直流电机转速测量与控制系统的设计说明

目录

1.《智能仪器综合设计》课程设计任务书 (2)

1.1课程设计任务 (3)

1.2课程设计目的 (3)

1.3课程设计要求 (3)

1.4课程设计容 (3)

1.5课程设计报告要求 (3)

1.6课程设计进度安排 (4)

1.7课程设计考核办法 (4)

2.设计方案 (5)

2.1总体方案 (5)

2.2PID算法 (5)

2.2.1PID控制的基本组成 (5)

2.2.2PID控制中的主要技术指标分析 (6)

2.3PWM脉冲控制 (8)

3.硬件模块 (9)

3.1主体模块 (9)

3.2显示与键盘模块 (10)

3.3转动源模块 (12)

3.4复位电路 (13)

4.软件模块 (14)

4.1主程序流程图 (14)

4.2初始化模块 (14)

4.3中断模块 (16)

5.收获与体会 (18)

参考文献 (19)

附录 (20)

1.《智能仪器综合设计》课程设计任务书

题目：直流电机转速测量与控制系统的设计

1.1课程设计任务

日常生活和生产中，需要对各种电机的转速进行测量。该综合设计要求完成基于AT89C52单片机的直流电机转速测量与控制系统的设计。采用光电式传感器进行信号的转换，再经过整形、放大等电路处理，将信号送入单片机进行数据处理，能够对设定的电机转速进行自动PID调节，自动调节的效果可通过LabVIEW软件编写的上位机进行观察和调整。

1.2课程设计目的

通过本次课程设计使学生掌握：1）微机接口技术与I/O通道电路的设计及实现方法；2）控制程序的设计及实现方法；3）微机控制系统的实际调试技巧。从而提高学生对微机实时控制系统的设计和调试能力。

1.3课程设计要求

1、该装置要求在智能仪器综合实验平台上完成软件编程与实现。

2、用数码管来分别显示工作状态、设定速度和实际速度。

3、用3只按钮来分别作为开机/关机键、速度设定上升键和下降键。

4、速度设定围500～3000转／分，在某个速度设置点，要求使用PID控制。

1.4课程设计容

1、硬件电路原理图；

2、软件流程图及程序；

3、实物调试及结果。

1.5课程设计报告要求

报告中提供如下容：

1、目录

2、正文

（1）课程设计任务书；

（2）总体设计方案；

（3）硬件原理图（protel软件）；

（4）程序流程图及清单（子程序不提供清单，但应列表反映每一个子程序的名称及其功能）；

（5）实物调试及结果。

3、收获、体会

4、参考文献

1.6课程设计进度安排

1.7课程设计考核办法

本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。

2.设计方案

2.1总体方案

本次课程任务使用改变PWM脉冲控制直流电机转速。按动按键对MCU设定值，将产生的PWM波输送给电机驱动部分，转动源模块开始工作，光电转速传感器测得代表直流电动机速度的脉冲信号并将其反馈给MCU，MCU在比较转速设定值和实际值的基础上，以PID控制算法来调节PWM波，从而对电动机速度进行控制，LED用于显示转速的设定值和实际值。

图2.1 方案流程图

2.2PID算法

PID控制的基本原理

2.2.1PID控制的基本组成

PID控制由反馈系统偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）的线性组合而成，这3种基本控制规律各具特点。

P比例控制：比例控制器在控制输入信号e(t)变化时，只改变信号的幅值而不改变信号的相位，采用比例控制可以提高系统的开环增益。该控制为主要控制部分。

D微分控制：微分控制器对输入信号取微分或差分，微分反映的是系统的变化率，因此微分控制是一种超前预测性调节，可以预测系统的变化，增大系统的阻尼，提高相角裕度起到改善系统性能的作用。但是，微分对干扰也有很大的放大作用，过大的微分

会使系统震荡加剧。

I 积分控制：积分是一种累加作用，它记录了系统变化的历史，因此，积分控制反

映的是控制中历史对当前系统的作用。积分控制往系统中加入了零极点，可以提高系统

的型别（控制系统型别即为开环传递函数的零极点的重数，它表争了系统跟随输入信号

的能力），消除静差，提高系统的无差度，但会使系统的震荡加剧，超调增大，动态性

能降低，故一般不单独使用，而是与PD 控制相结合。

PID 的复合控制：综合以上几种控制规律的优点，使系统同时获得很好的动态和稳

态性能。

PID 控制规律的基本输入/输出关系可用微分方程表示：

))()(1

)(()(0dt t de T dt t e T t e K t v d t i p ++=⎰ （1）

式中，e(t)为控制器的输入偏差信号; P K 为比例控制增益；I T 为积分时间常数；D T 为

微分时间常数。

相应的传递函数为： s s T T T T K s T s T K s G i d i i p d i p 1s )11()(++•=++= （2） 若41i T τ<则式(2）还可以写成()()1211()P i T s T s K G s T s

++= （3） 式中

1121i T T ⎛= ⎝

，2121i T T ⎛= ⎝

。

由式（3）可见，PID 控制器向原系统增加了一个零极点，从而使系统从0型提高到1型，还提供两

个负实零点，同时提高系统稳态性能和动态性能。PID 控制器可由模拟执行元件或具有运算功能的

数字器件实现。

数字PID 的实现需要式(1)进行离散化，取采样周期为T ，改写式(3)，得

)()1(101-==--++=-++=∑∑n n d n o j j i n p n

j n n d j i n p n e e K e K e K T e e T T e d T e K v （4） 式中，i P i K K T T =，d P d K K T T =为控制器输出的控制量，式中（4）即为数字PID 控

制器的直接算法。

也可取其递推算法;()()11122n n n P n n i n d n n n v v v K e e K e K e e e ----=-=-++-- （5）

式中，P K ，I K ，D K 的选取一般取决于经验以及实验现场的调整。

2.2.2PID 控制中的主要技术指标分析

动态指标

超调δ% ，单位阶跃响应的最大值()p h t ，超过稳态值 h(∞) 的百分比，即