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1、齐齐哈尔大学毕业设计题目学院专业班级学号学生姓名指导教师成 绩直流电动机转速PID控制系统设计计算机与控制工程学院电气153班2015024090王亚洲张楠楠2019 年 05 月 24 S1.3本课题的主要工作该设计主要采用PID控制直流电机的速度。思路如下：以AT89S51单片机作为中心处理器，借助PID算法控制PWM脉冲，对直流电机进行调速。霍尔传感器把电机的速度转换为脉冲频率反馈到单片机中，形成具有反馈的速度控制系统，从而实现不具有静态速度控制的目标。系统使用128X64 LCD显示器作为显示器的组件。使用4X4键盘和正向和反向控制设置四个参数P, I, D和V.启动后，通过显示组件了
2、解发动机的当前速度和运行时间。该系统的硬件方面包括：电源模块、电机驰动模块、控制模块、速度检测模块、人机交互模块。检测模块、人机交互模块。第2章系统的整体设计2.1直流电机的结构直流电机分为两大部分，转子和定子，转子主要包括换向器，电枢绕组，轴，风扇和电枢铁芯等，而另一部分是定子，主要包括电刷装置，主磁极，机座和换向极。主磁极：主要作用是在电流通过它时建立磁场，主磁极在电动机中一定是成对存在的。相极：它能有效改善换向情况，能让电机保证安全运行不产生火花。换向器：其整流作用和逆变作用，是直流电机最为主要的零件之一。2.2直流电机的工作原理1-1示出了在直流电下，电刷A为正极性，电刷B为负极性。电
3、流从A经由线圈ab, c , d流到B。根据电磁力定律，假如载流导体垂直于磁场线，则线圈的每个有效侧将暴露于电磁力。电磁力的方向能够通过左手的规则断定图2-1直流电机的原理模型2.3直流电机励磁方式按照励磁方式的差别可以分为并励直流电机，串励直流电机，他励直流电机与复励直流电机。并励直流电机：励磁绕组与电枢绕组并联串励直流电机：励磁绕组与电枢绕组串联他励直流电机：励磁绕组与电枢绕组没有电的联系复励直流电机：有两套励磁绕组，一个并联一个串联。2.4直流电机的调速方式使用达林顿管构成的H型PWM电路调速。H型电路控制速度和方向非常方便;电子开关稳定快速普遍。使用定频调宽可以让电机在运行时稳定；而且
4、直流电机采用软件延时所产生的定时误差在允许范围之内。2.5直流电机动态数学模型直流电机设置如下：转速1000r/min,电流50A,电压220V,功率10kW,电枢回路的总电阻 R=1.OQ, Cr=0.1925V*min/r, Ks =44,飞轮惯量6D2=10N*m2,a2=132.8Vo图2-2调速系统的结构框图直流调速系统开环传递函数:(2-1)(2-2)岫)=7r1(& + 1血毒+岳+ 1)K 二 K*a相关参数:L = 0.693 玉-d minL=0.017H o电磁时间常数:机电时间常数:gd2r开环的放大系数:q = o.on10x0.6=375CC, = 375x0.19
5、25x兰x。.1925、71Kp =21K = KpKs% =55.58原始开环传递函数为:W(s) =55.58(0.049 s + 1X0.026$ + 1X0.0167 s +1)(2-3)(2-4)(2-5)(2-6)2.6直流电机和其他常见电机的比较对比其他电机，我们首先要明白直流电机的定义，直流电机是输出或输入直流电的电机，类似的定义交流电机就是输入交流电的电机。步进电机是将接收到的脉冲信号，电机转动相关的角度。为了控制转动角度的精度，可以连续给步进电机连续的脉冲信号调整。伺服电机在工控中当作执行元件，因此也叫做执行电机。他把信号转化、电动机轴的角速度。特别的地方是电压为零不自转，
6、转速与转矩的数量是相反的。再说说同步电机，在同步电机运行时绕组加直流励磁，需要有第三方的外力带动转子旋转，然后向外出电压。2.7 PID算法及PWM控制技术简介2.7.1 PID 算法控制算法是工业控制的核心。控制功能是由控制算法定义的。根据比例（P）,积分（I）,微分（D）控制的偏差，通常称为PID控制。PID控制是工业生产控制算法中应用比较广泛的一种控制算法，它比较简单，入门门槛低，容易理解和学习。2.7.2 模拟 PIDPID模拟控制系统中的P1D控制规律是工业上最经常使用的控制规律，模拟控制系统是由模拟PID调节器、执行机构与控制对象构成。图2-2模拟PID原理PID调节器会联系c(r
7、)与r(r)的控制偏差：e(t) = r(t) (?(/)(2-7)实际输出值一一c(r)给定值一一r(r)模拟PID控制规律u(t) = Kpe(t) + Td(2-8)7 atTd微分时间常数，T,一一积分时间常数，Kp 比例系数。模拟PID传递函数=缥(1 + 孔 + 那)(2-9)E(S)TjS2.7.3 数字 PID在直接数字控制中用计算机代替了模拟器件，控制规律的实现是通过计算机的软件来辅助完成的。计算机只识别编程语言，不识别其他形式的命令，不能对连续的控制算式进行计算机运算，要把控制规律变成计算机能是别的语言，需要散化算法设计。PID控制规律进行离散化处理，图2-2中知)、W)、
8、心)、(，)在第n次采样收集的数据用。()、。()、尸()、()表示，式(2-1)变为:(2-10)e(n) = r(H) c()当采样周期T小到一定的时候某些变量可以用相对简单的量进行代替。也可以用T代替，屁Q)可以用换掉，积分用求和近似代替，会有下面的公式些/(，u)(2.n)dt n Te(tdt(2-12)z=i然后(28)就能够离散化下面的差分方程“()=心e() + f #() + 争e(n) - e(n -l)J + 0(2-13)Up(n) = Kpen)(2-14)能让积分起控制作用的是第2项，被叫做积分(I)项/()即T / (n) = Kp (2-15)i=l能让微分控制
9、起作用的是第3项，称为微分(D)项)()即uD(n) = KP y-e(zi) - e(n -1)(2-16)这三种作用即可以一起也能单独使用，常用的方式有：P 控制：“() = p() + o(2-17)PI 控制：()= p()+/()+“(2-18)PD 控制： () = “/() +)() + ()(2-19)PID 控制： u(n) = Up() + u,() + uD(/?) + u0(2-20)等式(2-13)的完整输出是对应于受控对象的驱动器在每个采样时刻必须达到的位置的输出。因此，等式(2-13)也称为PID定位算法。从(2-13)可以看出，位置控制的公式不方便和快速，因为累
10、积偏差的原因，不仅需要有存储单元参与，而且在程序的编写上难度也很高。根据公式(2-13)得到表达式u (n-1),Tt( -1) = Kpe( -1) + e(n) + 玲。( -1)-?(/? -2)J + w0 (2-21)T i=T数字PID增量型控制：Aw(H)= u(n) u(n 1)=Kpe()-e(-l) + K,e(n) + KDe(n) - 2e(n -1) + e(n - 2)(2-22)从上面得到u(n) = Kpe(n) - e(n -1) + K&(n) + KDe(n) 一 2e(n-1) + e(n- 2) + u0(2-23)比例增益一一 Kp；积分系数微分系数
11、Y=K 冷；11Kd = Kp 命 o图1.2位置型控制图图2-3增量型控制图2.7.4数字PID参数整定方法理论计算的整定方法是建立在系统的数学模型的基础上，对于理论计算得出的控制参数不能使用，只有重新经过实际工程的修改，联系实际情况才能使用是在生产实践中总结出的方法，他脱胎于日常经验，上手简单，在工程上应用的很普遍，在一线控制中有很重要的意义P1D控制器参数的技术的调整方法主要包括动态特性参数法，阻尼振荡法，现场经验的设定方法，限制周期的自校正方法等2.7.5 PID参数的用处PID控制中有三个参数，如他的名字一般是P,I,D三个参数。如果连这三个参数都不明白是什么意思，那控制也就无从谈起
12、了。一是比例作用，比例控制器的主要作用实际上是放大。即，比例增益可以大于1且可以小于1。是偏差也称为测量值与给定值之间的差值。二是积分作用。在时间增加的情况下，积分的累积随时间增加，并且积分的的速度受其影响。它的速度与偏差成正比。只要系统具有偏差积分控制器它就会继续工作。对于偏差，如果其值固定，则调整积分实质上是改变控制器的变化率。三是微分作用。微分作用的输出变化与微分时间的速度和偏差变化成比例。无论偏差的大小如何，偏差的速度都会发生变化。微分时间越长，微分作用的输出变化越大。2.8 PWM脉冲控制直流电机想用PWM控制直流电机要先了解它是什么，用什么控制直流电机，只有弄清楚原理才能用到实际当
13、中，下面来具体介绍一下PWM.2.8. 1 PWM调速原理通俗来讲PWM调速对直流和交流电机的方法是不同的，交流电机靠的是调节频率，本设计选取的电机是直流电机所以主要介绍直流电动机的调速方式。直流电动机PWM调速是通过调整驱动电压脉冲宽度解决控制速度的相关问题，和其他配套的元件改变输送到电枢电压的幅值。总而言之它靠的是调幅来改变直流电机速度。2. 8. 2直流电动机调速调整直流电动机速度方法：削弱磁通量，变动电枢电阻，调节电枢电压。在直流调速系统中，它主要是基于可变电压调速。其中，在可变电压速度控制系统中，它又可以分为直流PWM速度控制系统和可控整流器速度控制系统。采取微电脑的控制，全速控制系
14、统全数字化，可靠性高，构造简单，操作维护也方便，电机稳态运行速度精度町到达较高程度，静态动态指标可以满足工业生产的标准。2. 9系统设计原理搭建整个系统功能模块的组成，和各个功能模块之间的互相控制关系，将各功能模块联系起来画出总体功能的模块图图2-4功能模块图本设计的主控芯片选择的是51单片机，采用模块化的设计方法，各模块的基本功能如下：（1）电源电路：为系统各种芯片提供稳压的电源；（2）传感器模块：实现对电动机转速控制（3）H桥驱动电路：实现电机的反向转动以及转速控制。（4）单片机系统：主控芯片，输出信息显示，数据综合分析等。（5）键盘模块：进行人机交互，进行设计编辑调整（6）显示模块：参数、波形和指令显示；第3章系统硬件设计本章根据系统的功能要求，以参数理论为依据，根据电路总体设计方案，选择满足设计精度和量程等要求的传感器、显示器和单片机主控制器进行硬件电路图设计。3.1硬件资源分配该系统的硬件资源和接线图分布如图3.1所示。以AT89S51单片机为主要设备，速度检测模块作为发动机的转速测量装置，脉冲信号通过P3.3 AT89S51
