基于51单片机的PID直流电机设计.docx

1、课 程 设 计 课程名称 计 算 机 控 制 技 术 题目名称 直 流 电 机 PID 调 速 学生学院 信 息 工 程 学 院 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 目 录(contents)摘要.* 第一章 方案选择1.1 PID算法 . .*1.2 PID参数整定.*1.3 PWM脉冲控制技术.*第二章 分析与计算2.1. 系统设计方案. . .*2.2. 数字PID控制器. .*2.3. 凑式法整定PID参数. .*2.4. 直流电机测速. . .*第三章 硬件电路设计3.1. 元器件介绍. . .*3.2. 电源驱动电路. . .1*3.3. 电机调速控制电路. .1*第四章 程序设

2、计4.1. 系统程序流程图. .1*4.2. 抗积分饱和的办法. .1*4.3. 积分分离的办法. .1*4.4 指令冗余技术的应用. .1*第五章 调试过程5.1. 只有比例环节(P). . .1*5.2. 加入积分环节(PI). . .2*5.3. 加入微分分离(PID) .2*5.4. 只使用比例积分环节（PD）. . .2*第六章 设计心得. . .2*第七章 参考文献. .2*第八章 附录（程序). .2* 摘 要现代工业生产中，随着生产规模的不断壮大，人们对产品质量的要求日益提高，以及现代环境的复杂化，使工业过程控制系统已成为生产中必不可少的设备。PID控制是最为广泛和通用的的控制

3、方法，PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。虽然各种现代控制技术频繁的出现，但并没有削弱PID控制器的应用。相反,新技术的出现对于PID控制技术的发展起了很大的推动作用。一方面,各种新的控制思想不断被应用于PID控制器的设计之中或者是使用新的控制思想设计出具有PID结构的新控制器,PID控制技术被注入了新的活力。另一方面,某些新控制技术的发展要求更精确的PID控制,从而刺激了PID控制器设计与参数整定技术的发展。本次课程设计以8051单片机为基础设计一个PID控制器，包括电源、显示、按键电路和复位晶振电路还有测速和控制电机电路，最后在Proteus

4、与Keil搭建的仿真平台上进行仿真。关键词：PID控制器; 8051单片机； PID参数；ABSTRACTWith the growing scale of production in modern industrial production , product quality increasing the complexity of modern environmental and industrial process control systems have become essential equipment in the production .PID control is the m

5、ost widespread and common control , PID controller is its simple structure , good stability , reliable , and easy to adjust and become one of the industrial control . Although a variety of modern control technology is frequent, but did not weaken the application of the PID controller . On the contra

6、ry, the emergence of new technologies for the development of the PID control technology played an important role in promoting .On the one hand , among the variety of new control ideas continue to be applied to the PID controller design or use of thought control to design a new controller with PID st

7、ructure , the PID control technology has injected new vitality . On the other hand , the development of some of the new control technology requirements for more accurate PID control , thereby stimulating the development of PID controller design and parameter tuning technology .This paper based on th

8、e design of a PID controller in 8051 , including the power supply , display , button and reset circuit crystal oscillator circuit , the speed of Measurement and motor conversion circuit , and finally the simulation on Proteus and Keil simulation platform Keywords: PID controller; 8051SCM ; PID param

9、eters 第一章 方案选择1.1 PID算法增量式PID：是指数字控制器的输出只是控制量的增量u(k)。采用增量式算法时，计算机输出的控制量u(k)对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现；也可以采用软件来实现，如利用算式u(k)=u(k-1)+u(k)程序化来完成。增量式算法优点：算式中不需要累加。控制增量u(k)的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时

10、影响范围小、不会严重影响生产过程；手动自动切换时冲击小。当控制从手动向自动切换时，可以作到无扰动切换。位置式PID算法，该控制算法提供了执行机构的具体位置，PID输出与整个过去的状态有关，容易产生大的累加误差。位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对e(k)进行累加，运算量大；而且控制器的输出u(k)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。方案选择：此次课设采用增量式PID算法，原因是PWM占空比和转速不成线性关系，无法准确改变占空比来达到期望速度，采用增量式的好处是只要有误差存在就可以不断增加或

11、者减少占空比来达到期望速度，同时也不会出现一旦计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化的问题。1.2 PID参数整定在模拟控制系统中，参数整定的方法较多，常用的实验整定法有：临界比例度法、阶跃响应曲线法、试凑法等。数字控制器参数的整定也可采用类似的方法，如扩充的临界比例度法、扩充的阶跃响应曲线法、试凑法等。扩充临界比例度法：是对模拟控制器中使用的临界比例度法的扩充。其步骤如下：（1）选择一个足够短的周期，具体地说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。（2）用选定的采样周期使系统工作。这时，数字控制器去掉积分作用和微分作用，只保留比例作用。然后逐渐减小比例

12、度，直到系统发生持续等幅振荡。记下使系统发生振荡的临界比例度和系统的临界振荡周期。（3）选择控制度。所谓控制度就是以模拟调节器为基准，将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常用误差平方面积表示。 控制度 实际应用中并不需要计算出两个误差平方面积，控制度仅表示控制效果的物理概念。通常，当控制度为1.05时，就可以认为DDC与模拟控制效果相当；当控制度为2.0时，DDC比模拟控制效果差。（4）根据选定的控制度，查表1求得T、的值。控制度控制规律T1.05PI0.030.530.881.05PID0.0140.630.490.141.20PI0.050.490.911.

13、20PID0.0430.0470.470.161.50PI0.140.420.991.50PID0.090.340.430.202.00PI0.220.361.052.00PID0.160.270.400.22表1.扩充临界比例度法整定参数凑试法，根据参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。凑试法整定规则：增大比例系数Kp一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减少静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生震荡，使稳定性变坏。增大积分时间Ti有利于减小超调，减小震荡，使系统更加稳定，但系统的静差消除将随之减慢。增大微分时间Td亦有利于加快系统响应，使超

14、调量减少，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。在凑试时，可以参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行下述先比例，后积分，再微分的整定步骤。具体也可以按照以下口诀进行：参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加；曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳；曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长；曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢，微分时间应加长。 3方案选择：此次课设采用凑试法。主要原因是由于被控对象是直流电机，一般不具有振荡特性，其飞升曲线是单调变化的，并没有自平衡特性，也就是说在只有比例

15、环节的情况下不可能出现等幅震荡的情况。再者又发现直流电动机的纯滞后时间往往为零点零几秒左右，要选择一个足够短的采样周期，使其为直流电动机对象的纯滞后时间的十分之一以下，若选择十分之一，当采用此周期作为系统采样周期时，发现根本采集不了速度，因为测速模块的频率跟不上系统采样频率。基于以上原因，故选择采用凑试法来确定PID参数。1.3 PWM脉冲控制技术PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其

16、效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图1中a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图1的a为矩形脉冲，图1的b为三角脉冲，图1的c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为如图1的d所示的单位脉冲函数时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。图1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图2a的电路是一个具体的例子。图中为窄脉冲，其形状和面积分别如图1的a、b、c、d所示，为电路的输入。该输入

17、加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流为电路的输出。图2b给出了不同窄波时的响应波形。从波形可以看出，在的上升段，脉冲形状不同时的形状也略有不同，但其下降段几乎完全相同。脉冲越窄，各波形的差异也越小。如果周期性的施加上述脉冲，则响应也是周期性的。用傅立叶级数分解后将可看出，各在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同2。 图2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛

18、的应用。直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。所以在直流调速系统中，都是以变压调速为主。其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。直流PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。同样，由于开关频率高,快速响应特性好,

19、动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、装置效率高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。正因为直流PWM调速系统有以上优点，并且随着电力电子器件开关性能的不断提高，直流脉宽调制( PWM) 技术得到了飞速的发展。随着科学技术的迅猛发展传统的模拟和数字电路已被大规模集成电路所取代，这就使得数字调制技术成为可能。目前，在该领域中大部分应用的是数字脉宽调制技术。电动机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，并且结构简单、可靠性高、操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高

20、水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。下面主要介绍直流电机PWM调速系统的算法实现。根据PWM控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的PWM脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间T内脉冲宽度为,幅值为U，由图3可求得此时间内脉冲的等效直流电压为： 图3 PWM脉冲，若令，即为占空比，则上式可化为： (U为脉冲幅值) 若PWM脉冲为如图4所示周期性矩形脉冲，那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同，即 （为矩形脉冲占空比） 图4 周期性PWM矩形脉冲由式4可知，要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值U和占空比来实现

21、，因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的，所以通常通过控制占空比的大小实现等效直流电压在0U之间任意调节，从而达到利用PWM控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。第二章 分析与计算2.1系统设计方案图5.系统方案框图图5中控制器模块为系统的核心部件，按键和显示器用来实现人机交互功能，其中通过按键将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。 2.2. 数字PID控制

22、器模拟PID调节器的控制规律为 上式中，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。当采样周期足够小时，在模拟调节器的基础上，通过数值逼近的方法，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。这样，上式便可离散化以下差分方程： 上式中是偏差为零时的初值；比例控制作用： 积分控制作用：微分控制作用：由于输出量u(n)为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。因此又称为位置型PID算式。位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e(i),不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此对其进行改进。得出u(n-1)的表达式：所以数字PID增量型控制算式为

23、： 上式中称为比例增益；称为积分系数； 5称为微分系数。2.3 凑式法整定PID参数增大比例系数 Kp，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例 系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 增大积分时间 Ti 有利于减小超调，减小振荡；使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。 增大微分时间 Td 亦有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能 力减弱，对扰动有较敏感的响应。在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。（1）首先整定比例部分，将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应

24、，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。（2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。将已经调节好的比例系数略为缩小(一般缩小为原值的0.8)，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期待得到满意的控制过程与整定参数。（3）如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。一般的系统D=0，1或2。只有部分滞后较大的系统，D值才可能调大些。2.4. 直流电

25、机测速直流测速发电机测速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。根据直流发电机的工作原理知，电刷两端的感应电势 ：Ea= Cen=Ken由上式可知：电刷两端的感应电势与电机的转速成正比。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：输出电压与转速的关系曲线为线性。输出特性的斜率要大。温度变化对输出特性的影响要小。输出电压的波纹要小。正反转两个方向的输出特性要一致。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

26、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。霍尔传感器测速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.Hall，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

27、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/minN: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

28、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。方案选择：此次课设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。第三章 硬件电路设计3.1. 元器件介绍1. STC89C52单片机： STC89C52单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。它的芯片引脚少，在硬件很容易实现。并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，在各个领域中应用广泛。AT89C52为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通

29、用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相

30、连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 图6.STC89C52RC管脚图其主要功能特性:1、兼容MCS51指令系统2、8k可反复擦写(大于1000次）Flash ROM；3、32个双向I/O口；4、256x8bit内部RAM；5、3个16位可编程定时/计数器中断；6、时钟频率0-24MHz；7、2个串行中断，可编程UART串行通道；8、2个外部中断源，共8个中断源；9、2个

31、读写中断口线，3级加密位；10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能； 82. 电机驱动方案选择由于要对直流电机进行PID控制，因此在调节过程中电机不可避免的要进行正反转，在此选用L298N作为电机驱动单元，此驱动可控制两路电机，而且能满足正反转的要求。其电路图7如下：图7.L298N驱动电路模块其中VS接外电源（最高可达35V），IN1与IN2接控制器的控制端，OUT1与OUT2接电机的正负极，ENA为使能端，高电平有效，SENA低电平有效。如果控制两路电机，则其他端口与上面设置一样。3.CH340：是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口、USB转IrDA红外或者USB转打印口

32、。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。在红外方式下，CH340外加红外收发器即可构成USB红外线适配器，实现SIR红外线通讯。其特点是： 全速USB设备接口，兼容USBV2.0，外围元器件只需要晶体和电容。仿真标准串口，用于升级原串口外围设备，或者通过USB增加额外串口。计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改。硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50bps2Mbps。支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。通过外加电平转换器件，提供RS23

33、2、RS485、RS422等接口。支持IrDA规范SIR红外线通讯，支持波特率2400bps到115200bps。软件兼容CH341，可以直接使用CH341的驱动程序。支持5V电源电压和3.3V电源电压。提供SSOP-20和SOP-16无铅封装，兼容RoHS。 3.2. 电源驱动电路图8.电源模块由上图可知电源电路将输出一个15V和一个5V电压，为单片机和电机系统提供所需的电压。3.3. 电机调速控制电路图9.电机调速系统原理图第四章 程序设计4.1. 程序系统流程图 开始 初始化 检测 PID调节 输出显示 串口发送数据4.2 抗积分饱和的办法如果执行机构机构已到达极限位置，仍然不能消除偏差

34、时，由于积分作用，尽管计算PID差分方程式所得的运算结果继续增大或者减小，但执行机构已无相应动作，这就是积分饱和。当出现积分饱和时，势必使超调量增加，控制品质变坏。作为防止积分饱和的办法之一，可对计算出的控制量u(k)限幅，同时把积分作用切除掉。程序体现如下：if(speed300)speed=300;/抗积分饱和if(speed=5&ek=-5)/积分分离 Uk=Kp*(ek-ek1)+Ki*ek+Kd*(ek-2*ek1+ek2); /增量PID elseUk=Kp*ek;speed=speed+Uk; 4.4指令冗余技术的应用当CPU受干扰后，往往将操作数当作操作码执行，造成程序混乱。当

35、程序弹飞到一单字节指令上时，便自动纳入正轨；当程序弹飞到一双字节指令上时（操作码、操作数），有可能落到操作数上，从而继续出错；当程序弹飞到一三字节指令上时（操作码、操作数、操作数），因其有两个操作数，从而继续出错机会更大 。因此，应多采用单字节指令，并在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重复书写，提高弹飞程序纳入正轨的机会，这便是指令冗余。部分程序如下：bit lcd_busy()/判断LCD1602是否忙碌bit result;P0=0xff;RS=0;RW=1; _nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();delay(1);EN=1;delay(1);result=(bit)(P0&0x80);EN=0;return result;void write_com(unsigned char com)/LCD1602写命令函数while(lcd_busy();RS=0;RW=0;P0=com; _nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();delay(1);EN=1;