置編輯環(huán)

47、境 按照第一步的方法對Proteus軟件進行環(huán)境設(shè)置，選擇自己設(shè)計需要的圖紙大小和風格等。（3）元件的選取 在軟件中找到P這個標志后雙擊，然后再接下來彈出的對話框里選擇“Key Words”將光標放到此處，然后輸入需要的元件符號，即元件的對象選擇窗口中如下圖5.8所示。圖5. 8 Proteus元器件選取界面最后在Protues軟件中的左邊工具欄找到源后分別放置電源和地，然后將整個系統(tǒng)部件進行連線，便得到系統(tǒng)整體電路，在仿真開始時我們最好能夠進行自我檢查一下，最后運行驗證，如附錄所示。本系統(tǒng)設(shè)計所需選用的元器件如下表5.2所示：表5.2 系統(tǒng)仿真Proteus元件表序號符號名稱1AT89C52

48、單片機2RES、RESPACK-8電阻、上拉電阻3CRYSTAL晶振器4IN4007二極管5LM016L（1602LCD）液晶162顯示器6BOUTTON按鍵開關(guān)7MOTOR-ENCODER直流電機8SW-SPDT單刀雙擲開關(guān)（4）對程序進行編譯 首先在keil軟件中新建一個工程，點擊菜單中“ProjectNew uvision project”在出現(xiàn)的CPU對話框中選擇“AtmelAT89C51”，然后再接下來的對話框中選擇確認就行，在程序編譯完成后鼠標選擇元組右擊后彈出如圖5.9所示的對話框，選擇Output,然后選擇Cerate HEX File,最后點擊確定便可，即生成了單片機使用的HEX文件。 圖5.9 生成HEX文件界面圖（5）程序加載 在編輯環(huán)境的條件下，先使用鼠標選中單片機后雙擊進入如圖5.10所示界