基于51单片机单闭环数字控制课程设计

运动控制课程设计

题目：基于AT89C52单片机单闭环PWM直流数字控制系统专业班级：1002

姓名：秦凯新

学号：201046820427

指导教师：张智强

目录

1.引言 (1)

2.设计方案 (1)

2.1 系统总方案论证与选择 (1)

2.2 PID控制算法的设计 (2)

2.3 单片机的选型： (5)

2.4 测速装置的选型： (5)

2.4.1霍尔传感器测速 (5)

2.4.2编码盘测速 (6)

3 硬件部分 (6)

3.1单片机最小系统 (6)

3 .2 PWM控制直流电机正反转模块设计 (7)

3.4检测回路模块设计 (8)

3.6按键模块设计 (9)

3.7显示模块设计 (9)

4 软件部分 (10)

3.1 PID控制程序设计 (10)

3.1.1位置式电机PID控制程序设计 (10)

3.1.2增量式电机PID控制程序设计 (12)

3.2经测速装置由PID运算后PWM波形的产生程序设计 (14)

3.2.1直流电机调速原理 (14)

3.2.2 PWM基本原理及实现方法 (14)

3.2.3 PWM在直流调速中的应用 (15)

3.2.3PWM产生软件设计思路 (15)

3.3显示模块程序设计 (18)

附录： (21)

[参考文献] (22)

1.引言

由于直流电动机具有良好的起动、制动性能,适宜在大范围内平滑调速,因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且,从控制的角度来看,直流调速还是交流调速，都用到拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难, 触发精度易受电网电压波动的影响，触发脉冲不对称度较大，调节器中的运算放大器，因网压和温度变化引起的漂移会产生运算误差，模拟器件老化也会引起运算误差，甚至使已经整定好的系统性能变差，这些都阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异,使许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,而且使系统能达到了更高的性能。

2.设计方案

2.1 系统总方案论证与选择

对直流电机转速的控制有一般有两种方式，一种是开环控制，一种是闭环控制。开环控制的优点是简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。缺点是精度通常较低，无自动纠偏能力；闭环控制的优点是控制的精度可以达到很高，而且对外界的干扰和系统的参数变化有很好的抑制作用，且可以通过输出反馈控制系统的控制过程。缺点是存在稳定性，振荡，超调等一系列问题，对系统的性能分析和设计远比开环控制麻烦。所以采用但闭环直流调速系统设计方案。

图2 电路组成框图

按键采用4X4矩阵键盘，显示装置采用1602液晶。

通过给定值，然后单片机检测经过旋转光码盘检测转速，形成脉冲，送到中断口，经过定时检测中断次数，测得转速，求得偏差，然后经过PID运算后，来设定定时器0的定时时间，从而获得相应的脉冲，即PWM脉冲。从而作用于L298专用芯片，从而实现对直流电机的控制。

2.2 PID控制算法的设计

电动机参数：

先假设所控制电机的参数如下,来设计PID的各个参数：

PN=3KW, n

N =1500rpm,U

N

=220V,I

N

=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5 ，

电磁时间常数Tl=0.017s,机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数 =0.07。调速指标：D=30，S=10%。

控制算法是微机化控制软件系统的一个重要组成部分，可以说整个系统的控制功能主要由控制算法来实线。所以控制算法的好坏直接决定了这个系统的好坏。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制，称为PID控制。它能满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最广的控制算法。由于是用单片机控制的系统，故而我们采用数字PID控制。

模拟PID控制规律的离散化

常用的控制方式

1、P 控制 0)()(u n u n u P +=

2、PI 控制 0)()()(u n u n u n u I P ++=

3、PD 控制 0)()()(u n u n u n u D P ++=

4、PID 控制 0)()()()(u n u n u n u n u D I P +++= PID 算法的两种类型

1、位置型控制――例如图5－1－5调节阀控制

[]00

)1()()()()(u n e n e T T i e T T

n e K n u n

i D

I P +⎭

⎬⎫⎩

⎨⎧--+

+

=∑=

式中 )()(n e K n u P P = 称为比例项

∑==n

i I

P

I i e T T

K n u 0

)()( 称为积分项

[])1()()(--=n e n e T

T K n u D

P

D 称为微分项

2、增量型控制――例如图5－1－6步进电机控制

[][])2()1(2)()()1()()1()()(-+--++--=--=∆n e n e n e T

T K n e T T

K n e n e K n u n u n u D P I P

P 综合考虑PI 算法的选择

转角的偏差e 以及偏差的微分dt

n

d -

和积分 dt e ⎰分别代表了系统输出的当

前、将来和过去的三种状态，而PI 调节器的输出限幅值则代表了系统消除偏差的能力。合理综合地运用这些信号，在系统允许的条件下，尽快消除偏差，又不产生或者不产生超调，可使系统以最合适的速度稳定运行。

根据转角偏差、实际转角变化率的负值和转角偏差的积分所在的区间确定调