计算机控制实验课程设计报告直流电机转速pid控制

1、 基于89c52单片机的PWM直流电机PID控制调速系统实验报告指导老师：衣法臻姓名：杨浩学号：09212020班级：自动化0901日期：2012年7月6日星期五目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0第一章系统方案设计3直流电机转速开环控制与闭环控制的选取3直流电机调速方式的选取4直流电机测速装置的选取51.4系统控制算法的选取81.5系统总体设计10 HYPERLINK l bookmark2第二章硬件设计112.1AT89C52芯片介绍11直流电机驱动芯片ULN2803设计13数显管显示给定速度和实际速度模块15按键模块设计16测速模块设计18 HYPE

2、RLINK l bookmark4第三章软件部分设计19数显管显示软件设计部分19外部中断P3.3计数程序21定时器0中断软件设计22PWM算法程序设计25PID控制算法程序设计26按键程序设计29第四章基于matlab的PID参数设计及仿真31各部分传递函数的整定31PID参数的整定31 HYPERLINK l bookmark8第五章结果分析33第六章实验总结及感想34 HYPERLINK l bookmark10参考文献36附录一硬件系统电路原理图36附录二程序源代码36第一章、系统总体方案设计直流电机转速开环控制与闭环控制的选取对直流电机转速的控制有一般有两种方式，一种是开环控制，一种

3、是闭环控制。开环控制的优点是简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。缺点是精度通常较低，无自动纠偏能力；闭环控制的优点是控制的精度可以达到很高，而且对外界的干扰和系统的参数变化有很好的抑制作用，且可以通过输出反馈控制系统的控制过程。缺点是存在稳定性，振荡，超调等一系列问题，对系统的性能分析和设计远比开环控制麻烦。经过利弊的取舍，本次试验选择的是闭环控制，因为准备应用PID算法控制电机的转速，故而需要有实际转速进行反馈与给定的转速形成对比，进而通过算法输出PWM波形来控制直流电机。既然选择了直流电机转速闭环控制，可根据反馈机制大概做出其

4、控制模型。直流电机调速方式的选取直流无刷电机由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动。在应用实例中，磁极旋转，电枢静止，电枢绕组里的电流换向借助于位置传感器和电子开关电路来实现。电机的电枢绕组作成三相，转子由永磁材料制成，与转子轴相连的位置传感器采用霍尔传感器。3600范围内，两两相差1200安装，共安装三个。为了提高电机的特性，电机采用二相导通星形三相六状态的工作方式。开关电路采用三相桥式接线方式。基于直流电机的特性,本次试验使用的是P

5、WM脉宽调制方法。脉宽调制（PWM）是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。模拟控制电路有以下缺陷:模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。PWM对调速系统来说，系统的响应速度和稳定精度等指标比较好;电枢电流的脉动量小，容易连续，而且可以不必外加滤波电抗也可以平稳工作;系统的调速范围宽;使用元件少、线路简单。PWM的原理：理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具

6、有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图1所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。因此，从图1中可以看出，比较器输出一

7、列下降沿调制的脉冲宽度调制波。直流电机测速装置的选取经过查阅了大量资料，发现目前常用的测速装置有三种。1.3.1直流测速发电机测速直流测速发电机可分为励磁式和永磁式两种。励磁式由励磁绕组接成他励，永磁式采用矫顽力高的磁钢制成磁极。由于永磁式不需另加励磁电源，也不因励磁绕组温度变化而影响输出电压，故应用较广。根据已学过的直流发电机的工作原理知，电刷两端的感应电势E=C巾n二Kn可知aee1.电刷两端的感应电势与电机的转速成正比。2.直流发电机能够把转速信号换成电势信号，从而用来测速自动控制系统对测速发动机的要求为：1.输出电压与转速的关系曲线为线性。2.输出特性的斜率要大。3.温度变化对输出特性

8、的影响要小。4.输出电压的波纹要小。5.正反转两个方向的输出特性要一致。图中实线为直流测速发电机的理想输出特性，虚线为实际输出特性，实际特性与要求的线性特性之间存在误差，且该误差与负载电阻有关。直流测速发电机的优点是原理简单，且在一定范围内能够满足系统的需求。缺点是其输出的是电压值，如果使用在数字信号电路里是必须得用AD转换芯片转化成数字信号。而且其需要处于线性区，但是现实中线性的系统基本上很少，故而现在已经不常用。鉴于本实验使用的是单片机控制系统，故而此测速方式不适用。1.3.2霍尔传感器测速霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔(A.H.Ha

9、ll,18551938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。电机每转一圈,每一相霍尔传感器产生2脉冲,且其周期与电机转速成反比,因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短一次速度采样的时间,可测得任意一相霍尔传感器的一个正脉冲的宽度,则电机的实际转速为：V=N*30;V:速度R/mi

10、nN:每秒采样的脉冲个数霍尔传感器输出的是脉冲，可以直接将输出脉冲接入单片机外部计数器，故而非常简单实用。光电编码器测速其效果跟霍尔测速一致，但是霍尔元件利用的是电磁产生脉冲，光电编码器利用的是光产生脉冲。它的原理是通过电动机的转动带动码盘的转动，码盘上有很多缝隙，缝隙每经过红外管一次就会产生一个脉冲，进而直接输入单片机，经过算法处理得到实际转速。经过分析，本次试验选取的是光电码盘测速。首先是因为同时测量霍尔元件和光电编码器，发现光电编码器的灵敏度更高，且其价格便宜。最关键的是它很好用。1.4系统控制算法的选取控制算法是微机化控制软件系统的一个重要组成部分，可以说整个系统的控制功能主要由控制算

11、法来实线。所以控制算法的好坏直接决定了这个系统的好坏。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分）进行控制，称为PID控制。它能满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最广的控制算法。由于是用单片机控制的系统，故而我们采用数字PID控制。1.4.1模拟PID控制规律的离散化模拟形式离散化形式e(t)二r(t)-c(t)e(n)=r(n)一c(n)de(t)dTe(n)-e(n-1)T,te(t)dt0区e(i)T二T区e(i)z=0i=0 I 1.4.2数字PID控制器的差分方程u(n)=Ke(n),e(i),pITIi=o=u(n),u(n),u(n),uPID式中u(n)二Ke(n)PP

12、称为比例项u(n)=Ke(i)IPTIi=o称为积分项u(n)=KdC(n)-e(n-1)1DPT称为微分项常用的控制方式1、P控制u(n)=u(n),uP02、pi控制u(n)=u(n),u(n),uPI03、PD控制u(n)=u(n),u(n),uPD04、PID控制u(n)=u(n),u(n),u(n),uPID01.4.4PID算法的两种类型1、位置型控制例如图515调节阀控制u(n)=Ke(n)=8)Bit=0;P2=0 xff;/先关位P0=DuanData_BufferBit;/开段码switeh(Bit)/送位码ease0:P2=0XFE;break;ease1:P2=0XFD

13、;break;ease2:P2=0XFB;break;case3:P2=0XF7;break;case4:P2=0XEF;break;case5:P2=0XDF;break;case6:P2=0XBF;break;case7:P2=0X7F;break;if(time=500)/1s钟读取一次转速time=0;num=Inpluse*10;/计算转速Inpluse=0;PIDControl();/1s控制一次PWM算法程序设计(voidPWMOUT()Pwm是通过PID计算出来的偏差来调整输出脉冲的宽度还控制电机的转速的。程序流程图如下：程序如下：voidPWMOUT()PWm输出if(cnt

14、250)cnt=0;PID控制算法程序设计(voidPIDControl()当电机转速的设定值突然改变,或电机的转速发生突变时,会引起偏差的阶跃，使e增大,PID的输出uk将急剧增加或减小,以至于超过控制量的上下限,电机的转速SPEEDSET虽然不断上升,但由于控制量受到限制,其增长的速度减慢,偏差E将比正常情况下持续更长的时间保持在较大的偏差值,该程序主要是把设定的转速减当前测量得到的转速来计算偏差，从而用PWM输出方式来确定输出脉冲的宽度。程序流程图如下： I #START求偏差值e给定pid参数计算duk计算ukUk250)out=250;elseif(out0;i-)for(j=50;

15、j0;j-);3.6按键程序设计由于按键与数显管的显示相关，故其程序流程图已给，下面只给其算法如下：voidSetSpeed()/按键速度设定if(AddSpeed=0)delay(20);/有键按下if(AddSpeed=0)SpeedSet=SpeedSet+50;if(SpeedSet9999)SpeedSet=0;while(!AddSpeed);等待按键释放if(SubSpeed=0)/速度减delay(20);if(SubSpeed=0)SpeedSet-=50;/有键按下if(SpeedSetn14U2+寸nia.MzraFTliM.O?na.ra甩可斫Si.nr口口CDC匚心D

16、口-133J1FDJIW*H4盏 #I # I #charint/2ms附录二：程序源代码#include#defineucharunsigned#defineuintunsigned#defineTHCO0 xf8#defineTLCO0 x30ucharcodeDuan=0 x3F,0 x06,0 x5B,0 x4F,0 x66,0 x6D,0 x7D,0 x07,0 x7F,0 x6F;/共阴极数码管，0-9段码表ucharData_Buffer8=0,0,0,0,0,0,0,0;/数码管显示数值，数组变量定义ucharData4=0,0,0,0;ucharArry4=0,0,0,0;b

17、itflag1=0;bitflag0=0;unsignedchari=0;sbitAddSpeed=P1A1;sbitSubSpeed=P1A2;sbitStop=P1A3;按键调速sbitPWM_FC=P1A0；/PWM控制端inte=0,e1=0,e2=0;/PID偏floatuk=0,uk1=0.0,duk=0.0;/PID输出值floatKp=0.5,Ki=7,Kd=0.001;/PID控制系数intout=0;signedintSpeedSet=500;uintcnt=0;uintInpluse=0,num=0;/脉冲计数单元uintPWMTime=O;脉冲宽度voidPIDCont

18、rol();voidSystemInit();voiddelay(ucharx);voidPWMOUT();voidSetSpeed();voidSegRefre();voidmain()SystemInit();while(1)SetSpeed();SegRefre();PWMOUT();voidPIDControl()/PID偏差计算e=SpeedSet-num;duk=(Kp*(e-e1)+Ki*e+Kd*(e-2*e1+e2)/100;uk=uk1+duk;out=(int)uk;if(out250)out=250;elseif(out0;i-)for(j=50;j0;j-);voidPWMOUT()/PWm输出if(cnt250)cnt=0;voidSystemInit()TMOD=0 x21;/定时器0,计数器的初始化TH0=THCO;TL0=TLCO;TR0=1;ET0=1;EX0=1;IT0=1;PCON=0 x00;/方式一,8位数据位，一位起始位和一位