《机电传动控制》模块化实验装置设计和实现 机械制造专业

摘要在机电传动控制系统中，电机控制算法和手段有很多，最早开发的模拟PID控制早已形成了典型的结构。但是它的参数一旦设定，系统在运行过程当中无法改变，但实际上，一般系统由于参数、温度等的变化，难以获得理想的控制效果。伴随电子计算机的崛起，出现了许多智能控制，数字PID技术也迅速发展起来，其不仅满足了模拟PID的控制任务，还具有灵活的控制算法和高可靠性的优点。本系统的各功能单元独立模块化，主要以数字PID为核心控制算法、51单片机作为系统控制器，产生受数字PID控制的占空比的PWM脉冲，从而实现对直流电机转速或者位移的控制，组成一个位移随动系统。同时，利用霍尔器件将电机的当前速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，实现闭环控制并达到转速检测目的。系统中还采用了LCD1602作为显示器件，通过独立按键来实现电机正反转和加减速控制，以及P、I、D参数的设置，系统在启动后可以通过显示部件了解电机当前的状态。关键词：模块化；PID；控制；机电传动

AbstractIn

the

electromechanical

drive

control

system,

there

are

many

motor

control

algorithms

and

means,

the

earliest

developed

simulation

PID

control

has

already

formed

a

typical

structure.

However,

once

its

parameters

are

set,

the

system

cannot

be

changed

in

the

process

of

operation.

However,

in

fact,

it

is

difficult

to

obtain

the

ideal

control

effect

for

the

general

system

due

to

the

changes

of

parameters

and

temperature.

With

the

rise

of

electronic

computers,

there

are

many

intelligent

control,

digital

PID

technology

has

also

developed

rapidly,

which

not

only

meets

the

simulation

PID

control

task,

but

also

has

the

advantages

of

flexible

control

algorithm

and

high

reliability.Each

functional

unit

of

the

system

is

independent

and

modularized.

The

digital

PID

as

the

core

control

algorithm

and

51

singlechip

microcomputer

as

the

system

controller

generate

the

PWM

pulse

of

duty

cycle

controlled

by

digital

PID,

so

as

to

realize

the

control

of

dc

motor

speed

or

displacement,and

constitute

a

displacement

followup

system.

At

the

same

time,

hall

device

is

used

to

convert

the

current

speed

of

the

motor

into

pulse

frequency

and

feed

back

to

the

singlechip

microcomputer

to

realize

the

closedloop

control

and

achieve

the

purpose

of

speed

detection.

LCD1602

is

also

used

as

the

display

device

in

the

system.

The

positive

and

negative

rotation

and

acceleration

and

deceleration

control

of

the

motor

are

realized

through

independent

keys,

and

the

parameters

of

P,

I

and

D

are

set.

The

current

state

of

the

motor

can

be

understood

through

the

display

components

after

the

system

is

started.

KeyWords：modularity;PID;control;electromechanical

drive目录摘要 式中：U—电枢端电压（V）；I—电枢电流（A）；R—电枢电路总电阻（Ω）；Φ—一对磁极磁通量（Wb）；K—与电动机相关的结构参数。而PWM调速实质是改变其占空比，占空比是指一个周期中高电平所占的比例，高电平所占比例大，电机速度就高；反之高电平所占比例小，电机速度就低。而脉宽调制就是通过微处理器产生可调的脉冲信号，这些脉冲信号作为驱动电路中开关器件的触发信号去控制它的导通时间，以此改变加在直流电机电枢两端的电压，从而实现电机的调速控制。目前我们常用改变占空比的方法有三种：第一种是脉冲宽度保持不变而不断改变其频率；第二种是脉冲的宽度和频率同时发生变化，这种方法实现起来稍微复杂一些，同时也会使得控制变难；第三种方法是脉冲的频率不变也就是周期T不变，而同时改变高低点电平所占时间。在本设计中选用了第三种方法，因为前两种都改变了T，若系统的固有频率与它接近时可能会产生振荡，对系统造成巨大损伤，故不宜采用。

一般PWM软件实现的方式主要有两种，第一种是通过软件延时方法产生PWM方波，但这种方法如果在输出PWM方波的同时，执行其他操作如键盘扫描，显示等的时候，单片机CPU的机器周期将会被占用一部分，影响PWM输出的准确性，并且导致处理器的响应速度减缓，一般不被采用。第二种方法是采用定时器溢出中断的方法，产生一定的脉冲信号，这种方法产生的PWM方波更精确，在程序中很复杂，并且操作较多时也可以输出准确的PWM方波。经过对两种方法的综合考虑，我选择第二种方法去产生PWM方波，第二种方法能够产生较为准确的PWM方波，并且本设计在执行PWM方波的同时，还要去执行按键、显示操作，能够更加贴近我的系统设计要求，采用第一种方法将会产生很大的偏差，因此在PWM直流电机调速系统设计中我采用第二种方法。2.3小结本章主要对PID和PWM调速原理进行了讲解，以及它们在机电传动控制系统的应用和发展，最重要的是只有了解了这些原理我们才能真正的了解自动控制，才能更进一步的学习和了解机电传动控制的机构和原理，才能够对本系统进行合理的设计。

3系统模块设计方案3.1系统总体设计方案根据系统设计的任务和要求，在深入研究机电传动控制和自动控制的基本原理后，做出系统方案框图如图3.1所示。在图中，控制器模块是该设计的核心，通过键盘和显示器模块来实现人机对话。我们可以将需要设置的参数值和状态值可以通过键盘上的按键输入，并通过控制器（STC89C52）控制显示在显示器上。在系统运行过程中，可以通过检测模块将当前的速度信号送入到控制器中，经过PID运算后改变PWM脉冲的占空比，从而实现电机速度或位移实时控制的目的。 图3.1系统整体方案图3.2控制器模块设计方案根据设计任务和要求，我们主要任务是要去解决控制器能够产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲，并且能够对电机当前速度信号进行采集处理，根据算法比较后得出当前所需输出的占空比脉冲。它就相当于我们的大脑一样，是整个系统的核心，所以我们在选择时一定要经过仔细分析和比较，最后要选择一个既方便操控又简单易懂的控制器。故此模块选用了51系列（AT89C52）单片机。采用传统的AT89C52（51系列）单片机作为本系统的核心控制器。因为我们之前学过51单片机这门课程，对它的编程和功能都比较熟悉，上手比较容易。它具有灵活的编程语言，能够辨别多种程序语言，体积小，一般受环境的影响小，成本低，使用简单等特点，基于上述等各种优点，它被广泛应用于各个工程领域。而AT89S51与它相似，但是控制稍微复杂一些，还有FPGA虽然功能强大，但是其引脚多导致控制比较复杂，会给软件程序的编写带来很大麻烦，尤其在硬件电路的设计上，可能会浪费大量的时间和精力却还达不到控制系统的要求。基于上述的种种影响，最终还是选用了51系列的单片机，它完全可以满足本系统设计的要求。3.3电机驱动模块设计方案机电传动控制系统中，我们需要解决的就是电机能否正常的运转问题，这样一来我们就必须先解决电机驱动问题。主要考虑了传统晶闸管构成的驱动电路和专用的直流电机驱动芯片。经过详细分析对比之后，本系统采用了专用的直流电机驱动芯片，如最普遍的L298N，L297N等驱动芯片。因为它们不仅考虑了电路的抗干扰能力，实际应用中的安全性，可实现性等，所以我们只需要考虑硬件连接和驱动器应用程序中的芯片。因此，此方法的电路设计相对简单，抗干扰能力强，可靠性好。设计人员不需要考虑很多硬件电路设计，并可以专注于实现算法和软件设计的任务中去，这样一来便大大提高设计人员的工作效率。3.4速度采集模块设计方案本系统是一个闭环控制系统，我们在调节过程中需要先设定电机的转速，然后与当前的实际转速值进行比较，所以我们需要设计一个速度采集电路。目前，速度采集的方式有很多种，而且市场上的传感器类型也比较多，但总的来说速度采集方面大概分为光电式传感器采集、测速发电机进行转速测量和霍尔传感器等。在本设计中采用了霍尔传感器来对速度进行采集，该器件的内部由三片霍尔金属板组成。当磁铁正对金属板时，产生霍尔效应，金属板发生横向导通。因此，磁铁片可以安装在电机上，将霍尔集成片安装在电机的固定轴上，控制器通过对脉冲的计数进行电机速度的检测。并且霍尔传感器的电参量检测系统具有很好的线性度、精确度和良好的反应时间，并且其构造简单、体积小、动态特性好和寿命长等优点。3.5显示模块设计方案本系统设计的显示模块是基于电机转速控制系统，我们需要对电机的参数、工作方式以及状态进行显示，而目前最主要的显示器有1602LCD、128×64LCD、LED等。下面对这三种显示器进行比较:

1602LCD显示器，可对字符进行显示（字符区域16*2），而且价格便宜市场供应量大，最重要的是它控制和线路连接简单且耗能小。而128×64LCD这种显示器显示程序代码量比较大，电路比较复杂，故不宜采用。但由于本次设计需要设置各种参数，需要显示字符，使用LED显示器件无法完成设计任务，因此此方法不适合。综合对比之后本系统最终采用了1602LCD。3.6键盘模块设计方案在机电传动控制系统中，为了使系统更加的人性化，便引入了键盘模块来实现人机交互，有助于我们对机电传动系统的进一步学习。一般键盘有两种，分别是独立键盘和矩阵键盘。而本设计中，我们需要使用按键对电机参数进行输入、工作方式设定以及电机起动、停止及换向的控制。因此键盘模块在整个控制系统中是不可或缺的一部分，因为本系统的输入值比较少，矩阵键盘硬件线路复杂，软件编程量大，控制起来比较复杂，不宜采用。而独立键盘各个按键相互独立，在一个按键作用时不会影响其它按键的状态，并且与单片机的连接简单，占用空间小。综上所述，键盘模块最终使用独立键盘，因为本次设计的系统硬件线路连接比较简单，输入值比较少，对软件的运行速度要求不高。3.7电源模块设计方案一个完整的系统必须要有能源供给，系统的能源就好比人的心脏一般。我们在设计过程当中必须遵守相应的规则，要能够满足系统运行的要求，符合当今社会主义核心发展观理念，对能源不能浪费，要将利用率达到最高。故此在本系统设计当中首先进行对交流电进行整流和降压，再通过稳压芯片（7812、7805）对整流后的电压进行处理，此方案对能源的利用率高，抗干扰能力强，并且电路电压稳定且易实现，设计人员不用过多考虑消除环境干扰问题。由于实际试验环境的限制，我们在实际系统中的电源模块采用了USBDC5V来实现对电机的供电。3.8小结本章主要对本设计当中各模块的设计思路做了具体说明，而且各模块的选用都进行了对比和筛选，最后做出最佳选择。只有硬件模块设计合理才能够进行软件设计，才能够顺利执行接下来的设计任务。

4模块化电路设计4.1硬件资源分配本系统的各模块通过控制器有序的连接在一起，组成一个完整的位移随动系统，硬件资源分配如下图4.1所示。。图4.1系统电路连接及硬件资源分配图4.2电源模块电路设计在本设计中单片机、显示模块等其它电路都是用5V的电源，因此在电源电路中选用7805稳压芯片，其输出最大电流为1.5A，能够满足系统的要求；但是为了以后系统的扩展还设计了直流12V电源，电路中选用7812稳压芯片。该电路的抗干扰能力比较好，其电路如图4.2所示。 图4.2电源模块电路原理图以上是设计的电源电路，由于试验条件的限制，所以在模型中只选用了USBDC5V电源来给整个系统供电。4.3电机驱动模块电路设计驱动模块是控制器与电机之间的桥梁，因为MCU的I/O口是不能直接驱动电机，这里选用了L298N芯片来驱动电机。驱动电路如图3.3所示表4.1L298N芯片引脚功能表引脚符号功能图4.3电机驱动模块电路原理图4.4速度采集模块电路设计本系统通过利用霍尔器件来获得直流电机的转速，然后将转速转换成脉冲信号，将测量转速的霍尔传感器和电机固定在同一电路板上，然后在霍尔探头相对的电机轴上固定一小磁铁，这样一来电机每转一圈霍尔传感器就会输出一个脉冲信号，将此信号接到单片机的IO口上，单片机计算一定时间内的脉冲个数便获得电机速度。如图4.4获得脉冲信号，图4.5为传感器输出信号波。(a)(b)图4.4电机的速度采集方法图4.5传感器输出的脉冲波形4.5显示模块电路设计根据设计要求要对电机运行的转态及控制参数要进行显示。综合考虑选用了1602LCD作为显示模块，其引脚名称及对应关系如图4.6所示，引脚功能如表4.1所示。图4.61602引脚分布图表4.21602液晶显示模块引脚功能引脚符号引脚功能引脚符号引脚功能1VSS电源地9DB2数据2VDD电源正+5V10DB3数据3VL液晶显示偏压11DB4数据4RSH:数据输入；L:指令码输入12DB5数据5R/WH:数据读取；L:数据写入13DB6数据6E使能信号14DB7数据7DB0数据15BL+背光电源（+）8DB1数据16BL-背光电源（-）1602液晶显示器与单片机的连接电路如图4.7所示：图4.7显示模块电路原理图4.6键盘模块电路设计根据设计需求，本系统中使用了独立键盘来实现人机交互，其电路原理图如图4.8所示。图4.8键盘模块电路原理图使用说明：系统每次开始初运行时，1602处于待机界面，若按下修改按键则进入速度设定界面或者直接使用转速“+”或“-”来实现速度的设置，若按下换页按键之后便可对P、I、D的参数通过“增加”、“减小”按键分别进行设置，一切设置完之后再次按下修改按键就可以了，此时我们可通过“换页”键返回速度显示界面。4.7小结本章主要通过使用模块化的设计方法，对电源、驱动、显示、键盘和速度采集模块进行了电路设计，而且对各个模块的电路做了详细的说明，使得更加的简洁明了，对于系统的设计思路和原理进行了实践验证。

5软件模块设计5.1算法实现5.1.1数字PID算法本设计的核心算法为数字PID，想要实现对直流电机速度的控制，先要根据速度采集模块每次采样的信号值进行处理，然后再与设定值先进行比对，接着计算得出偏差e(n)，再对eu式（5.1）因此，必须编程实现该公式的功能并下载到单片机当中，其程序流程如图5.1所示，详细代码见附录。图5.1单片机处理公式流程5.2系统程序流程5.2.1主程序流程图按照系统的控制要求和运行过程设计出主程序流程如图5.2所示。本设计主要要实现电机的控制和显示，首先在程序运行时我们得先初始化，然后调用子程序对显示界面进行清显示；然后判断是否有按键作用，若判断有的话进入显示界面开始操作；然后根据程序判断是那个按键作用，再接着根据程序的设计进行相应的电机控制，并将当前的状态进行显示。 图5.2主程序的整体流程图5.2.2速度采集模块算法本系统是基于机电传动控制系统，而其中最重的就是能够实现电机的控制，本设计则采用霍尔器件来获取电机转速信号，其计算公式为：v=60PTr/min式式中:v—电机转速;P—电机转一圈的脉冲数;T—输出方波信号周期。根据式(5.2)带入各参数的值便可计算出直流电机的转速，相应的我们则应该在程序中加入该算式。图5.3速度采集程序流程图

5.2.3键盘模块程序流程键盘模块是用来设定本系统控制的相应参数，使得系统电机进入相应的状态，能够实现人机对话，使得处理器能够捕捉到这个信息，所以键盘的设计至关重要。其具体程序流程如图5.4所示。 图5.4键盘模块程序流程图5.2.4定时程序流程本系统的定时程序是用来控制电机的运行状态，进行在PID运算，以STC89C52中的T0作为中断，其程序流程如图5.5所示。 图5.5定时程序流程图5.2.5显示模块程序流程显示模块是本系统唯一能够明确显示电机各项参数，以及运行状态和PID参数设定的窗口，能够准确表明人机对话的结果。本设计系统选用了1602LCD显示器，下面是1602LCD的相关指令如表5.1所示。表5.11602LCD的11条指令集序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4开/关显示控制0000001DCB5光标或字符移动000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符存储器地址0001字符发生器存储地址（AGG）下一页续续表5.1序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D08置数据存储器地址0011 显示数据存储器地址（ADD）9读忙标志或地址01BF计数器地址（AC）10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容下面是该系统的显示模块具体程序流程框图，如图5.6所示。图5.6显示模块程序流程图5.2.6驱动模块程序流程本系统中电机驱动模块电路采用了驱动芯片L298N，我们主要任务是能够通过控制器控制脉冲来给驱动供电，实现电机控制。其程序流程图5.7如下所示：图5.7电机驱动模块流程图5.3KeiluVision4软件简介KeilμVision软件是由KeilSoftware制造的多种语言开发系统，。并且Keil提供完整的开发解决方案，包括C编译器，宏汇编和库管理等。而KeilμVision4引入了多变的窗口管理系统，设计人员可以使用多个监视器并且可以直观地查看窗口的整个位置，而且新添了新的用户界面，设计者可以更好地利用屏幕空间，可以组织多个窗口来提高工作效率。最新的版本支持ARM芯片，还添加了新功能，能够使得用户获得完美的体验。KeilμVision4还为设计员创建了一个干净、高效的应用程序的开发环境。5.4系统Proteus仿真在一切设计完成后，选用了Proteus对系统进行仿真验证。因为它既可以对硬件电路进行仿真，更重要的是它里面元件丰富，有各种处理器，操作简单，所以在验证原理时优先选择。下面为本设计系统在Proteus中的仿真设计流程：（1）新建工程软件打开后找到File选项，左击后在弹出的对话框里选择“NewDesign”，然后在选择Default，这样新建工程就完成了。（2）设置编辑环境按照第一步的方法对Proteus软件进行环境设置，选择自己设计需要的图纸大小和风格等。（3）元件的选取在软件中找到P这个标志后双击，然后再接下来弹出的对话框里选择“KeyWords”将光标放到此处，然后输入需要的元件符号，即元件的对象选择窗口中如下图5.8所示。图5.8Proteus元器件选取界面最后在Protues软件中的左边工具栏找到源后分别放置电源和地，然后将整个系统部件进行连线，便得到系统整体电路，在仿真开始时我们最好能够进行自我检查一下，最后运行验证，如附录所示。本系统设计所需选用的元器件如下表5.2所示：表5.2系统仿真Proteus元件表序号符号名称1AT89C52单片机2RES、RESPACK-8电阻、上拉电阻3CRYSTAL晶振器4IN4007二极管5LM016L（1602LCD）液晶16×2显示器6BOUTTON按键开关7MOTOR-ENCODER直流电机8SW-SPDT单刀双掷开关（4）对程序进行编译首先在keil软件中新建一个工程，点击菜单中“Project→Newuvisionproject”在出现的CPU对话框中选择“Atmel→AT89C51”，然后再接下来的对话框中选择确认就行，在程序编译完成后鼠标选择元组右击后弹出如图5.9所示的对话框，选择Output,然后选择CerateHEXFile,最后点击确定便可，即生成了单片机使用的HEX文件。图5.9生成HEX文件界面图（5）程序加载在编辑环境的条件下，先使用鼠标选中单片机后双击进入如图5.10所示界面，接下来将之前keil编译生成的HEX文件放如到ProgramFile中，然后将ClockFrequency设置为12MHZ,最后点击确定即可。图5.10程序添加界面图（6）电路仿真如图5.11所示，点击最左方的按钮系统便进入仿真界面，然后根据自己的要求来操作按键即可。图5.11仿真按钮界面图5.5小结本章主要对各个模块进行了软件设计和算法编程，以及做出它们的流程框图，还有对仿真软件操作也进行了详细介绍，使得整个系统软硬件完全结合起来，能够实现仿真运行，验证本设计思路的正确性。

6系统测试与分析在设计完成后必须验证我们设计的合理性及电路的正确性，以防不安全事故发生，故做出仿真电路如图6.1所示。图6.1系统Protues仿真电路图如图6.2所示，本次的设计基本符合设计任务书的要求，并且基本功能都可实现，PID参数也可根据系统要求来随意设定，其显示界面采用了LCD1602分屏显示。ab图6.2系统显示图在图6.2中，a图中的“SET—表示电机速度设定，NOW—表示电机当前运行速度，PWMH—高电平持续时间，±XX—表示占空比的变化量”，在b图中的“P—表示比例项的设定，I—表示积分项的设定，D—表示微分项的设定,SUM—系统累计偏差”，以上这些参数都可使用键盘按照具体要求进行设定，并且系统可以在短时间内达到稳定状态，使我们可以直观明了的来观察电机运行过程的变化，有助于我们深入学习机电传动控制和自动控制这两门课程，而且模块化的设计方法可以增加实验操作性和趣味性，使得我们的教学实验不在枯燥乏味。 ab图6.3系统参数设定显示图在图6.3中，图a表示的是速度设定界面，图b表示PID参数的调节界面，根据故此系统的设计任务及要求，以上显示的参数设定完全符合要求，并且可以根据不同系统要求来自由设定参数值，而这一切的输入则由键盘模块来实现。经过差不多两个月的努力，做出了如图6.4所示的实物。在实物中显示模块采用了上位机显示（基于VB6.0平台），将原先的LCD显示模块进行了升级处理，其将当前速度与设定速度进行对比，并能够实时显示速度曲线。接下来将简单介绍一下实物中的各模块与具体接线方法。 a显示界面b驱动芯片c通讯模块d电源模块e检测模块f实物接线图图6.4系统实物模块及接线图

结论本论文的课题的机电控制系统是利用单片机作为中央处理器的系统核心控制，采用PID算法来产生可调占空比的PWM脉冲，从而实现控制电机的转速或者位移控制，这就呈现出一个位移随动的机电传动控制系统。在本论文中，为了能够更加明显的体现机电传动控制系统的基本原理，让机电传动控制在实验教学中体现的更加清晰，本论文对系统进行分模块化的设计理念，了解每一个模块进行详细的描述，深入剖析各个模块，最后有机的结合组成一个完整的机电传动控制系统，最后完成了系统电路的设计，完成方案验证。本系统软件部分采用C语言进行编程，然后使用Proteus进行仿真验证。归纳起来主要做了以下几方面的工作：（1）电机的闭环控制是采用PID算法，可以通过演示机电传动控制系统的原理；（2）模块化电路采用了部分到整体的思路来设计了键盘输入模块电路、驱动模块电路、显示模块电路、电源模块电路以及速度检测电路；（3）系统通过C语言进行程序设计，完成软件编程之后并通过模拟仿真（部分源程序见附录）来实现验证；（4）对于系统的PCB板的绘制是通过Protel99se软件来体现；（5）在最后需要理论进行实践验证，焊接了硬件电路，并完成运行演示。本次设计系统的主要特点：（1）系统必须要响应快速，本论文采用优化软件算法；（2）对于电机转速的实际值和系统设定值所对比的误差，在本论文使用霍尔传感器来处理，通过霍尔传感器可以将转速变成脉冲频率，而这个频率被控制器采集进行系统数据处理，这就完成PID控制作用以达到无静差调节转速的目的；（3）本论文的模块化是为了更加明确地执行系统任务，分块实现系统的部分功能要求，使系统运行安全可靠、扩展方便、功能丰富化；（4）电机的实时运行状态的体现是通过1602LCD显示模块来实现，同时增加了人机交互功能，实时对话功能的体现；（5）系统的整体仿真是通过Proteus软件来实现，来完成理论的实验，这就对于实际工程问题来说首先解决了系统的可行性，进而可以在实践中来完善系统的工程问题，避免不必要的损失；（6）在本论文中的数字PID算法，利用软件对系统实现控制，具有改变灵活，节约硬件等优点。

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