计算机控制课程设计:直流电机调速系统

计算机控制课程设计

直流电机调速系统

一. 实验要求

（1） 使用PID 算法实现直流电机的调速控制。

（2） 利用光电开关测量直流电机转速，通过控制加在直流电机两端的电压调节

其转速，使之达到所设置的转速。

（3） 通过键盘设置期望转速，要求有两组转速显示值，一组为期望转速；一组

为电机的实时转速。

二. 系统需求分析

（1）电机控制需要驱动电路，常用的电机驱动电路是H 桥驱动，bts7960是常用的半桥驱动芯片，利用PWM 波控制半桥驱动电路可实现对电机的速度调节。两片bts7960可以组成一个全桥驱动电路，可以控制电机的转向。实验不要求控制转向，所以可用一片bts7960。

（2）电机控制需要PWM 波，可以利用单片机的定时器模拟PWM ，用一个普通IO 接口进行输出。

（3）光电开关测速输出为脉冲信号，通过检查输出脉冲的频率来计算电机转速，检查信号的频率可以利用单片机的计数器模块。检查脉冲频率需要没个固定时间读取计数器的值。利用一个定时器可以固定一定时间进行中断，在中断子程序中读取计数器的值。

（4）显示可用OLED 液晶屏，选用的液晶屏有SPI 通用接口，可以用普通IO 可模拟SPI 时序。

（5）根据以上要求，需要两个定时器，一个计数器。共需要三个定时器/计数器模块，和一些普通IO 接口，可选用STC89C52单片机，其内部共有三个定时器/计数器模块。定时器0工作在方式三，分为两个八位定时器TL0做计数器，TL1做模拟PWM ，定时器2做定时中断，定时器1作为串口波特率发生器，串口用于调试过程中观察数据。

三. 硬件设计

1. 主电路图:

本系统采用STC89C52单片机主要功能特性:

硬件接口说明：

串口接口：T - P3.0 R - P3.1 测速接口：P3.4

模拟PWM 电机控制接口：P1.0

OLED 显示屏接口：D0 – P2.3 D1 – P2.2 RST – P2.1 DC – P2.0

2. 电机驱动电路

该电机驱动电路是是由两片bts7960组成，BTS7960是NovalithIC 家族三个独立的芯片的一部分:一是p 型通道的高电位场效应晶体管，二是一个n 型通道的低电位场效应晶体管，结合一个驱动晶片, 形成一个完全整合的高电流半桥。所有三个芯片是安装在一个共同的引线框, 利用芯片对芯片和芯片芯片技术。电源开关应用垂直场效应管技术来确保最佳的阻态。由于p 型通道的高电位开关，需要一个电荷泵消除电磁干扰。通过驱动集成技术，逻辑电平输入、电流取样诊断、转换速率调整器，失效发生时间、防止欠电压、过电流、短路结构轻易地连接到一个微处理器上。BTS7960可结合其他的BTS7960形成全桥和三相驱动结构。 当EN1输入高电平EN2输入低电平时，左边的NMOS 导通PMOS 关断，右边的NMOS 关断，PMOS 导通，所以电机电流从左箱右流动，当两个输入口电压取反，MOS 管的开关状态变反，所以电流方向改变，电机转向也改变。

3.

稳压电路

7805

三端稳压集成电路，电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 ×× 系列。用78/79系列三端稳压IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

4. 光栅测速码盘

工作原理:当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。系统在光电传感器收发端间加入电动机，并在电动机的转轴上安装一转盘。在这个转盘的上挖一些光栅，把传感器的检测部分放在圆孔的光栅位置。每当转盘随着电机旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。可以利用单片机进行计数，即可算出轮子即时的转速

5.OLED 屏

简介：

OLED ，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），又称 为有机电激光显示（Organic Electroluminesence Display, OELD）。

因为具备轻薄、省电等特性，因此从2003年开始，这种显示设备在MP3 播放器上得到了广泛应用，而对于同属数码类产品的DC 与手机，此前只 是在一些展会上展示过采用OLED 屏幕的工程样品。自2007 年后，寿命 得到很大提高，具备了许多LCD 不可比拟的优势。

四. 软件设计

1. 单片机资源分配

根据系统需求分析，电机测速需要一个计数器和一个定时器，电机控速PWM 需要一个定时器。测速定时中断设计为5ms 定时中断，使用定时器2，工作在自动重装工作方式。测速5ms 的脉冲数最大经测速约为200，所以可使用一个8位计数器，模拟PWM 频率为4KHZ ，周期为250us ，所以定时器最长定时时间需250us ，可使用一个8位定时器，所以可以将定时器0工作在工作方式3，作为两个8为定时器使用，因为TH0只能作为定时器，所以将TL0作为计数器用于测速，TH0作为定时器用于定时中断。定时器1作为串口波特率发生器，用于调试过程中查看数据变化。

2. 主函数

主函数流程图

定时器初始化：定时器0工作方式3，TL0做计数器，TH0做定时器，所以TMOD 寄存器值为0xo7。定时器2为5ms 定时中断，所以自动重装寄存器RCAP2H=(65536-5000)/256; RCAP2L=(65536-5000)%256;

因为定时器TH0中断频率比定时器2中断频率高很多，为了不运行定时器2中断程序正常运行将定时器2中断优先级设为高优先级，TH0中断设为低优先级，即PT2=1，PT1=0;

按键检测：按键查询检测可以检测低电平，也可进行下降沿检测，两者各有优缺点，低电平检测优点是程序简单，但对于单次按键检测需要添加延时，如延时过短，会使按下一次按键时检测到多次按键动作，如延时过长会影响程序执行效率。下降沿检测的优点是对于单次按键检测效果较好，但多以需要连续按键时需要多次进行按键操作，而且程序较复杂需求记录按键上次的输入值。

OLED 显示：OLED 是一种点阵型的显示屏，需要对显示的内容进行取模，有使用取模软件进行取模，可显示英文，数字，汉字，简单图形等。

3. 定时器TH0模拟PWM 中断子程序

通过定时设置PWM 高低电平时间。首先判断当前需输出的是高电平还是低电平，如果是高电平则将计数器计数寄存器TH0赋值为 256-高电平时间 ，如果输出的是低电平，则将计数器计数寄存器TH0赋值为高电平时间，在设置输出口设置为需输出的电平，这样就形成了一个周期为256us 的PWM 波。但由于C51序列单片机持程序执行速度较慢，该模拟的PWM 精度不是非常高，但对于电机的PID 控制仍能满足要求，之是在PID 参数上和精度较高的PWM 波控制的参数

有一定的差距。

TH0中断子程序流程图

4. 定时器2定时中断子程序

首先读取计数器TL0的计数值，得到的是光栅测速美5ms 输出的脉冲数，根据该脉冲数可计算得到电机当前的转速，Speed=fc *TL0/N 其中Speed 为转速，单位是转/秒，f c 为测速的频率，N 电机每转测速光栅输出的脉冲数。

得到电机转速后就可作为反馈量与设定速度进行比较，利用增量式的PI 控制方法计算PWM 输出量，对电机速度进行调整（具体算法将在下一部分进行说明）。

5ms 定时中断子程序流程图

5. 增量式PI 控制算法

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个偏差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。

PID （比例（proportion ）、积分（integration ）、微分（differentiation ））控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

PID 控制器由比例单元（P ）、积分单元（I ）和微分单元（D ）组成。 PID 最初始的公式为

为了在计算机上实现PID 函数，需要离散化，得到离散化公式：

更为常用地，转换为增量式：

在电机控速系统中常用到的是PI 控制，即省去D 微分部分

对于电机控速，输出量Uk 就PWM 波的的占空比，ek 即当前速度与设定速度的误差。

PI 控制代码：

五. 系统整体调试

系统整体实物图

PID 参数整定：

试凑法是较为常用的一种PID 参数整定方法，这种方法不需要对系统进行建模，是根据控制器各参数对系统性能的影响程度, 边观察系统的运行, 边修改参数, 直到满意为止。

比例调节作用：是按比例反应系统的偏差, 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。

积分调节作用：是使系统消除稳态误差, 提高无差度。因为有误差, 积分调节

就进行, 直至无差, 积分调节停止, 积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti 越小, 积分作用就越强。反之Ti 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。积分作用常与另两种调节规律结合, 组成PI 调节器或PID 调节器。

实验凑试法的整定步骤为" 先比例，再积分，最后微分" 。

（1）整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

（2）整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。 先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。

六. 总结

经过测试，该电机控速系统可调转速范围为0~40转/秒，最大稳态误差为2转/秒，且抗干扰能力较强。

该系统的不足之处是，未加入软件控制电机的正反转，且没有对电机的正反转测速进行区别，这是该系统可以提高的地方。

总体而言，该系统已符合综合实验对系统的各个要求。

七. 附录(系统C51程序代码) ：

#include "include.h"

////模拟PWM//////

sbit PWM1=P1^0; //驱动桥一端接PWM

sbit PWM2=P1^1; //另一端接低

bit flag_PWM=0; //模拟PWM 输出电平标志

int PWM_High=1; //模拟PWM 输出高平时间us ////测速/////////

unsigned char Timer0_Count=0; //计数器 TL0 读数 每5ms 光电码盘脉冲数 float Speed; //速度 单位 转/秒

////控速////////

float KP=15,KI=1.5;

float Speed_Set=0.0;

float Speed_Error=0,Speed_Error_last=0,delta_Speed_Error=0;

////////按键////////////

sbit Key1=P1^2;

sbit Key2=P1^3;

/********************延时子程序*****************/

void Delay1ms(u16 t)

{

u16 i,j;

for(i=0;i

for(j=0;j

}

/********************定时器初始化*****************/

void TC_Init(void)

{

TMOD=0x07; //定时器0工作方式3 TL0做计数器 TH0定时器 ET0=0; //TL0计数器中断禁止 ET1=1; //TH0定时器中断允许 ET2=1; //定时器2中断允许 TL0=0; TH0=0; RCAP2H=(65536-5000)/256; //TC2 重装寄存器 5ms 定时 RCAP2L=(65536-5000)%256; PT1 =0; PT2 =1; TR0=1; //定时器启动 TR1=1;

}

TR2=1;

/**********************主函数************************/

void main(void)

{

LCD_ReDisplay(); //显示屏初始化

TC_Init(); //定时器初始化

PWM2=0; //驱动桥一端输入低电平

Key1=1;

Key2=1;

EA=1;

while(1)

{

LCD_PutData8x16(80,2,Speed); //OLED显示

LCD_PutData8x16(80,4,Speed_Set);

Delay1ms(100);

if(!Key1) //按键调节设定速度

{

Speed_Set++;

}

if(!Key2)

{

Speed_Set--;

if(Speed_Set

}

}

}

/***********************定时器TH0 模拟PWM 频率4KHZ 占空比精度1/255*******************/

void Timer1_IRQ(void) interrupt 3

{

if(PWM_High>255) PWM_High=255; //PWM限制

else if(PWM_High

if(PWM_High)

PWM1=flag_PWM;

else

PWM1=0; //关闭电机

if(flag_PWM)

{

TH0=256-PWM_High; //高电平定时设置

}

else

{

} } TH0=PWM_High; //低电平定时设置 flag_PWM=~flag_PWM; //电平翻转

/**************定时器2 5ms定时中断 *******************/

void Timer2_IRQ(void) interrupt 5

{

EA=0;

////////测速////////// Timer0_Count=TL0; //读计数器

TL0=0; 值

//计数器清零

TF2=0;

Speed=Timer0_Count*0.25; //采样频率200hz 每转脉冲数800 Speed=Timer0_Count*200/800=Timer0_Count*0.25

////////PID控速////////

if(Speed_Set!=0)

{

Speed_Error=Speed_Set-Speed; //误差计算

delta_Speed_Error=Speed_Error-Speed_Error_last; //误差变化计算 de=e(K)-e(K-1)

Speed_Error_last=Speed_Error; //保存这次速度误差

PWM_High=PWM_High+(int)(KP*delta_Speed_Error+KI*Speed_Error ); //PWM输出计算

}

else

{

PWM_High=0; //输出为0

}

/////////////////////////

EA=1;

}