单片机PID控制直流电机转速Word格式文档下载.doc
- 文档编号:6958221
- 上传时间:2023-05-07
- 格式:DOC
- 页数:51
- 大小:1.80MB
单片机PID控制直流电机转速Word格式文档下载.doc
《单片机PID控制直流电机转速Word格式文档下载.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《单片机PID控制直流电机转速Word格式文档下载.doc(51页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
I
本科毕业设计(论文)ABSTRACT
ABSTRACT
Inthemotioncontrolsystem,themotorspeedcontrolhasaveryimportantroleinmanyofitscontrolmeans,methodsandalgorithms.AnalogPIDcontrolistheoriginofoneofthecontrolstrategiesearlier,afteralong-termdevelopment,theformationofatypicalconfiguration,parametersettingisrelativelyeasy,andcanmeetthegeneralcontrolofthescene;
butthedownsideisthattheanalogPIDcontrolsystems,parameteroncetuning,theentirecontrolprocessisnotchanged,butinpractice,duetosystemparametersscene,speed,temperatureandotherenvironmentalchangesintime,thesystemisdifficulttocontrolthebestresults,itisdifficulttoobtainusinganalogPIDcontrolsatisfactorycontroleffect.Withthecomputertechnologyandintelligentcontroltheory,digitalPIDtechnologygraduallydeveloped,itcannotonlyrealizetheanalogPIDcontroltaskscompleted,andincludesacontrolalgorithmflexible,highreliability,applicationsurfaceandwider.
ThedesignofdigitalPIDcontroltheabove-mentionedbasicalgorithmtoSTM32F103C8microcontrollercore,thedutycyclebyadigitalPIDalgorithmgeneratesthePWMpulsecontroltoachieveDCmotorspeedcontrol.AtthesametimetheuseofphotoelectricsensorstoconvertthemotorspeedtopulsefrequencybacktotheSCM,closed-loopspeedcontrol,tospeedstaticerroradjustmentpurposes.OLEDdisplayusingadisplayunitinthesystem,by4×
4matrixkeyboardsetthespeed,startbydisplayingpartofthecurrentunderstandingofthemotorspeed,thecurrenterrorafterstarting.Thesystemcontrolandhighprecision,hasastronganti-jammingcapability.
KeywordsPID,PWMimpulse,dutyfactor,astaticmodulation
II
本科毕业设计(论文)目录
目录
摘要 I
ABSTRACT II
1绪论 1
1.1课题背景 1
1.2国内外研究现状和水平 1
1.3PID控制器的发展趋势 2
2设计方案与论证 3
2.1设计要求和技术指标 3
2.1.1基本功能 3
2.1.2技术指标 3
2.2系统设计方案 3
2.3控制器模块设计方案 4
2.4电机驱动模块设计方案 4
2.5速度采集模块设计方案 5
2.6显示模块设计方案 5
2.7键盘模块设计方案 6
2.8电源模块设计方案 6
2.9确定方案 7
3硬件电路设计 8
3.1STM32F103C8最小系统 8
3.1.1STM32F103xx简介 8
3.1.2STM32F103XX管脚图与原理图 9
3.24x4矩阵键盘 10
3.3L298N电机驱动模块 10
3.4光电编码器 11
3.5OLED显示屏 12
3.5.1OLED简介 12
3.5.2四线串行信号线选择及时序图 12
3.5.3OLED驱动芯片SSD1306 13
4软件设计 14
4.1PID简介及算法实现 14
4.1.1PID简介 14
4.1.2PID算法实现 14
4.2主函数流程图 15
4.3定时中断速度采集 16
4.3.1STM32F103xx通用定时器简介 16
4.3.2速度采集原理及定时器流程图 17
4.4外部中断及中断处理流程图 17
4.4.1外部中断/事件控制器(EXTI) 17
4.4.2键盘中断处理流程图 18
5系统测试结果 19
5.1系统调试数据 19
5.2系统效果图 20
结论 21
参考文献 22
附录A 23
附录B 42
致谢 46
1
本科毕业设计(论文)1绪论
1绪论
1.1课题背景
21世纪,科学技术日新月异,显然,伴随着科技的飞速发展,控制技术也得到了快速的发展,现代控制设备的性能和结构都发生了翻天覆地的变化。
我们已进入高速发展的信息时代,控制技术成为当今科技的主流之一,广泛深入到研究和应用工程等各个领域。
目前,工业的自动化水平已成为度量各个行业现代化水平的一个十分重要的标志。
然而,自PID控制器问世以来已有70多年历史,控制理论的发展也经历了古典、现代和智能控制理论三个阶段。
却没有一种控制算法比PID调节规律更有效、更方便的了。
现在大多数的调节器基本都源自PID。
为什么PID应用如此广泛、又长久不衰?
原因之一是PID解决了自动控制理论所需要解决的最基本问题,既系统的快速性、准确性和稳定性。
通过调节参数,在系统稳定的前提下,满足系统的抗扰和负载能力,同时,在PID中加入了积分项,使之成为一阶或多阶的系统,而这样的系统阶跃响应稳态误差为零。
另一个原因则是其结构简单、工作可靠、调整方便。
因此,PID控制技术也成为了工业控制的主要技术之一。
随着我国国力日益强盛和全球经济的快速发展,PID控制技术已经渗透到了铁道运输、钢铁生产、汽车制造、航天航空、物流配送、医疗、饮料生产等各个领域。
一大批机器设备制造商正处于蓬勃发展阶段,除满足本土市场庞大的机器设备需求外,走向国际市场,参与国际竞争也成为现实需求。
但是由于中国科技相对落后,为此,我们需要更进一步的学习、掌握与应用先进的控制技术与解决方案,以提升设备性能、档次与市场竞争力。
1.2国内外研究现状和水平
比例-积分-微分(PID)控制器被广泛应用于化工,冶金,机械,轻工等热工和工业过程控制系统中,是最常见的一种控制调节器。
PID有几个重要的功能:
提供反馈控制,通过积分作用能消除稳态误差,通过衍生诉讼预测未来。
因此,PID控制器是特别适合的动力性能和控制性能过程中是良性的要求不高的场合。
PID控制是一种分布式控制系统,该系统还包括在一些特殊用途的控制系统的一个重要组成部分。
在工业过程控制,95%以上的控制回路是PID结构的,而且大多数是实际PI控制回路。
PID控制器许多有用的功能由于商业秘密并没有被广泛传播,比如模式切换和防止卷起装置等技术便是典型例子。
现场总线的出现则是另一个重要的发展,这将对分布式系统的控制结构产生深远的影响。
PID控制器的现场总线概念的一个重要组成部分,也可能与现场总线的发展被标准化。
国际上有一些研究文章陈述了当前工业控制的状况,如1989年,日本电子测量仪器协会对过程控制系统制造在国际上做的调查报告。
该报告显示,90%以上的控制环路的是PID结构。
在加拿大造纸厂额外的统计报告显示,一个典型的造纸厂一般有2000多控制回路,其中PI控制在97%以上,而只有20%的控制回路是相当令人满意的。
究其原因一般情况差控制回路性能参数设定不当的30%,30%是阀门的问题。
控制器的性能差的另外20%有多种原因,如传感器的问题,不正确的采样频率滤波器和其他选项和问题。
Ender也得到类似的统计:
该过程已被安装在控制器处于手动模式30%;
循环的20%调整使用厂家的参数值预置控制器制造商的参数;
控制回路阀门和传感器的30%,由于导致控制性能较差的问题。
目前,自整定PID控制器可分为两大类:
基于规则的方法和基于模型的方法。
在国际上已经出现了一些商业产品,如FoxboroEXACT(760/761),它使用加上启发式规则调整参数的阶跃响应分析和模式识别技术;
AlfaLavalAutomationECA400控制器,它采用继电器反馈和调整基于模型的方法;
HoneywellUDC6000控制器,它采用阶跃响应分析和规则库对参数进行调整;
YokogawaSLPC-181/281,它使用基于模型的阶跃响应分析和调优方法。
还有一些自我调整的软件包,如智能调谐器,这是Fisher-Rosemount公司用在一个封装分布式控制系统;
Looptune,这是Honeywell公司的DCS系统TDC3000的改装套件,DCS调谐器,它是ABB主系统控制器调整一个包。
1.3PID控制器的发展趋势
伴随着社会的发展,人们追求生活的舒适性将越来越高,对其性能提出了越来越高的要求。
PID控制技术作为一项具有发展前景和影响力的新技术,正越来越受到国内外各行业的高度重视。
然而,随着科技的进步,借助于数字和网络技术的智能控制已经深入到了运动控制系统的方方面面,各种各样的新技术的应用也显著提高了运动控制系统的性能,因此,交流化、高频化、网络化、自适应化和最优化成为PID控制技术今后的发展方向。
本科毕业设计(论文)2设计方案与论证
2设计方案与论证
2.1设计要求和技术指标
2.1.1基本功能
①按键设定转速,重设。
②实时显示实际转速,设定转速,误差值。
③PWM转速闭环控制。
2.1.2技术指标
①超调量8%。
②调节时间4s。
③转速误差1%。
2.2系统设计方案
根据系统设计的任务和要求,设计系统框图如图2.1系统方案图所示。
图中控制器模块为系统的核心部件,键盘和显示器用来实现人机交互功能,其中通过键盘将需要的数据输入到单片机中,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受PID调节的PWM脉冲并送到电机驱动电路中,经过驱动模块控制改变输出电压来控制直流电机转速,同时利用测速模块将当前转速反馈到控制器中,控制器经过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。
图2.1系统方案图
2.3控制器模块设计方案
根据设计任务,控制器主要用于产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲,并对电机当前速度进行采集处理,根据算法得出当前所需输出的占空比脉冲。
对于控制器的选择有以下三种方案。
方案一:
采用FPGA(现场可编辑门列阵)作为系统的核心控制器,FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,模块大,密度高,它可以将所有器件都集成在一块芯片里,这样既减小了体积,又提高了系统稳定性,并且还可以用EDA软件进行仿真、调试,便于对功能测试与控制。
由于FPGA输入输出采用并行的方式,系统的处理速度得到很到的提高,对于大规模实时系统的控制核心是一个非常适合的选择。
FPGA通过输入模块把参数输入,然后通过程序控制PWM脉冲的占空比,但是由于本次设计对数据处理实时性要求并不是很高,使得FPGA高速实时处理的优势不能得到充分发挥,并且由于其集成度高,使其成本偏高,而且芯片的引脚很多,导致硬件电路板的布线相对复杂,从而加大了电路设计与制作的工作量。
方案二:
采用AT89C52作为系统控制的方案。
AT89C52单片机软件编程灵活、自由度大。
相对于FPGA来说,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。
虽然AT89C52单片机有这么多优点,可是对于此系统,不能硬件产生PWM波,而软件产生需要借助定时器中断,太消耗性能,并且还不能产生较高的频率,如若采用此处理器,必定达不到理想的效果。
方案三:
采用STM32F103C8作为此系统控制核心,STM32F1系列属于32位ARM微控制器,该系列芯片是意法半导体(ST)公司出品,其内核是Cortex-M3。
最高72MHz工作频率,运行速度快,硬件资源丰富。
综合上述三种方案比较,采用STM32F103C8作为控制器处理输入的数据并控制电机运动及时精确,完全满足设计要求。
因此在本次设计选用方案三。
2.4电机驱动模块设计方案
本次设计的主要目的是控制电机的转速,因此电机驱动模块是必不可少,其方案有一下两种。
采用MOS管组合电路构成驱动电路,由于在驱动电路中采用了大量的晶体管相互连接,使得电路复杂、抗干扰能力差、可靠性下降,采用此方案,不能改变电机转动方向。
采用专用的电机驱动芯片,如L298N电机驱动芯片,由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力,安全以及可靠行,设计者不需要对硬件电路设计考虑很多,只需考虑到芯片的硬件连接、驱动能力等问题,可将重点放在算法实现和软件设计中,大大的提高了工作效率。
并且还能使设计电路简单、抗干扰能力强、可靠性好。
基于上述理论分析和实际情况,电机驱动模块选用方案二。
2.5速度采集模块设计方案
本系统是一闭环控制系统,在调节过程中需要将设定与当前实际转速进行比较,速度采集模块就是为完成这样功能而设计的,其设计方案以下三种:
使用霍尔传感器。
该器件内部组成使用的是三片霍尔金属板。
当磁铁与金属板正对时,会产生霍尔效应,促使金属板横向导通,故可以把磁片安装在电机上和在固定轴上安装霍尔集成片,通过脉冲计数的方式来获取电机的转速,从而实现对电机速度的检测。
采用光电传感器。
其检测原理为:
相互对射安装接受器和发射器,使得发射器的光能直接对准接受器,当被测物遮挡光束时,传感器的输出就会产生变化,从而表示被测物体被检测到,通过脉冲计数的方式来获取电机的转速,从而实现对电机速度的检测。
使用测速发电机对电机转速进行检测。
该方案的实现原理是将测速发电机固定在直流电机的轴上,当直流电机转动时,带动测速电机的轴一起转动,因此测速发电机会产生大小随直流电机转速大小变化的感应电动势,因此精度比较高,但由于该方案的安装比较复杂、成本也比较高,在本次设计没有采用此方案。
以上三种方案中,第三种方案不宜采用,第一种和第二种方案的测速原理基本相同都是将电机转速转换为电脉冲的频率进行测量,但考虑到市场中的霍尔元件比较难买,而且成本也比较高,所以综合考虑在设计中选用第二种方案进行设计。
2.6显示模块设计方案
在电机转速控制系统中,系统需要对参数、工作方式以及电机当前运行状态的显示,因此在整个系统中必须设计一个显示模块,考虑有三种方案:
方案一:
使用七段数码管(LED)显示。
虽然数码管具有亮度高、工作电压低、易于集成、驱动简单、耐冲击且性能稳定等特点,并且它可采用BCD编码显示数字,编程容易,硬件电路调试简单,但是用于显示,太消耗系统性能,而且不能显示文字等更多的提示信息,所以不宜选用。
采用1602LCD液晶显示器,该显示器控制方法简单,功率低、硬件电路简单、可对字符进行显示。
但是由于并行传输数据,需要引脚较多,且显示效果难看,也不支持汉字,人机交互体验较差。
采用OLED显示屏,该显示屏具备自发光,不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单,驱动电压低、能耗低等优异之特性,被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。
最关键是还可以选择并行或者串行模式,串行模式可节约I/O口资源。
基于三种的方案的对比,毫无疑问,方案三是最适宜的选择。
2.7键盘模块设计方案
在此系统中,系统需要通过按键进行设定值的输入、工作方式的设定,以及电机起停的控制,因此键盘在整个系统中是不可缺少的一部分,考虑有两种方案可选择:
方案一:
独立键盘,这种键盘硬件和软件实现简单,并且各按键之间互相独立,每个按键都有一端接地或者接高电平,另一端接到输入线上。
按键的工作状态不会直接影响到其它按键的输入状态。
但是由于独立键盘的每一个按键都需要占用一条输入线,因此在按键数量比较多的时候,会浪费较多GPIO口,故此键盘仅仅适用于按键较少的场合。
方案二:
采用4x4矩阵键盘,这种键盘的特点是列线、行线分别接输出线、输入线。
按键设置在行、列线的交叉点上,利用这种矩阵结构只需4根行线和4根列线,因此在需要按键数量较多的场合适合用此键盘。
但此种键盘的软件结构较为复杂。
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。
2.8电源模块设计方案
电源是任何系统能否运行的能量来源,无论那种电力系统电源模块都是不可或缺的,对于该模块考虑一下三种方案。
通过降压芯片(如7812、7805等)对整流后的电压进行降压、稳压处理,此方案可靠性、安全性高,对能源的利用率高,电路简单容易实现。
通过电阻分压的形式将整流后的电压分别降为控制芯片和电机运行所需的电压,此种方案原理和硬件电路连接都比较简单,但对能量的损耗大,在实际应用系统同一般不宜采用。
方案三:
直接用USB连接电脑或者手机充电器。
根据系统的具体要求,采用方案三作为系统的供电模块即可。
并且方便可靠。
2.9确定方案
经过上述的分析与论证,系统具体方案图系统如图2.2所示,各模块采用的方案如下:
(1)控制模块:
采用STM32F103C8T6单片机;
(2)电机驱动模块:
采用直流电机驱动芯片L298N实现;
(3)速度采集模块:
采用光电传感器;
(4)显示模块:
采用OLED;
(5)键盘模块:
采用标准的4×
4矩阵式键盘;
(6)电源模块:
手机充电器。
图2.2系统具体方案图
6
本科毕业设计(论文)3硬件电路设计
3硬件电路设计
3.1STM32F103C8最小系统
3.1.1STM32F103xx简介
STM32F103C8芯片是基于ARMCortex-M3内核,专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的。
时钟频率高达72MHz,运行速度25DMips/MHz,同时还具备一流的外设,1μs的双12位ADC,4兆位/秒的UART,18兆位/秒的SPI,18MHz的I/O翻转速度。
STM32F103xx系统架构如图3.1所示,主系统由以下部分构成:
●四个驱动单元:
─Cortex™-M3内核DCode总线(D-bus),和系统总线(S-bus)
─通用DMA1和通用DMA2
●四个被动单元
─内部SRAM
─内部闪存存储器
─FSMC
─AHB到APB的桥(AHB2APBx),它连接所有的APB设备
图3.1STM32F103xx系统架构
3.1.2STM32F103XX管脚图与原理图
引脚接线说明:
17
PA0:
PWM波输出
PA1:
矩阵键盘行线0
PA2:
OLED屏D0引脚
PA4:
OLED屏D1引脚
PA6:
OLED屏RES引脚
PB0:
OLED屏DC引脚
PB12:
OLED屏CS引脚
PA3:
矩阵键盘行线1
PA5:
矩阵键盘行线2
PA7:
矩阵键盘行线3
PB10:
矩阵键盘列线0
PB11:
矩阵键盘列线1
矩阵键盘列线2
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 单片机 PID 控制 直流电机 转速
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)