基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统的设计

？ 学 院 课程设计说明书 题目 基于单片机的数字 PID控制直 流电机 PWM调压调速器系统 系 (部 ) 电子与通信工程系 专业 (班级 )电气工程及其自动化 姓名 学号 指导教师 起止日期 II 计算机 控制 课程 设计任务书 系（部）： 电子与通信工程 系 专业：电气工程及其自动化 指导教师 ： 学生姓名 学号 班级 课题名称 基于单片机的数字 PID 控制直流电机 PWM 调压调速器系统 内容及任务 1、运用 A/D 转换芯片将滑动变阻器的模拟电压转换为数字量作为控制直流电机速度的 给定值 ； 2、用压控振荡器模拟直流电机的运行（电压高 -转速高 -脉冲多），单片机在单位时间内对脉冲计数作为电机速度的 检测值 ； 3、应用数字 PID 模型作单片机控制编程，其中 P、 I、 D 参数可按键输入并用 LED 数码显示； 4、单片机 PWM 调宽输 出作为 输出值 ，开关驱动、电子滤波控制模拟电机（压控振荡器）实现对直流电机的 PID 调压调速功能。 拟达到的要求或技术指标 运用所学知识设计组建计算机自动控制系统，实现自动控制功能，达到控制指标。本课题使用 S51 单片机及 A/D、 D/A 转换器运用 PID 控制编程，完成对直流电机的 PID 调压调速功能。 要求完成 1、模拟直流电机（压控振荡器）电路设计； 2、单片机控制系统（参数键入、 LED 显示）设计； 3、给定值输入、检测值输入、 PWM 输出驱动电路设计； 4、 PID 控制程序、 PWM 驱动程序设计； 5、 PID 参数整定。 进 起止日期 工作内容 备注 III 度安排 星期一 上午： 下午： 星期二 上午： 下午： 星期三 上午： 下午： 星期四 上午： 下午： 星期五 上午： 下午： 课程设计动员、学生讨论选择课题； 课题论证、课题讲解、课题答疑。 学生查阅、收集设计资料； 选择、初建设计方案。 设计、仿真各单元电路； 设计单片机控制系统电路。 数字 PID 控制编程； 控制程序仿真、控制功能调试。 P、 I、 D 参数整定； 撰写课程设计报告。 主要参考资料 单片机原理与应用、 PWM 调制技术、计算机控制技术。 教研室 意见 年 月 日 系（部）主管领导意见 年 月 日 IV 长沙学院课程设计鉴定表 姓名 学号 专业 电气自动化 班级 设计题目 基于单片机的数字 PID控制直流电机 PWM调压调速器系统 指导教师 指导教师意见 ： 评定等级： 教师签名： 日期： 答辩小组意见 ： 评定等级： 答辩小组长签名： 日期： 教研室意见： 教研室主任签名： 日期： 系（部）意见： 系主任签名： 日期： 说明 课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四类； V 目 录 第 1 章 PID 简介 . 1 第 2 章 设计原理 . 2 第 3 章 设计方案 . 3 3.1 PWM 的调制 . 3 3.2 基于单片机的数字 PID 控制直流电机 PWM 调压调速器系统 . 5 3.2.1 调速原理 . 5 3.2.2 基于单片机的数字 PID 控制直流电机 PWM 调 压调速器系统原理图 . 6 3.2.3 波形仿真 . 7 3.2.4 PID 调速程序 . 8 第 4 章 心得体会 .13 参考文献 .14 1 第 1 章 PID 简介 PID （比例积分微分 ， 英文全称为 Proportion Integration Differentiation） 控制器问世至今已有近 70 年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数 学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID 控制器参数整定的方法很多，概括 起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完 善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下： (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作； (2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期； (3)在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。 PID（比例 -积分 -微分）控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，现在仍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。其输入 e (t)与输出 u (t)的关系为 u(t)=kp(e(t)+1/TI e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是 0和 t 因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中 kp 为比例系数； TI 为积分时间常数； TD 为微分时间常数。 本次课程设计就是应用数字 PID 模型作单片机控制编程，其中 P、 I、 D 参数可按键输入并用 LED 数码显示；单片机 PWM 调宽输出，开关驱动、电子滤波控制模拟电机（压控振 荡器）实现对直流电机的 PID调压调速功能。 . 2 第 2 章 设计原理 基本的设计核心是运用 PID 调节器，从而实现直流电机的在带动负载的情况下也能稳定的运行。 运用 A/D 转换芯片将滑动变阻器的模拟电压转换为数字量作为控制直流电机速度的给定值； 用压控振荡器模拟直流电机的运行（电压高 -转速高 -脉冲多），单片机在单位时间内对脉冲计数作为电机速度的检测值； 应用数字 PID 模型作单片机控制编程，其中 P、 I、 D 参数可按键输入并用 LED 数码显示； 单片机 PWM 调宽输出作为输出值，开关驱动、 电子滤波控制模拟电机（压控振荡器）实现对直流电机的 PID 调压调速功能。 基于以上的核心思想，我们把这次设计看成五个环节组成，其具体的 原理 如下 见原理图 2.0 图 2.0 PID 调速设计原理图 如图可以知道，这是一个闭环系统，我们借助单片机来控制，我们现运用 AD 芯片，运用单片机来控制 AD 芯片来转换模拟电压到数字电压， AD 给定的电压越大，则产生的数字量越大，单片机再控制这个数字量来产生一个 PWM， PWM 占空比越大，就驱动晶体管导通的时间越长，这样加到压频转换器的电压也 就越大，电压越大， 则压频转换器输出的计数脉冲再单位时间也就越多，这样就相当于电机的电压越大，其转速也就会越快，我们再用单片机对压频转换器的输 出 脉冲 计数， PID 调节器就把这个计数脉冲和预先设定的 值进行比较，比设定值小，这样就会得到一个偏差，再把这个偏差加到 AD 的给定电压，这样就相当于加大了 PWM 的占空比，要是比设定值大，这样也会得到一个偏差，就把这个变差与给定的电压向减，这样就可以减少 PWM 的占空比，通过改变占空比来改变晶体管的导通时间，就可以改变压频转换器的输入电压，也就改变压频转换器的单位计数脉冲， 达到 调电动机速度的目的。 3 第 3 章 设计方案 3.1 PWM 的调制 AD 芯片给定一定的电压，应用单片机来控制来产生一个 PWM,给定的电压不同 ，就会的得到不同的PWM 波形 。在产生 PWM 波形我们采用 ADC0808 芯片和 AT89C51 两个核心器件。 ADC0808 芯片是要外加电压和时钟，当输入不同的电压的时候，就可以把不同的电压模拟量转化为数字值，输入的电压越大，其转换的相应的数字也就会越大， ADC0808 芯片有 8 个通道输入和 8 个通道输出。其具体的管脚图见 3.01 图 3.01 ADC0808 芯片管脚图 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 AT89C2051 是一种带2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存 储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。 AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图 3.02 所示 图 3.02 AT89C51 芯片管脚图 PWM 产生的电路图见图 3.03 4 图 3.03 PWM 产生的电路图 在 PROTEUS 仿真中，我们改变不同的电压就可以得到不同的 PWM 波形。 在给定很高（ FC）的电压的时候，得到占空比很的 PWM 波形，见图 3.04 图 3.04 高占空比 PWM 波形 在给定一般 (7F)的电压的时候，得到占空比很的 PWM 波形，见图 3.05 图 3.05 中 占空比 PWM 波形 在给定一般 (01)的电压的时候，得到占空比很的 PWM 波形，见图 3.06 图 3.06 低占空比 PWM 波形 PWM 源程序 ADC EQU 35H ；定义 ADC0808 时钟芯片 CLOCK BIT P2.4 5 ST BIT P2.5 EOC BIT P2.6 OE BIT P2.7 PWM BIT P3.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_TO START: MOV TMOD,#02H MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H MOV IE ,#82H SETB TR0 WAIT:CLR ST SETB ST CLR ST ；启动 A/D 转换等待结果 JNB EOC,$ SETB OE MOV ADC,P1 ；启动 /D 转换结果 CLR OE SETB PWM ；PWM 输出 MOV A,ADC LCALL DELAY CLR PWM MOV A,#0FEH SUBB A,ADC LCALL DELAY SJMP WAIT INT_TO:CPL CLOCK RETI ；提供 ADC0808 时钟 信号 DELAY: CJNE A ,#00H, L INC A L: MOV R6,#1 D1:DJNZ R6 ,D1 DJNZ ACC,D1 RET END 3.2 基于单片机的数字 PID 控制直流电机 PWM 调压调速器系统 3.2.1 调速原理 当 基于以上产生一个 PWM 后，就可以借助 PWM 脉冲来控制晶体管的导通和关断，来给压频转换器来提供一定的电压，在 PROTUES 中仿真中，给定一个 +12V 的电压，就通过晶体管的导通和关断来给压频转换器 6 供电，压频转换器 就会输出很多的脉冲，借助单片机 P3.5 来计数，其计数送给 P0 来显示，通过给定不同的 ADC 的输入电压，就可以的得到不同的计数显示，电压越大，其计数显示也就越大，通过改变计数脉冲的周期和硬件压频转换器（ LM331）的电阻和电容，就可以得到与输入电压接近的数值显示，可能由于干扰的原因，其显示值和实际值有一点偏差，这是在没有什么负载的情况下，或者说是在空载的情况下，这样就可以得到一个很理想的开环系统，也为闭环 PWM 调节做好准备。 当开环系统稳定后，加上一个扰动，或者说是加上负载，这样就使的压频转换器的电压减少，在给 定一定电压的时候，当负载分压的时候，也就相当于直流电机的电压就会减少，这样直流电机的转速就会下降，或者说当有负载的时候，压频转换器的输入电压就会减少，这样输入的脉冲在单位时间就会减少，这样 PID 调节器，通过改变 PID 的参数， PID 控制器由比例单元（ P）、积分单元（ I）和微分单元（ D）组成。其输入 e (t)与输出 u (t)的关系为 u(t)=kp(e(t)+1/TI e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是 0 和 t 因此它的传递函数为： G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中 kp 为比例系数； TI 为积分时间常数； TD为微分时间常数 这样就会得到一个偏差，通过这个偏差来改变原来的 PWM 的占空比，使得晶体管的导通时间加长或减少，这样就改变了直流电机的输入电压，也就是该变了在 PROTUES 压频转换器的输入电压，使得输出的计数脉冲在单位时间发生改变，也就是模拟了直流电机的转速的改变，我们希望通过 PID 的调节，使得输出的计数脉冲的显示值和预先设定的值接近，由于偏差的存在，使得 PID 调节器不断的去修正，使得显示值近可能的接近我们所预期的设定值。 3.2.2 基于单片机 的数字 PID 控制直流电机 PWM 调压调速器系统原理图 图 3.07 PID 调速原理图 7 3.2.3 波形仿真 在不同的给定电压下开换系统会有不同的 PWM 波形和计数脉冲个数。 在不同的波形中从上之下以此为 pwm 波形，经过驱动后的波形， LM331 的输入电压， LM331 的输出脉冲。 当给定电压为较高（ E8H）其波形见如下图 3.08 图 3.08 高电压给定对应的波形 当给定电压为较高（ 7FH）其波形见如下图 3.09 图 3.09 中电压给定对应的波形 当给定电压为较高（ 08H）其波形见如下图 3.10 8 图 3.10 低电压给定对应的波形 ； PID LM331 的输入电压波形图 3.11 图 3.11 PID 控制 LM331 的输入电压波形 3.2.4 PID 调速程序 PWM 输出驱动程序 ADC EQU 35H CLK BIT P2.4 ST BIT P2.5 EOC BIT P2.6 OE BIT P2.7 PWM BIT P3.7 ； PID 调节设置 EK0 EQU 40H EK1 EQU 41H EK2 EQU 42H PP EQU 43H II EQU 44H 9 DD EQU 45H UK0 EQU 70H UK1 EQU 71H ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_TO START: MOV TMOD, #62H MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H MOV IE, #86H SETB TR0 ； SETB TR1 MOV R0, #00 MOV R1, #00 MOV R2, #00 MOV R3, #00 MOV R4, #00 MOV R5, #00 MOV R6, #00 MOV R7, #00 ；PID 赋值 MOV PP, #05 MOV II, #03 MOV DD, #02 MOV EK0,#00H MOV EK1,#00H MOV EK2,#00H MOV UK0,#00H MOV UK1,#00H WAIT: CLR OE INC R7 CLR ST SETB ST CLR ST JNB EOC, $ ； 等待转换完成 10 SETB OE MOV ADC, P1 MOV R0,ADC MOV A,70H ADDC A,ADC MOV ADC ,A ；CLR OE SETB PWM SETB TR1 MOV A, ADC LCALL DELAY ； 高电平延时 CLR PWM MOV A, #255 SUBB A, ADC LCALL DELAY ； 低电平延时 CJNE R7, #20, WA2 WA1: CLR TR1 MOV R7, #00 MOV A, TL1 MOV 50H,A mov P0,50H ；PID 求偏差 MOV A,EK1 MOV EK2,A MOV A,EK0 MOV EK1,A MOV A,R0 SUBB A,50H MOV EK0,A ；PP 的计算 MOV A,EK0 SUBB A,EK1 MOV B,PP MUL AB MOV R1,A MOV R2,B AJMP X WAIT1:AJMP WAIT ；II 的计算 11 X: MOV A,EK0 MOV B,II MUL AB MOV R3,A MOV R4,B ；DD 的计算 MOV A,EK1 RL A MOV EK1,A MOV A,EK0 SUBB A,EK1 ADDC A,EK2 MOV B,DD MUL AB MOV R5,A MOV R6,B ；PID 总的计算 MOV A,R1 ADDC A,R3 ADDC A,R5 MOV 60H,A MOV A,R2 A