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1、题 目:基于单片机的伺服电机转速控制系统4基于单片机的伺服电机转速控制系统摘 要传统的晶闸管直流调速系统,其控制回路都是采用模拟电子线路构成的,晶闸管触发器多数还是采用分立元件组成的，这使得控制回路的硬件设备极其复杂，安装调试困难，相对故障率较高。针对传统的晶闸管直流调速系统的一些不足,提出了一种基于单片机的伺服电机转速控制系统的设计方法，并介绍了PID控制算法的设计。本设计使用AT9C2作为控制芯片,以P(比例积分)调节控制算法为基础， 采用软件编程产生脉宽比可控的脉宽调制信号,再通过功率放大电路H桥驱动电路来控制伺服电机电枢电压,从而完成对伺服电机转速的调节,达到了较好的控制性能。同时通过
2、4*小键盘输入设定的伺服电机转速,用光电编码器来测定伺服电机转速,显示在4位LE上。关键词：直流调速;PID控制算法；A8C2;脉宽调制;伺服电机he SevMotor eed otrolSyt Based n CAbtractThe conventiol C drie sysem of C, whichonollop is consising ofsimulat eectron circuis, d the SCR rgger is motmade up fthe dcrte cpont, so th hadwa des areextremel comex n t Cotrl lo,he n
3、stallaton atrl rn ifficuly, t elative failue r s high. solve h problm, thi pape pesents oneknd desinmethdof thsrvo moor speed cntro syse se on M, aitroucs th dsin ofthePI contro algoithm. Tis dsign sesT8952 a th contlle chip, tae P (prortin integal） regulatocntoalgorit to eth foudaton， adptssoftware
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5、 srvo mtor the otical ender,tn ow te peed ofthe sevomo on h 4 LE.ey word:irect-curen speed regulaton; PIcotol lrithm; A89C2; uls-Width-Mdulain;Serv motor目录摘 要IAbstracII第一章 引 言111 课题的研究背景及意义11.2 转速控制系统设计目标及技术要求第二章 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62.22 增量式PID算法8第三章 硬件部分的设计121 直
6、流电机调速原理123 PWM波形发生电路13.1P基本原理13.2PWM信号的产生143.3M功率放大电路1.3.1 H桥驱动电路原理.3.2P驱动电路原理图73.4测速电路13.5 键盘电路1936 LD显示电路213. A8952的时钟电路238 A9C52的复位电路24第四章 软件部分的设计2. 主程序流程2. PID控制算法程序流程4. PID控制算法选择2.2.2 PI运算控制模块子程序2943按键处理子程序04.4 键盘扫描程序31.5 转速采集子程序3.6 LED显示子程序2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3附录 源程序5附录 基于单片机的伺服电机转速控制
7、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C卡，民用豪华轿车的安全保障系统,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
8、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。 .在家用电
9、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
10、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器中(类似于RO)，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
11、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-1如图所示:图2-1 转速控制系统硬件原理框图以TC52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（）、积分（I）和微分（D)进行控制的ID控制器(亦称PD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
12、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,ID控制器是一种最优控制。P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(P、PD、)。PD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：图2- 典型PD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
13、,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T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PD控制算法，
14、分别是:位置式算法,增量式算法。这两种ID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5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。1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P控制算法的简化示意图。图2-3位置式PD控制算法的简化示意图上图的传递函数为： （式.1)在时域的传递函数表达式: （式2.)对上式中的微分和积分进行近似: (式.3)式中是离散点的个数。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
