直流电动机转速PID控制系统设计

毕业设计题目直流电动机转速PID控制系统设计摘要在飞速发展的今天，各种理论不断完善和发展。在控制理论和微电子技术等新技术的推动下，中小型电动机的优点开始显现。为了提高工作效率与技术优势，中小型电动机在各种技术支持下连接到计算机，电动机控制器，传感器和电力转换器等工业控制器等。通过这种技术革新，不仅成本降低，精度提高而且控制方便。经过改良后，电动机已经不仅仅是一个组件级的执行器，而是完整的机电一体化系统，可以执行许多指定的功能。直流电机不仅仅有优良的调速性能，还能够实现均匀稳定波动小的无级调速，调速范围广，相比同等条件下的交流电机优势明显。此设计用采用PID控制直流电机，PID控制优化了控制电机的方式。PID控制技术的起源早，研究的内容深入实际工作。特别是在过程控制领域中PID控制技术发展迅速，各种发展理论日趋成熟。从发展的角度来看，PID调节技术影响着新技术，受到国内外行业越来越多的关注。PID控制是工业上最基础的最广泛应用的工业控制算法。利用霍尔传感器将转速变为单片机能够接受的脉冲频率，从而形成闭环速度控制系统，达到能够无静差调速的目标。霍尔传感器结构简单，原理易懂，安装此模块也比较简单。在该系统中显示器模块选用的是以128X64LCD显示器为主，参数调节与控制电机由4x4键盘来设置。LCD能显示汉字和一些复杂的界面比LED表示出的内容多，在系统运行后可以通过显示模块了解和获取电机时刻的运行状态与参数，4x4键盘能够编辑相关参数达到调节目的。综合上所述本设计包括电机驱动模块，控制模块，速度检测模块，电源模块以及人机交互模块。关键词：PID,直流电动机，单片机AbstractIntherapiddevelopmentoftoday,varioustheoriesareconstantlyimprovinganddeveloping.Drivenbynewtechnologiessuchascontroltheoryandmicroelectronics,theadvantagesofsmallandmedium-sizedelectricmotorsbegintoemerge.Inordertoimproveworkingefficiencyandtechnicaladvantages,smallandmedium-sizedmotorsareconnectedtoindustrialcontrollerssuchascomputers,motorcontrollers,sensorsandpowerconvertersundervarioustechnicalsupport.Throughthistechnicalinnovation,notonlythecostisreduced,theprecisionisimprovedandthecontrolisconvenient.Aftermodification,themotorisnolongerjustacomponent-levelactuator,butacompleteelectromechanicalintegrationsystem,whichcanperformmanyspecifiedfunctions.Dcmotornotonlyhasexcellentspeedregulationperformance,butalsocanrealizeuniformandstablesteplessspeedregulationwithsmallfluctuation,withawiderangeofspeedregulation,andhasobviousadvantagesoveracmotorunderthesameconditions.ThisdesignUSESPIDcontroldcmotor,PIDcontroloptimizedcontrolmotormode.TheoriginofPIDcontroltechnologyisearly.EspeciallyinthefieldofprocesscontrolPIDcontroltechnologydevelopedrapidly,variousdevelopmenttheoriesarebecomingmature.Fromtheperspectiveofdevelopment,PIDregulationtechnologyaffectsthenewtechnology,bytheindustryathomeandabroadmoreandmoreattention.PIDcontrolisthemostbasicandwidelyusedindustrialcontrolalgorithminindustry.Hallsensorisusedtochangethespeedintothepulsefrequencythatcanbeacceptedbythesinglechipmicrocomputer,soastoformaclosedloopspeedcontrolsystemandachievethegoalofnostaticspeedregulation.Hallsensorstructureissimple,theprincipleiseasytounderstand,installationofthismoduleisalsorelativelysimple.Inthissystem,thedisplaymoduleisbasedon12864LCDdisplay,andtheparameteradjustmentandcontrolmotoraresetby4x4keyboard.LCDcandisplayChinesecharactersandsomecomplexinterfacesmorethanLED.Afterthesystemisrunning,therunningstateandparametersofthemotorcanbeunderstoodandobtainedthroughthedisplaymodule.4x4keyboardcaneditrelevantparameterstoachievethepurposeofadjustment.Thedesignincludesmotordrivemodule,controlmodule,speeddetectionmodule,powermoduleandman-machineinteractionmodule.Keywords:PID,DCmotor,singlechipmicrocomputer目录TOC\o"1-5"\h\z摘要 IAbstract II目录 III\o"CurrentDocument"第1章 绪论 1\o"CurrentDocument"1.1 课题的背景及意义 1\o"CurrentDocument"1.2 国内外的发展情况 2\o"CurrentDocument"1.2.1课题现状 2\o"CurrentDocument"1.2.2课题发展趋势 3\o"CurrentDocument"1.3 本课题的主要工作 4\o"CurrentDocument"第2章 系统的整体设计 5\o"CurrentDocument"2.1 直流电机的结构 5\o"CurrentDocument"2.2 直流电机的工作原理 5\o"CurrentDocument"2.3 直流电机励磁方式 5\o"CurrentDocument"2.4直流电机的调速方式 6\o"CurrentDocument"直流电机动态数学模型 6\o"CurrentDocument"直流电机和其他常见电机的比较 7\o"CurrentDocument"PID算法及PWM控制技术简介 7\o"CurrentDocument"PID算法 7\o"CurrentDocument"模拟PID 8\o"CurrentDocument"数字PID 8\o"CurrentDocument"2.7.4数字PID参数整定方法 10\o"CurrentDocument"PWM脉冲控制直流电机 11\o"CurrentDocument"系统设计原理 11\o"CurrentDocument"第3章 系统硬件设计 13\o"CurrentDocument"3.1 硬件资源分配 13\o"CurrentDocument"3.2 主控制器模块设计 14\o"CurrentDocument"3.2.1控制器模块设计方案 14\o"CurrentDocument"3.3单片机最小系统 14\o"CurrentDocument"3.4传感器选择 15\o"CurrentDocument"3.5系统硬件设计 153.5.2电机驱动模块设计 16\o"CurrentDocument"3.5.3H桥驱动电路 16图3-2驱动电路 17\o"CurrentDocument"3.5.4基于测速模块设计 17\o"CurrentDocument"3.5.5显示电路设计 18\o"CurrentDocument"3.5.7按键电路模块设计方案 20\o"CurrentDocument"第4章系统流程设计 22\o"CurrentDocument"4.1算法设计 22\o"CurrentDocument"4.2程序流程 23结论 26\o"CurrentDocument"参考文献 27致谢 28第1章绪论课题的背景及意义PID控制器已存在70年左右。它实用运行可靠，结构比较简单，调整很方便，稳定性好.是工业控制的主要应用技术之一。控制领域中有许多的分支，比如最优控制，鲁棒控制和预测控制等等PID控制作为应用最广泛的工业控制理论是因为它是其中最基础的部分，许多控制算法甚至是从它演变而来，PID控制应用简单，控制简单，物理模型明确，理论基础成熟，它是工业控制的基石，它组成了近代工业控制的框架。另一个使PID经久不衰的原因是工业控制中遇到的干扰和不确定性，越是简单，基础保守的控制器面对扰动表现得越好，能应付许多控制中的不确定性。而对于某些高精度控制，只能在某种环境甚至特定时候才能使用，其他时候或换种环境条件就不能使用，失去了精度和控制优势。其实现在很多场合都在使用PID控制，这并不代表PID是控制中的最优选择，而是因为使用控制的大部分是工业中的基层，受知识和能力见识的影响面对更加优异的算法并不能掌握，进而不敢去尝试新的控制算法。其实这也在侧面印证了PID算法的简单和普遍适用。控制本身不是数学模型，也不是实际操作，它是理论和实际的桥梁，属于理论参与现实的工具。控制算法的最终目的就是实现自动化和智能化。直接的优点就是能够增加产量，减少消耗和人工成本，利于发展生产，确保人员安全，提高效率。自动控制系统主要分为控制器，执行契合传感器。控制器相当于人的大脑，执行组织管理的功能。执行器就好比是四肢，按照控制器的指令去控制工艺介质。传感器就可以看做感觉器官，它在工业控制中扮演了重要角色，它的稳定直接决定了调控的精确度，若错误信息被传到控制器并执行，那传感器不仅没有起到应有的作用还起了反效果。传统控制代表性的控制就是PID控制，现代控制发展了许多新控制方法。比如模糊控制，智能控制，专家系统，神经网络等等。但是他们并不是泾渭分明的，新技术的发展促进PID控制的发展，像模糊PID控制，智能PID控制就是新旧碰撞的产物。PID控制技术是机器人，智能控制域的技术根本。实时监控和控制运动部件的位置和速度，以满足有关的控制要求。它广泛应用在汽车，治疗，铁路，航空航天，钢铁等行业，一直是公共关心的主题。而电机则是现代工业硬件的基石，PID作为控制中的基础与电机结合为工业发展做出了突出的贡献。电动机作为工业动力源历史悠久，主流的电动机以交流电动机为主，不仅是因为交流电可以直接连交流电机，还因为交流电动机发展迅速，种类多。工业电机力求结构简单，操作方便，出错率，好维修。而大型直流电机结构复杂，不宜维修，把三相电转换成直流电浪费能源，不符合经济思维。不过随着各种各样新理论和术的飞速发展，直流电机又被重新重视起来。直流电机在近年来发展的也很好，因为它制动性能优异，速度控制容易所以直流电机作为工业动力有着巨大优势。电机调速性能对工业产品的品质和生产效率有着决定性的作用。而且控制速度制动性能好可以节省能源，提高安全指数。用单片机控制电动机不仅把体积缩小，而且控制精度提高。各种新的控制理论和控制芯片为电机控制注入了新鲜的血液。国内外的发展情况1.2.1课题现状1.国内现状由于近几十年全球经济快速增长,中国的工业水平得到了飞速发展，PID控制也在工业展中应用的越来越多，大量机械设备制造商正处于蓬勃发展的阶段，为PID控制的发展提供了有利环境。除了满足市场上对机械设备控制的巨大需求外，他们还进入了国际市场并参与了国际竞争。在实际的应用方面，PID控制技术已经渗透到医疗，汽车，铁路，航空航天，钢铁生产，物流和饮料生产领域。吴洪新院士率先发表的特征建模理论，直接证明了PID控制器能够广泛运用在实际的可行性，国内大多数研究情况都是反复研究已有的内容，但创意研究较少，创新性的研究成果也比较少。而且更多的是仿真结果，实际操作不多，在工程中应用较少，特别是具有长运行时间的智能PID控制器可以说是很少的。对于这种情况还需要大多数理论工作者和工程技术人员的共同努力，积极发展创新，并把理论成果运用到实际工程上，只有这样才能尽快改变这种状况。我们有必要再进一步研究，创新和应用先进的控制技术在工程中。以提高设备的性能，等级和市场竞争力为目标不断努力。在国内大环境的影响下直流电动机从默默无闻，到现在的大力发展变化巨大。这主要是因为我国物质文化发展已经进入小康水平，工业产品到生活产品的比重也在增加。最突出的就是电动车，玩具和小家电采用直流电机比重极大，促使直流电动机发展。直流电动机发展前景明朗，经济效益好。2.国外现状在国外，PID控制技术起源早，研究的也很深入。特别是过程控制方面，PID控制技术发展的迅速，发展的各种控制理论也变得日趋成熟，这是因为国外的发展了很长时间。而且国外对于研究探索方面做得非常认真。在2002年德斯伯勒和米勒对炼制过程中11,000多个控制器的调查，这些控制器全部采用PID反馈。结果是PID系统的性能取决于PID控制器的算法。应用方面，国内外差距明显。日本，欧洲和美国等国家不仅处于理论研究的前沿，而且从理论到工业上应用时间短，转化快，各种控制器在工业上崭露头角，使工业发展加速，在各种领域都有应用。比如在汽车，家电，各种工业控制器等等。随着科学技术的进步，人们对生活舒适的追求会越来越高。PID控制技术作为一种发展前景，影响着新技术，越来越受到国内外行业的关注。国外直流电动机发展领先于国内很多，不仅是因为工业革命还因为国外各种控制算法为直流电机提供了软件支持。在最前沿的技术中，已经发展变种了许多新型电机，比如航空电动机，这一直是我国的短板，再比如近几年出现的直线电机，已经在磁悬浮和地铁中应用。再比如直流电动机已经能被3D打印出来，而且性能稳定。这些技术在国外一直领先国内一步。无论在国内还是国外直流电动机都极具发展前景，性能比交流电动机好很多。虽然有着些许的缺点，但科技不断进步去处这些弊端也指日可待，到时进一步发展直流电动机就能改变工业格局具有划时代的意义。课题发展趋势PID控制器构造简单，参数含意清晰，操纵简洁，理论设计成熟稳固，控制算法简单易行，控制精度高，鲁棒性能好，可满足多半生产的需要。PID控制技术的进展历程主要是参数自适应方法和参数调整方法的研讨和开发过程。它是否定中不断发展的，早在1982年ASEANovatune团队预言PID控制将很快被淘汰。无独有偶在1989年的模型预测控制会议中发表声明说使用PI控制器就像驾驶一辆汽车只看后视镜一样，它将很快被其他方式所取代。但是直到今天PID控制仍然存在并蒸蒸日上。各种PID控制被利用在工业中。现在PID又受到了挑战。越来越多的行业要求控制精度超越PID，这种思潮成为了淘汰PID控制的声音。PID发展多年以来具体来说有四个方面的弱点:一是博而不精;二是在高精度中表现不佳;三是许多工业控制需要专门的某种控制算法，四是时间延迟。在工厂车间，ADRC被证明是PID的一个有力的替代品，它具有明显的性能优势和实用性优势。但是PID经典就经典在他的普适性和简单易用，利用鲁棒控制的分析和控制方式可以优化PID控制，再比如说上面提到的延时，可以加装预估器进行改良。PID在这个时代迎来了挑战，也为它本身迎来了一个新时代。为直流电机匹配上控制算法可以极大优化它的工作效率，先进的工业控制算法可以解决直流电动机的一些缺点，而技术的发展也会推动直流电动机的改革。优良的性能会让工业上采取更多的直流电动机，从而形成良性循环。本设计利用PID控制算法对直流电机进行合理的优化，通过对直流电动机转速调控，了解和探究直流电动机在工业控制中可能的情况。1.3本课题的主要工作该设计主要采用PID控制直流电机的速度。思路如下：以AT89S51单片机作为中心处理器，借助PID算法控制PWM脉冲，对直流电机进行调速。霍尔传感器把电机的速度转换为脉冲频率反馈到单片机中，形成具有反馈的速度控制系统，从而实现不具有静态速度控制的目标。系统使用128X64LCD显示器作为显示器的组件。使用4X4键盘和正向和反向控制设置四个参数P,I,D和V.启动后，通过显示组件了解发动机的当前速度和运行时间。该系统的硬件方面包括：电源模块、电机驱动模块、控制模块、速度检测模块、人机交互模块。检测模块、人机交互模块。第2章系统的整体设计直流电机的结构直流电机分为两大部分，转子和定子，转子主要包括换向器，电枢绕组，轴，风扇和电枢铁芯等，而另一部分是定子，主要包括电刷装置，主磁极，机座和换向极。主磁极：主要作用是在电流通过它时建立磁场，主磁极在电动机中一定是成对存在的。相极：它能有效改善换向情况，能让电机保证安全运行不产生火花。换向器：其整流作用和逆变作用，是直流电机最为主要的零件之一。直流电机的工作原理1-1示出了在直流电下，电刷A为正极性，电刷B为负极性。电流从A经由线圈ab,c,d流到B。根据电磁力定律，假如载流导体垂直于磁场线，则线圈的每个有效侧将暴露于电磁力。电磁力的方向能够通过左手的规则断定图2-1直流电机的原理模型直流电机励磁方式按照励磁方式的差别可以分为并励直流电机，串励直流电机，他励直流电机与复励直流电机。并励直流电机：励磁绕组与电枢绕组并联串励直流电机：励磁绕组与电枢绕组串联

他励直流电机：励磁绕组与电枢绕组没有电的联系复励直流电机：有两套励磁绕组，一个并联一个串联。直流电机的调速方式使用达林顿管构成的H型PWM电路调速。H型电路控制速度和方向非常方便;电子开关稳定快速普遍。使用定频调宽可以让电机在运行时稳定;而且直流电机采用软件延时所产生的定时误差在允许范围之内。直流电机动态数学模型直流电机设置如下：转速1000r/min,电流50A,电压220V,功率10kW，电枢回路的总电阻R=1.0Q，C=0.1925V*min/r，K=44，飞轮惯量GD2=10N*m2，eSU=132.8V。2图2-2调速系统的结构框图直流调速系统开环传递函数：W(s)=smlW(s)=smlKKa

―p_—Ce(2-1)(2-2)相关参数：L二0.693-^IdminL=0.017H。电磁时间常数：T=-=L二0.693-^IdminL=0.017H。电磁时间常数：T=-=0.017slR机电时间常数：GD2r375CC10x0.6em30 s=0.075s375x0.1925x30x0.1925兀Kp=21开环的放大系数：原始开环传递函数为=55.5855.58、(0.049s+1)6.026s+1)6.0167s+1)(2-3)(2-4)(2-5)(2-6)直流电机和其他常见电机的比较对比其他电机，我们首先要明白直流电机的定义，直流电机是输出或输入直流电的电机，类似的定义交流电机就是输入交流电的电机。步进电机是将接收到的脉冲信号，电机转动相关的角度。为了控制转动角度的精度，可以连续给步进电机连续的脉冲信号调整。伺服电机在工控中当作执行元件，因此也叫做执行电机。他把信号转化、电动机轴的角速度。特别的地方是电压为零不自转，转速与转矩的数量是相反的。再说说同步电机，在同步电机运行时绕组加直流励磁，需要有第三方的外力带动转子旋转，然后向外出电压。PID算法及PWM控制技术简介PID算法控制算法是工业控制的核心。控制功能是由控制算法定义的。根据比例（P）,积分（I）,微分（D）控制的偏差，通常称为PID控制。PID控制是工业生产控制算法

中应用比较广泛的一种控制算法，它比较简单，入门门槛低，容易理解和学习。模拟PIDPID模拟控制系统中的PID控制规律是工业上最经常使用的控制规律，模拟控制系统是由模拟PID调节器、执行机构与控制对象构成。图2-2模拟PID原理PID调节器会联系c(t)与r(t)的控制偏差：e(t)=r(t)－c(t)实际输出值——c(t)给定值——r(t)模拟PID控制规律1 de(t)u(t)二K[e(t)+ I0(t)dt+T―—]p To DdtT——微分时间常数，DT——积分时间常数，IK——比例系数。P模拟PID传递函数D(S)二U(S)二K(1+丄+TS)

E(S) pTSd2.7.3数字PID I2-7)2-8)2-7)2-8)2-9)2-10)PID控制规律进行离散化处理，图2-2中e(t)、c(t)、r(t)、u(t)在第n次采样收集的数据用e(n)、c(n)、r(n)、u(n)表示，式(2-1)变为e(n)=r(n)－c(n)2-10)当采样周期T小到一定的时候某些变量可以用相对简单的量进行代替。dt可以用T代替，de(t)可以用e(n)-e(n-1)换掉，积分用求和近似代替，会有下面的公式2-11)de(t)e(n)一e(n一2-11)dt2-12)Jte(t)dt〜乙e(i)T2-12)0 i=1然后(2-8)就能够离散化下面的差分方程Tn Tu(n)=K{e(nTn Tu(n)=K{e(n)+工e(n)+d[e(n)一e(n一1)]}+uPTT0Ii=1u(n)=Ke(n)pP能让积分起控制作用的是第2项，被叫做积分(I)项ui(n)即u(n)=KT兰e(i)I PTIi=1能让微分控制起作用的是第3项，称为微分(D)项uD(n)即Tu(n)=K d[e(n)一e(n一1)]D PT(2-16)2-13)2-14)2-15)这三种作用即可以一起也能单独使用，常用的方式有:u(n)二u(n)+uP0u(n)二u(n)+u(n)+uPI0u(n)二u(n)+u(n)+uPD0u(n)二u(n)+u(n)+u(n)+uPID0P控制:2-17)PI控制:2-18)PD控制:PID控制:2-19)2-20)等式(2-13)的完整输出是对应于受控对象的驱动器在每个采样时刻必须达到的位置的输出。因此，等式(2-13)也称为PID定位算法。从(2-13)可以看出，位置控制的公式不方便和快速，因为累积偏差的原因，不仅需要有存储单元参与，而且在程序的编写上难度也很高。根据公式(2-13)得到表达式u(n-1)，u(n一1)=K{e(n一1)+T e(n)+^-d[e(n一1)一e(n一2)]}+u(2-21)P T T 0Ii=1数字PID增量型控制:Au(n)二u(n)-u(n-1)二K[e(n)一e(n一1)]+Ke(n)+K[e(n)一2e(n一1)+e(n一2)] (2-22)PID从上面得到从上面得到u(n)=K[e(n)一e(n一1)]+Ke(n)+K[e(n)一2e(n-1)+e(n-2)]+uPID02-23)KP；K=KTIPT；K=KITDDPr^r °比例增益积分系数微分系数图1.2位置型控制图图2-3增量型控制图2.7.4数字PID参数整定方法理论计算的整定方法是建立在系统的数学模型的基础上，对于理论计算得出的控制参数不能使用，只有重新经过实际工程的修改，联系实际情况才能使用是在生产实践中总结出的方法，他脱胎于日常经验，上手简单，在工程上应用的很普遍，在一线控制中有很重要的意义PID控制器参数的技术的调整方法主要包括动态特性参数法，阻尼振荡法，现场经验的设定方法，限制周期的自校正方法等2.7.5PID参数的用处PID控制中有三个参数，如他的名字一般是P,I,D三个参数。如果连这三个参数都不明白是什么意思，那控制也就无从谈起了。一是比例作用，比例控制器的主要作用实际上是放大。即，比例增益可以大于1且可以小于1。是偏差也称为测量值与给定值之间的差值。二是积分作用。在时间增加的情况下，积分的累积随时间增加，并且积分的的速度受其影响。它的速度与偏差成正比。只要系统具有偏差积分控制器它就会继续工作。对于偏差，如果其值固定，则调整积分实质上是改变控制器的变化率。三是微分作用。微分作用的输出变化与微分时间的速度和偏差变化成比例。无论偏差的大小如何，偏差的速度都会发生变化。微分时间越长，微分作用的输出变化越大。PWM脉冲控制直流电机想用PWM控制直流电机要先了解它是什么，用什么控制直流电机，只有弄清楚原理才能用到实际当中，下面来具体介绍一下PWM.PWM调速原理通俗来讲PWM调速对直流和交流电机的方法是不同的，交流电机靠的是调节频率，本设计选取的电机是直流电机所以主要介绍直流电动机的调速方式。直流电动机PWM调速是通过调整驱动电压脉冲宽度解决控制速度的相关问题，和其他配套的元件改变输送到电枢电压的幅值。总而言之它靠的是调幅来改变直流电机速度。2.8.2直流电动机调速调整直流电动机速度方法：削弱磁通量，变动电枢电阻，调节电枢电压。在直流调速系统中，它主要是基于可变电压调速。其中，在可变电压速度控制系统中，它又可以分为直流PWM速度控制系统和可控整流器速度控制系统。采取微电脑的控制，全速控制系统全数字化，可靠性高，构造简单，操作维护也方便，电机稳态运行速度精度可到达较高程度，静态动态指标可以满足工业生产的标准。2.9系统设计原理搭建整个系统功能模块的组成，和各个功能模块之间的互相控制关系，将各功能模块联系起来画出总体功能的模块图图2-4功能模块图本设计的主控芯片选择的是51单片机，采用模块化的设计方法，各模块的基本功能如下：电源电路：为系统各种芯片提供稳压的电源；传感器模块：实现对电动机转速控制H桥驱动电路：实现电机的反向转动以及转速控制。(4)单片机系统：主控芯片，输出信息显示，数据综合分析等。(5)键盘模块：进行人机交互，进行设计编辑调整(6)显示模块：参数、波形和指令显示；第3章系统硬件设计本章根据系统的功能要求，以参数理论为依据，根据电路总体设计方案，选择满

足设计精度和量程等要求的传感器、显示器和单片机主控制器进行硬件电路图设计。硬件资源分配该系统的硬件资源和接线图分布如图3.1所示。以AT89S51单片机为主要设备,速度检测模块作为发动机的转速测量装置，脉冲信号通过P3.3AT89S51端口发送到单片机中，L298N作为直流电机的控制模块使用LCD128X64和4X4键盘。作为此设计的人机界面。图3.1系统硬件资源及电路连接分配图3.2主控制器模块设计3.2.1控制器模块设计方案根据设计要求，控制器主要用于产生占空比，收集和处理电机的当前速度，并根据算法得到当前所需输出的占空比脉冲。控制器的选择有两种选择。方案一：BTN7971作为系统控制的方案。BTN7971该芯片专为直流电机驱动而设计。该模块内置隔离芯片，采用双面铜涂层有效保护MCU的I/0端口，有助于散热。需要增加一个散热片匹配动大功率电机，这有助于散热和良好的机械性能。此芯片内阻小电流大，广泛应用于各种机械电机驱动，各种RC模型，大学智能机器人竞赛，控制信号兼容3.3-5.5V,通常由单片机控制。。但它很昂贵，不适合使用。方案二：采用AT89S51作为系统控制的方案。AT89S51单片机结构相对其他控制器简单，成本小，发展时间长，对它的性能在一次次的实际运用中已经得到了证明，技术积累雄厚，有完备的技术支持资料在网上可以随便查到，在工业领域运用广泛，适应了各种环境考验在普通环境下运行无压力，不会出现误差，稳定性好，程序编写简单，用2语言就能进行编程了，运算能力强大,而且常见。发生故障容易纠错，引脚相对于同等条件下的芯片少得多这样在连线时可以减少工作量降低设计难度。3.3单片机最小系统对51系列单片机来说,最小系统应该有单片机、电源供电电路，复位电路和必须的时钟电路电源供电电路：主流单片机一般用+3V和+5V，如名字一样它就为了给单片机供电而存在的，STC89C51用的是5V的供电模块，供电模块连在40脚和20脚上，40脚连在+5V上,通常称为VCC，代表了电源正极。20脚是电源负极，接GND.时钟电路：作用是提供基准时钟信号，晶振是集成了晶体时钟电路的一个元件，简单来说晶振就是集成好的时钟电路。18,19脚是晶振引脚，正常接一个11.0592M的晶振，其实实质就是每秒振荡11059200次。在此之上还要加两个20pF的电容，他的任务是帮助晶振起震，还可以维持信号的稳定。复位电路：复位电路接在RST上，单片机复位一般包括三类，上电复位，程序自动复位，手动复位。在遭遇突然断电或干扰亦或者程序死掉就有了复位电路的表现机会。断电导致的复位叫上电复位，干扰时程序死了的复位就是程序自动复位，同理程序死掉时间过长，看门狗自动复位就是手动复位。机具备了这三要素就可以运行工作，即最小系统。3.4传感器选择状态信息的检测是必须的，执行实时检测并且检测信号用于控制电动机的正常工作。检测信号分为两种类型：非电力与电力。电信号有电功率，电荷，电压和电流。检测系统中的大多数检测信号都属于非电信号，例如速度和位置。在电动机控制系统中，常用的检测信号主要包括的物理量有电流，电压，转子位置和转速。以下描述用于检测物理量的方法。这个设计中选择的是霍尔传感器进行转速的测试。传感器就如同人的感觉器官一般，对被测试的目标的某种确定的信息收集处理输出信号的装置叫做传感器。霍尔传感器的命名是因为美国科学家霍尔发现了这个有趣的现象故此被他的名字命名。对于霍尔传感器不同的测量目标要选择不同的霍尔元件。比如对磁场进行测量需要砷化镓霍尔元件保证测试精准。比如对拉力的测量是用霍尔器件制成的阵感器去测试拉力的。对于本设计测试的是电机速度一般用的都是霍尔开关和霍尔集成片。3.5系统硬件设计电源电路对于该模块考虑一下两种方案。方案一：电机运行所需的电压通过电阻分担电压控制，此种方案原理与硬件电路连接很简单，但是对能量的消耗不小，在实际运用系统中通常不考虑选取。方案二：通过如7812、7805等芯片对整流后的电压来执行稳压、降压处置，这样的方案安全性、可靠性高，对能源的利用率也高，并且电路简单易连，容易实现。根据本设计的具体要求，采用方案二成为本设计的供电模块。芯片介绍三端稳压器实际上是一种半导体元件，对临界反向击穿电压具有很高的阻抗。常用的三端稳压器有78系列7812,7824,7805,7808,7809等。78XX,XX表示它输出的电压值，。用78/79系列的三端稳压器组成的电源模块元件少，结构简单明了不复杂而且电路内有过流过热保护,特别省心,出错率低。在稳压器前缀的78,79后面的数字代表了他可以输出的电压,这样在实际构建电路过程中可以降低出错率。图3-1电源电路3.5.2电机驱动模块设计本次的设计主要目的是对直流电机转速实现控制，所以电机的驱动模块是本次设计的重中之重方案一：选用大功率晶体管组合电路构成驱动电路，这种方法结构简单，成本低、容易实现，但是由于在驱动电路中采用了大量的晶体管相互连接，使得电路抗干扰能力差、复杂、可靠性降低，我们知道在实际的生产实践过程中可靠性是一个非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。方案二：方案的电路要求设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。采用L298N、L297N等电机驱动芯片组成的模块就能满足上述要求，它的内部考虑了电路的抗干扰能力，省时省心。基于上述理论分析和实际情况，电机驱动模块选用方案二。H桥驱动电路驱动模块是控制器和驱动器之间的链接。在该系统中，单片机的I/0端口不能直接控制电机。必须添加电机驱动模块，才可根据控制要求控制电机。此处采取L298N电机驱动芯片它双桥式驱动。使用它能减少元件的数量，因为它本身所需的元件就很少其电路是由单片机输入的脉冲信号控制管子工作，可以提高运行时的可靠性。输出脚连接电流并检测出电路中的电阻，Vs需要接电源驱动模块，Vss接控制逻辑的电源。其如图3-3所示的电路，采取加装两个光电耦合器把单片机的I/O和驱动电路进行隔离，保证电路的稳定。图3-2驱动电路基于测速模块设计方案一：使用霍尔集成片。用三片霍尔金属板组成测速模块。让吸铁石和霍尔金属板正对的时候，板子上会发生金横向的导通，如果事先在电动机上安装好吸铁石薄片，把霍尔集成片固定在固定轴上，就可以通过对脉冲的计数对电机速度进行系统性的检测。方案二：测速发电机用于测量直流电动机的速度。该方案的实现原理是将测速发电机固定在直流电动机的轴上。当直流电机旋转时，转速计电机的轴一起旋转。所以，测速发电机产生的感应电动势的大小跟着直流电动机速度的大小而变化，因此精度相对较高，但因为处理方案的成本相对较高且安装繁杂，因此不采用该方案。在这个设计中。以上二种方案中，第二种方案成本高不宜采用，所以第一种方案比较适合。方案一工作原理：霍尔集成模块把产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压放大，再把信号输送给变换器和驱动器对信号进行调节使之产生频率相等的方波信号，一个周期的方波就等于转了一圈，可以靠此原理得到电机转速。单位时间内输出的脉冲数N和周期T可以求出速度公式：V=NT。测速模块图3-3测速电路显示电路设计方案一：使用LED显示数据。这种数码管的驱动简单、亮度高、功耗低、易集成、抗冲击、性能稳定，还可以用BCD码显示数字，编程方便，硬件电路调试简单。但由于本设计中需要设置的参数种类繁多，有的需要显示汉字，使用LED显示屏无法完成设计任务，不应使用。解决方案二：使用1602LCD显示器，控制显示的方式简单，硬件电路简单，功率低，可显示字符。然而，由于需要并行数据传输，并且不支持汉字，并且显示效果也很差，并且人与计算机之间的交互还有很多不足之处。解决方案三：使用128X64液晶显示器。该显示器具有低显示功率的优势，并且控制方案和硬件接线图比上述两种方案更简单。显示屏很大，可以显示汉字和符号显示器选择根据本设计对于信息显示的需要，设计采用的显示屏需要达到同时显示中文汉字时间、数字字母、和电压电流的波形等。目前基于单片机的设备设计研究时，信息显示多采用LED数码管和LCD液晶作为载体。当使用LED数码管作为显示器的时候，对于内容信息量大、信息复杂时，设计时需要采用多个数码管元件而且只能显示字母及数字，对于中文汉字、、图片波形等内容无法实现，因此常常用于简单的显示设计中，对于本设计的内容显示包括电压电流波形、中文汉字、数字、英文字母等，采用LED达不到设计的需求，所以本设计采用的是LCD液晶显示器。根据本次设计的设计要求，显示模块选用方案三。在电路中加入显示模块是有必要的，因为对系统各项参数与电机的运行状态还需要进行显示。在系统运行过程中显示的数据比较多，而且需要文字显示，在这里选用128x64液晶显示器可以较好完成任务，此显示模块主要是由128X64全点阵液晶显示器与行驱动器/列驱动器组成，它属于一种图形点阵液晶显示器可以独立完成图形显示和汉字（16X16）显示。它共有20个引脚，引脚名称和引脚编号对应如下图3-4 128x64LCD定义引脚符号引脚功能引脚符号引脚功能1VSS电源地15CS1CS1=1芯片选择左边64*64点2VDD电源正+5V16CS2CS2=1芯片选择右边64*64点3VO液晶显示驱动电源17/RST复位（低电平有效）4RSH：数据输入；L：指令码输入18VEELCD驱动负电源5R/WH：数据读取；L：数据写入19A背光电源（+）6E使能信号。20K背光电源（-）7-14DB0-DB7数据线有些型号的模块19、20脚为空脚表3-1显示模块引脚定义单片机和128x64液晶显示器的连接电路如图3-5所示:3-5显示模块电路原理接线图按键电路模块设计方案在电动机控制系统中，系统参数的输入、电机起停的控制和工作方式的设定需要按键进行操作，所以键盘是整个系统中的一部分，考虑有二种方案：解决方案1.使用独立键盘。键盘的硬件连接和软件实现很简单，按钮彼此独立。每个按钮的一端接地，另一端连接到输入线。按钮的操作状态不会影响其他按钮的输入状态。但是，由于输入端口的每一行必须占用独立键盘的每个按钮，当按钮数量很大时，I/0端口是浪费很大，因此键盘只能用于按钮数量较少或操作速度较高的情况。解决方案二：使用行列式键盘，行列式键盘也称为矩阵键盘。键盘的特征是行和列线分别连接到输入线和输出线。按钮设置在行和列线的交点处。通过这种矩阵结构，只有m跟行线和n根列线可以用来形成按钮的相位型键盘，因此矩阵键盘适用于需要大量的按键。按键控制方式选择本设计需要使用按键对时间、工作模式、显示内容和操作。根据按键组合形式可以采用独立按键和矩阵式键盘进行按键电路的设计。对于按键数量较少，单片机I/O口充足时课采用独立式按键，设计简单，开发方便；单片机通过对矩阵式键盘的列和行扫描实现按键功能，开发相对按键式复杂，但适用于按键数多、单片机I/0口不足时，本设计因按键数目和外围电路较多，消耗的单片机I/O多，因此采用矩阵式键盘。根据上面两种方案的论述，由于本次设计的系统硬件连接比较复杂，所以采用方案二矩阵式键盘进行设计。3.5.8键盘电路设计根据设计要求，4x4键盘用于调整三个参数P,I,D以及发动机的正转和反转，以及控制发动机的启动，停止，暂停继续。在每一行和每一列的交叉点上面设置按钮。这种键盘结构优化了单片机系统中I/0端口的使用情况。如图4-所示。在图L0-L3中，这是4X4键盘列信号，H0-H3是4X4键盘行信号。在这个系统中，使用PI.0-P1.3连接键盘的列信号L0-L3并选择用P0.4-P0.7链接键盘的行信号H0-H3P。按照要求设计操作面板如图3-8所示:图3-8键盘电路当系统开始运行的时候，LCD自动在入到开机界面中，当按下设置键显示屏载入参数设置界面，此时按下1、2、3、4可以设置系统中对应的各种参数和状态，输入对应的数字完成对系统的参数设定。设置后，按开始按钮启动系统。在运行过程中，控制暂停，恢复和停止运行按钮可以对系统进行控制。第4章系统流程设计本章节主要对系统的软件进行设计，使得系统能够按照设计的目的进行稳定持续运行，完成对系统的整体方案设计。本章主要内容包括：系统主程序、速度测量模块、显示电路的软件流程设计。算法设计PID控制算法是此次设计中能否取得成果的重中之重通过开始设定好的数值和实际采样得到的数值相比较得出偏差e(n)，对e(n)进行处理得到的结论再反过来去控制PWM脉冲的占空比，这样就可以实现对电动机两端电压的调节，再通过电压调节转速。其运算公式为：u(n)—K[e(n)—e(n—1)]+Ke(n)+K[e(n)—2e(n—1)+e(n—2)]+uPID0所以上面的算法是实现PID控制所不可缺少的算法。程序流程如图4-1所示。图4-1流程图4.1.2速度检测算法在本设计中直流电动机速度采集是本设计功能实现的核心重点也是非常重要的模块，它的精确度会直接影响到整个控制的精度。所以使用了霍尔传感器做为测速装置以求减少误差，规避技术上的漏洞，把靠近在圆盘边缘处放置一个霍尔传感器，只要原判旋转一圈其上的霍尔传感器也跟着旋转一圈，此时的传感器会发出一个脉冲信号。通过这种方法就可以计算出电动机的转数，如果引入频率计等元件就可轻松得到转速。其计算公式为：V=NT程序流程主流程图仅仅只有硬件的部分并不能完成相应的设计目标，所以系统中软件部分的设计也是非常重要的，按照要求设计的主程序流程如图4-3所示。图4-2主程序流程键盘程序程序流程键盘的中断程序是用来设置系统相应参数和控制系统进入相应的运行状态，其程序流程图如图4-4所示。图4-3键盘程序流程定时程序流程定时器TO中断子程序是进行速度计算、PID运算和电机运行的时间的控制器,它的流程图为4-5所示。图4-4定时程序流程显示程序流程人机对话模块中最重要部分是显示模块，在这里选用128X64LCD显示器可以实现对字符和汉字的显示.图4-5显示模块流程图结论本设计研究