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1、 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）摘 要本设计采用微控制器AT89S52完成小型直流电机转速的采集、计算、显示、键盘设定等功能。并将非均匀采样情况下的增量式积分分离PID控制算法应用于直流电机的PWM调速，实现了对电机转速的测量和分段控制，解决了通常低采样周期时系统的超调问题。在设计过程中主要包括了以下两个方面的内容：一是直流电动机调速理论的研究及其控制器的理论设计，二是控制电路的仿真和硬件设计。设计结果表明采用分段PID控制具有算法简单快速性能好动态恢复特性快的特点。对调速系统的研究及以后同类系统的设计开发提供了一定的参考。关键词：直流调速系统；PID控制；AT89S52；PWM
2、IV Abstract This design uses microcontroller AT89S52 to complete performances such as sampling， calculating， displaying， and keyboard setting of rotational speed for small DC electromotor. Under situation of non-uniform sampling， the increment type integral separation PID control algorithm has been
3、applied in the PWM speed regulation for DC electromotor， which can realize measuring and sectional controlling of the electromotor rotational speed， and has solved the general overshoot problem with low sampling period. The paper mainly includes two aspects. The first aspect is the principle researc
4、h in the speed regulation system of DC electromotor and design of it. The second aspect is simulation of circuit and hardware design. The results of design have indicated that， with sectional PID controller， the system has features including simple algorithm， good rapidity， fast dynamic recovery per
5、formances. The paper offers some consults for researching system of speed regulation and design of similiar system.Key wordsDC speed regulation system; PID control; AT89S52; PWM目 录1 绪 论11.1 课题来源及研究背景11.2 直流电动机的发展与现状21.3 直流电机调速系统31.4 数字PID技术概述41.5 本文内容及章节安排52 直流电机转速分段PID控制的单片机实现方案62.1 整体方案设计62.1.1 系统
6、结构方案62.1.2 转速测量方案62.1.3 电机驱动方案72.1.4 键盘显示方案72.1.5 PWM软件实现方案82.2 系统原理框图设计82.3 本章小结93 硬件系统模块组成与电路分析103.1 速度测量电 路设计103.1.1 转速/频率转换电路的设计103.1.2 脉冲滤波整形电路的设计113.2 电机驱动电路的设计113.3 LCD显示电路与单片机的接口设计123.4 按钮控制电路设计133.5 本章小结144 系统程序设计及实现154.1 系统总程序框图设计154.2 系统各部分子功能程序设计164.2.1 电机转速测量程序设计164.2.2 键盘程序设计184.2.3 LC
7、D显示子程序的设计194.3 PWM信号的单片程序实现214.4 本章小结215 数字PID及其算法的改进225.1 PID控制基本原理225.2 三个基本参数Kp，Ti，Td在实际控制中作用研究275.3 PID算法的改进“饱和”作用的抑制285.4 PID控制算法的单片机程序实现315.5 本章小结316 系统的调试过程与测试326.1 转速度测量部分调试326.2 PID各项系数赋初值336.3 实验调试和确定PID算法各项系数346.3.1 赋初值调试分析346.3.2 修改PID各项系数值调试分析356.3.3 PID各项系数值的确定356.4 本章小结35结论37社会经济效益分析3
8、8参考文献39致谢40附录符号表41附录II 元器件清单42附录 单片机程序43附录 硬件原理图53附录 PCB图54 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）1 绪 论1.1 课题来源及研究背景目前见到的许多关于直流电机的测速与控制中虽然能实现直流电机的无级调速，但还存在一些问题如无法与计算机直接接口许多较为复杂的控制算法无法，在不增加硬件成本的情况下实现控制器的人机界面不理想。总的来讲控制器的智能化程度不高可移植性差。虽然采用PWM芯片来实现电机无级调速的方案成本较低，但当控制器针对不同的应用场合增加多种附加功能时，其灵活性不够而且反而增加硬件的成本。还有一些使用PLC控制器或高档处理
9、器芯片（如DSP器件）的文献，它们虽然具有较高的控制性能，但由于这些高档处理器价格过高需要更多的外围器件因此也不具备在通常情况下大规模使用的条件。从发展趋势上看，总体的研究方向是提出质量更高的算法和调速方案以及在考虑成本要求的前提下，选择适合这种算法的核心控制器。直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通开环控制或单闭环的直流电动机可靠性差需要经常维护；开环控制加负载时电流增大负载转矩也将加大转速只能降下来，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。单闭环调速系统的启动加速时间又过长，为了克服直流电机开环工作时增加负载而导致速度降过大或闭环启动时加速时间过长等不利因素，
10、双闭环直调速系统便应用而生。双闭环控制直流电动机不仅使直流电动机有着良好的动、静态调速特性且运行可靠、易于控制。其应用从最初的军事工业向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。伺服系统又称位置随动系统它要求实现快、稳、准的位置控制。普通的伺服电机通常转速较高而转矩较小，在系统中作为执行元件去拖动负载时都必须经过齿轮减速装置，但由于齿隙的影响往往使系统的精度和稳定性下降。因此为了减小甚至消除误差简化系统结构提高精度和稳定性达到少用或不用减速器的目的，就研制并应用了力矩电动机。它具有低转速、大转矩和高精度等特点可以满足伺服系统更高性能要求。另外采用双闭环控制电路控制电机运行可进一步提
11、高系统的可靠性同时也符合“无刷化、稀土化、同步化”的发展趋势。1.2 直流电动机的发展与现状一个多世纪以来双闭环调速系统一直被广泛应用着电动机，作为机电能量转换装置其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦大至上万千瓦。但它们工作的时候都离不开速度调节或是转矩调节。众所周知直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围致使目前
12、工农业生产大多数均采用三相异步电动机。随着社会生产力的发展人们生活水平的提高需要不断地开发各种新型电动机。科学技术的进步新技术新材料的不断涌现更促进了电功机产品的不断推陈出新。针对上述传统直流电动机的弊病早在本世30年代就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的直流无刷电动机，并取得了一定成果但由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段没能找到理想的电子换相元器件，使得这种电动机只能停留在实验室研究阶段而无法推广使用。1955年美国D.哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利，这就是现代直流无刷电动机的雏形，但由于该电动机尚无起动转矩而不能产品化后，又经过人们多年努力借
13、助于霍尔元件来实现换相的直流无刷电动机。终于在1952年问世，从而开创了直流无刷电动机产品化的新纪元。70年代以来随着电力电子工业的飞速发展许多新型的高性能半导体功率器件如GTRMOSFET， IGBT等相继出现，以及高性能永磁材料如钐钴、铁硼等的问世均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。由于直流无刷电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点故在当今国民经济各个领域如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。如计算机硬盘驱动器和软盘驱动器里的主轴电动机、录象机中的伺服电动机均数以
14、百万计地运用直流电动机。1.3 直流电机调速系统根据设计任务要求调速采用PID控制器，因此需要设计一个闭环直流电机控制系统。该系统采用脉宽调速使电机速度等于设定值并且实时显示电极的转速值。通过对设计功能分解设计方案论证可以分为：系统结构方案论证，速度测量方案论证，电机驱动方案论证，键盘显示方案论证，PWM软件实现方案论证。采用转速负反馈和PID调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环调速系统中只
15、有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1.1a所示。当电流从最大值降低下来以后电机转矩也随之减小因而加速过程必然拖长。a) 带电流截止负反馈的单闭环 b）双闭环理想快速启动过程 调速系统的启动过程图1.1 调速系统启动过程的电流和转速波形对于像龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此在电机最大电流(转矩)受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动到达稳态转速后，又让电流立即降低下来使转矩马上与负载相平衡从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示1.1b，这时起动电流呈方形波而转速是线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上由于主电路电感的作用电流不能突跳图1.1b所示的理想波形，只能得到近似的逼近不能完全实现。为了实现在允许条件下最
