1、第二章 伺服电机转速控制系统设计42.1 系统硬件组成原理42.2 PID控制算法简介42.2.1 位置式PID控制算法62.2.2 增量式PID算法8第三章 硬件部分的设计123.1 直流电机调速原理123.2 PWM波形发生电路133.2.1 PWM基本原理133.2.2 PWM信号的产生143.3 PWM功率放大电路153.3.1 H桥驱动电路原理153.3.2 PWM驱动电路原理图173.4 测速电路183.5 键盘电路193.6 LED显示电路213.7 AT89C52的时钟电路233.8 AT89C52的复位电路24第四章 软件部分的设计264.1 主程序流程274.2 PID控制
2、算法程序流程284.2.1 PID控制算法选择284.2.2 PID运算控制模块子程序294.3 按键处理子程序304.4 键盘扫描程序314.5 转速采集子程序314.6 LED显示子程序32结束语33附录A 基于单片机的伺服电机转速控制系统电路图34附录B 源程序35附录C 基于单片机的伺服电机转速控制系统器件一览表54参考文献55致谢57第一章 引 言1.1 课题的研究背景及意义目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿
3、车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：1.在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单
4、片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。2.在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。3.在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。4.在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了
5、极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。5.单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。6.在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储
6、器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。1.2 转速控制系统设计目标及技术要求本设计的目的是实现伺服电机转速的控制。本设计完成后要求可以实现键盘输入，控制PWM波形产生，实现脉宽调制，软件实现PID控制算法，驱动电路的设计，实现伺服电机转速的调节，显示。第二章 伺服电机转速控制系统设计2.1 系统硬件组成原理转速控制系统的硬件原理框图2-1如图所示：图2-1转速控制系统硬件原理框图以AT89C
7、52单片机为控制核心,包括键盘电路，测速电路，PWM功放电路，显示电路。2.2 PID控制算法简介在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、）。PID控制器包括比例、积分和微分三部分，其控制原理图如图2-2所示
8、：图2-2 典型PID控制结构比例（P）控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差成比例的关系。系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用越大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分（I）控制是消除系统的稳态误差，提高无差度。如果系统有误差，积分调节就进行直至无误差，积分调节停止，积分调节输出为常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，若Ti越小，积分作用就越强，反之Ti越大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。微分（D）控制反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此
9、能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，己被微分调节作用消除。因此，微分调节可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。另外微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。下面对控制点所采用的PID控制算法进行说明。 控制点目前包含两种比较简单的数字控制算法，分别是：位置式算法，增量式算法。 这两种算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。2.2.1 位置式PID控制算法由51单片机组成的数字控制系统控制中，PID控制器是通过PID控制算法实现的。51单片机通过AD对信号进行采集，变成数字信号，再在单片机中通过算法实
10、现PID运算，再通过DA把控制量反馈给控制源。从而实现对系统的伺服控制。下面是位置式PID控制算法的简化示意图。图2-3位置式PID控制算法的简化示意图上图的传递函数为： （式2.1）在时域的传递函数表达式： （式2.2）对上式中的微分和积分进行近似： （式2.3）式中n是离散点的个数。于是传递函数可以简化为： （式2.4）其中 是第k个采样时刻的控制； 是比例放大系数； 是积分放大系数； 是微分放大系数；T是采样周期。如果采样周期足够小，则（式2.4）的近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与连续过程十分接近。（式2.4）表示的控制算法直接按（式2.1）所给出的PID控制规律定义进行计
11、算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式PID控制算法对于位置式算法，可以选择的功能有：a、滤波：同上为一阶惯性滤波 b、饱和作用抑制：1. 削弱积分法一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。具体地说，在计算时，将判断上一个时刻的控制量是否已经超出限制范围，如果已经超出，那么将根据偏差的符号，判断系统是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项。2. 积分分离法 在基本PID控制中，当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时， 由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调量和长时间的波动。特别是对于
12、温度、成份等变化缓慢的过程，这一现象将更严重。为此可以采用积分分离措施，即偏差较大的时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。另外积分分离的阈值应视具体对象和要求而定。若阈值太大，达不到积分分离的目的，若太小又有可能因被控量无法跳出积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差。3. 有效偏差法当根据PID位置算法算出的控制量超出限制范围时，控制量实际上只能取边际值U=或U=有效偏差法是将相应的这一控制量的偏差值作为有效偏差值计入积分累计而不是将实际的偏差计入积分累计。因为按实际偏差计算出的控制量并没有执行。如果实际实现的控制量为U=Um上限值或下限值），则有效偏差可以逆推出，由该值计算积分项
13、。2.2.2 增量式PID算法当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量（例如去驱动步进电动机）时，需要用PID的增量算法。增量式PID控制算法可以通过（2.4）式推导出。由（2.4）可以得到控制器的第k-1个采样时刻的输出值为： （式2.5）将（式2.4）与（式2.5）相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为： （式2.6）其中： 由（式2.6）可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由（式2.6）求出控制量。增量式PID控制算法与位置式PID算法（式2.4）相比，计算量小得多，因此在实际中得到广泛的应用。位
14、置式PID控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式： （式2.7）（式2-7）就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推PID控制算法。对于增量式算法，可以选择的功能有1.滤波的选择可以对输入加一个前置滤波器，使得进入控制算法的给定值不突变，而是有一定惯性延迟的缓变量。2.系统的动态过程加速在增量式算法中，比例项与积分项的符号有以下关系：如果被控量继续偏离给定值，则这两项符号相同，而当被控量向给定值方向变化时，则这两项的符号相反。由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，负号的比例作用阻碍了积分作用，因而避免了积分超调以及随之带来的振荡，这显然是有利于控制的。但如果被控量远未接近给定值，仅
15、刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。为了加快开始的动态过程，我们可以设定一个偏差范围v，当偏差|e（t）|= 时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e（t）-e（t-1）|，其符号与积分项一致。利用这样的算法，可以加快控制的动态过程。3.PID增量算法的饱和作用及其抑制 在PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长
16、，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再补充执行。PID参数整定1.比例系数对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。偏大，振荡次数加多，调节时间加长。太大时，系统会趋于不稳定。太小，又会使系统的动作缓慢。可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。2.积分控制对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。3. 微分控制对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，偏大时，超调
17、量较大，调节时间较短。偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有合适，才能使超调量较小，减短调节时间。第三章 硬件部分的设计3.1 直流电机调速原理直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该方法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已
18、取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中IGBT（绝缘栅双击型场效应管）等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。常见直流电机原理图如下：图3-1直流电机原理图图3-1所示电枢电压为,电枢电流为电枢回路总电阻为,电机常数,励磁磁通量是。那么根据KVL方程:电机转速 （式3.1）其中,极对数为p,匝数为N,电枢支路数为a，直流电机原理图机来说:电机常数 （式3.2）意味着电机确 不变的。而在中,由于Ra仅为绕组电
19、阻,导致非常小,所以。改变电枢电压时,转速n即可改变。3.2 PWM波形发生电路3.2.1 PWM基本原理PWM基本原理PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图3-3所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少
20、。改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。 图3-2 PWM控制波形设电机始终接通电源时，电机转速最大为，设占空比为，则电机的平均速度为： （式3.3）式中：表是电机的平均速度;表是电机全通电时的速度（最大）;表示占空比。由此可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。PWM驱动装置与传统晶闸管驱动装置比较，具有下列优点：需用的大功率可控器件少，线路简单、调速范围宽、电流波形系数好、附加损耗小。因此，在设计中，采用了脉宽调制（PWM）的方法实现对直流电机的
21、控制。采用硬件电路实现直流电机调速系统已在实践中应用多年，其硬件组成复杂，调整困难，缺乏控制的灵活性。直流电机PWM调速系统，使用低价位的单片微机为核心，实现控制，方便了使用。3.2.2 PWM信号的产生PWM信号的产生通常有两种方法：一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。本文采用的是软件方法。软件输出PWM一般有两种方式：利用定时器0控制PWM频率输出，结合定时器1控制占空比，这是其一；第二种方式，仅使用一个定时器，工作于16bit手工装载模式，同时控制输出频率和占空比，这种方式不占用太多资源，而且实现起来也不失其灵活性。本文选用第一种软件方法。由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时
22、器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为f，定时器计数器为N位，则定时器初值与定时时间的关系为： （式3.4）式子中：表示定时器定时初值；N表示一个机器周期的时钟数；表示高电平时间。N随着机型的不同而不同。在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。这样，我们可以通过设定不同的定时初值，从而改变占空比D，进而达到控制电机转速的目的。3.3 PWM功率放大电路由于由单片机发出的PWM的功率较小，不能带动电机，所以需要把功率
23、放大后再传给电机。常用的功率放大电路有H桥驱动电路，下面就介绍了H桥驱动电路的工作原理。3.3.1 H桥驱动电路原理图3-3中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图3-4及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。 如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图3-3 H桥驱动电路 要使电机运转，必须使对角线上的
24、一对三极管导通。例如，如图3-4所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（图电机周围的箭头表示为顺时针方向）。图3-4 H桥电路驱动电机顺时针转动 图3-5所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图3-5 H桥驱动电机逆时针转动3.3.2 PWM驱动电路原理图功率放大电路有一个外接电源，一个反相器，四个二极管，四个三极管，六个保护电阻组成，如图：图3-6 PWM功率放大电路图3.4 测速电路旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向.本文采用的是单路输出。采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“”还是“”，通过“”和“”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。信号输出有
