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1、 指导教师评定成绩： 审定成绩： 重 庆 邮 电 大 学自 动 化 学 院计算机控制技术课程设计报告 设计题目：双直流电机同步控制系统单位（二级学院）： 自 动 化 学 院 学 生 姓 名： 专 业： 自 动 化 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 设计时间：2014 年5 月重庆邮电大学自动化学院制37目 录一、计算机控制技术课程设计题目2二、摘要3三、控制对象分析41、系统运行结构图与系统框图42、建立系统数学模型5 (1)控制模块:5(2)驱动模块6(3)显示模块7(4)PWM调速原理8(5)电源模块. 9(6)转速检测模块9 四、硬件电路PCB及实物图的设计11五、软件的设计与实现
2、14（1）主程序 .14（2）PID控制算法与参数整定16（3）干扰的抑制17（4）采样周期的选定18（5）PID调节18（6）测速子程序20（7）单片机资源配置.20六、设计心得22七、参考文献23八、附录24一、 计算机控制技术课程设计题目双直流电机同步控制系统课程设计要求（1）实现电机加速减速，正反转。（2）通过显示屏显示运行情况。（3）接受键盘输入的控制信号。（4）产生PWM脉冲，对直流电机进行调速。（5）接受脉冲测速电路测得的电机的转速。课程设计说明本次课程设计实现了对直流电机的同步调速控制。利用PWM来实现直流电机和步进电机的正转、反转、加速、减速、同步调速等操作，电动机的调速在硬
3、件上实现了直流电机转速的调节以及正反转的控制同时在LCD上实时显示，整个硬件系统工作稳定。摘要本文旨在建立两台直流电动机同步控制系统（速度控制）的数学模型。首先根据题目，并通过查找资料对对象进行分析，了解基本工作原理。然后画出系统运行的方框图并对系统过程进行分析。其次就是建立数学模型、求出系统的传递函数，然后进行PID控制算法。在硬件方面，通过STC12C5A60S2单片机，实现对两部直流电动机的启动、停止、加速、减速和转向的控制，具体硬件部分由晶振电路、复位电路、显示电路、键盘电路、电源电路、单片机、电机驱动电路、测速电路等组成。最后再用C语言编程，实现两台电机的速度同步控制。关键词：同步控
4、制 PID控制算法 PWM AltiumDesigner 调速 正反转二、 控制对象分析31系统运行结构图与系统框图图1系统运行结构图说明:输入电压Ui控制电机1，在控制器1以及驱动电路1的作用下运行，通过测速传感器将转速转为信号与电机2转速比较后与电机2的反馈信号作为输入信号控制电机2。电源电路DCmotor电机驱动电路单片机晶振电路复位电路DCmotor显示电路键盘电路测速电路图2直流调速系统框图3.2建立系统数学模型 3.2.1控制模块本设计选用的是STC12C5A60S2，STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新
5、一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。其主要特性如下：1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统80512.工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V- 3.3V（5V单片机）3.工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通8051的 0420MHz4.片上集成1280字节RAM5.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：准双向口/弱上拉
6、，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏 。每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA6.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)7. 看门狗8.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）9.共4个16位定时器 ，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器， 做串行通讯的波特率发生器， 再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器14. 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟15.外部
7、中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3 (也可通过寄存器设置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3) 16. PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）。也可用来当2路D/A使用 ，也可用来再实现2个定时器，也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)17.A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟2
8、5万次)18.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口19. STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)主电路控制模块的硬件电路包含复位电路，时钟电路和电源电路3部分，满足单片机正常工作，具体硬件电路如下图：图3 STC12C5A60S2的最小系统图3.2.2驱动模块 H桥驱动电路是一种典型的直流电机控制电路。图4所示，H桥驱动电路由四个三极管组成H桥条桥臂，通过控制对角桥臂上的一组三极管，使电流以不同的方向流
9、过电机，从而控制电动机的转向。因电动机是电感元件，当电动机在正反转转换过程中，二极管起释放反电动势的作用。图4 H桥驱动电本设计中直流电机驱动部分采用专用电机驱动芯片L298对电机进行驱动。L298可同时驱动两个二相或一个四相步进电机，内含两个全双H桥驱动器，接受标准TTL逻辑准位信号。直流电机驱动模块的硬件实现如图所示：图5 电动机驱动模块3.2.3显示模块3.2.3.1管脚： 1602共16个管脚。编程主要用到的三个管脚，分别是：RS（数据命令选择端），R/W（读写选择端），E（使能信号）。RS 为寄存器选择，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器。R/W为读写选择，高电平进行读操作，
10、低电平进行写操作。E端为使能端，后面和时序联系在一起。除此外，D0D7分别为八位双向数据线。3.2.3.2操作时序：表 1RSR/W操作说明00写入指令码D0D701读取输出的D0D7状态字10写入数据D0D711从D0D7读取数据设计中显示模块采用的是1602LCD显示。图6 LCD显示器3.2.4 PWM调速原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从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，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。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，并且根据需要改变一个周期内“接通”和
11、“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”，如图所示：图7 PWM信号的占空比在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下3种方法 都可以改变占空比的值。（1）定宽调频法这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期（或频率）也随之改变。（2）调频调宽法这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期（或频率）也随之改变。（3）定频调宽法这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。本设计采用单片机内定时器产生PWM脉冲，设计方法是调整一个周期内高电平持续时间占一个周期时
12、间的比例，及调整脉冲的占空比。将产生的脉冲输入到L298的EN A端，通过控制H桥一路桥臂两个晶闸管的导通时间来控制电机的转速。3.2.5电源模块单片机系统需要一个稳定的工作电压才能正常工作。图8 稳压电路3.2.6转速检测模块本系统采用增量式光电旋转编码器测量电机的速度。将光电编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动码盘旋转，便发出相应的信号。光电编码器由光源，光电转盘，光敏元件和光电整形放大电路组成。光电转盘与被测轴连接，光源通过光电转盘的透光孔射到光敏元件上，当转盘转动时，光敏元件便发出与转速成正比的脉冲信号，为了判别电机的转向，光电编码器输出两路相隔90度电脉冲角度的正交脉冲。利用光电
13、编码器进行数字测速的常用方法有两种：M法和T法。（1）M法测速：M法又叫定时计数法，是用计数器记取规定时间内光电编码器输出的脉冲个数来反映转速值，即在规定的时间间隔T内，测量编码器光栅所产生的脉冲数来获得被测的速度值。设编码器光栅每转一圈发出的脉冲数为Z，且在规定的时间T内，测得的脉冲数为M，则电机每分钟转数为：n=60M/ZT （1）将转速实际值和测量值之差与实际值之比定义为测量误差率，反映了测速方法的准确性，越小，准确度越高。M法测速误差率取决于编码器的制造精度，以及编码器输出脉冲前沿和测速时间采样脉冲前沿不齐所造成的误差等，最多可以产生一个脉冲的误差。因此，M法测速误差率的最大值为： （2）由上式可知，误差率与M成反比，即脉冲数越大，误差越小，故M法测速适用于高速段。（2）T法测速：T法又叫定数计时法
