毕业设计（论文）-基于PID控制的直流电机调速系统设计.doc

基于基于 PIDPID 控制的直流电机调速系统控制的直流电机调速系统 【摘要】：在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电机进行驱动、传动 和控制，而现代智能控制系统中，对电机的控制要求越来越精确和迅速，对环境的 适应要求越来越高。随着科技的发展，通过对电机的改造，出现了一些针对各种应 用要求的电机，如伺服电机、步进电机、开关磁阻电机等非传统电机。但是在一些 对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中，传统电机如直流电机乃有 很大的优势，而要对其进行精确而又迅速的控制，就需要复杂的控制系统。随着微 电子和计算机的发展，PID 控制技术应用越来越广泛，数字控制系统有控制精确， 硬件实现简单，受环境影响小，功能复杂，系统修改简单，有很好的人机交换界面 等特点。 本设计以上面提到的数字 PID 为基本控制算法，以单片机为控制核心，产生占 空比受数字 PID 算法控制的 PWM 脉冲实现对直流电机转速的控制。同时利用霍尔 传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，达到转速 无静差调节的目的。 【关键词】:直流电机；单片机；霍尔传感器；PID 控制 【Abstract】：In industrial automatic control systems and a variety of smartproducts are often used to drive electric motor, transmission andcontrol, and modern intelligent control systems, motor control requirements for more accurate and rapid adaptation to the environment have become increasingly demanding high. With the development of technology, through the transformation of the motor, there are some requirements of the motor for various applications such as servo motors, stepper motors, switched reluctance motors and other non-traditional motor. However, insome of the less demanding position control motor controlsystems such as transmission control systems, such asconventional DC motors is a great advantage, but to be preciseand quick control, we need a complex control system. With the development of microelectronics and computers, PID controltechnology becomes more widespread, digital control system, precise control and simple hardware implementation, subject toenvironmental impact, functional complexity, system changessimple, good man- machine interface and other exchangecharacteristics. The design for the above-mentioned basic digital PID control algorithm for the control of the microcontroller core, produced by the digital PID algorithm to control the duty cycle of the PWMpulse to achieve the DC motor speed control. At the same timethe use of Hall sensors into pulse frequency motor speedfeedback to the microcontroller to achieve closed-loop speedcontrol, to adjust the speed of the purpose of static error-free. 【Key words】：DC motor ; single - chip Microcomputer ; hall position sensor ; PID control 目目 录录 1绪绪 论论. 1 1.1本课程的选题背景. 1 1.2直流电机简介. 2 1.3系统开发软硬件概述. 9 1.4本课题研究的基本内容. 12 2直流电机直流电机 PID 调速系统设计方案调速系统设计方案 .13 2.1系统总体设计方案. 13 2.2系统设计原理. 28 3直流电机直流电机 PID 系统硬件设计系统硬件设计 . 36 3.1H 桥驱动电路设计方案. 36 3.2调速设计方案. 37 3.3系统硬件电路设计. 38 3.4基于单片机控制流程. 40 4直流电机直流电机 PID 系统软件设计系统软件设计 . 42 4.1如何应用 PID 控制电机转速 .42 4.2调速系统主程序原理框图. 48 4.3中断服务程序原理框图. 49 5结结 论论. 51 6致致 谢谢. 51 7参考文献参考文献. 52 8附附 录录. 53 基于 PID 控制的直流电机调速系统 1 1绪绪 论论 1.1 本课程的选题背景本课程的选题背景 PID 控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器）自 30 年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。它的结构简 单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。特别是在工业过程控制中， 由于被控制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制 理论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的控制效果。在应用计算机 实现控制的系统中，PID 很容易通过编制计算机语言实现。由于软件系统的灵活性， PID 算法可以得到修正和完善，从而使数字 PID 具有很大的灵活性和适用性，其中 数字 PID 控制器是由软件编程在计算机内部实现的。 PWM 控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约， 在上世纪 80 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪 80 年代，随着全控型电力电 子器件的出现和迅速发展，PWM 控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微 电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性 系统控制思想的应用，PWM 控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已经出现了 多种 PWM 控制技术。 PWM 控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术 最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有 了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 PWM 控制技术发展的主要方向之一。 在电机控制系统开发中，常常需要消耗各种硬件资源，系统构建时间长，而在 调试时很难对硬件系统进行修改，从而延长开发周期。随着计算机仿真技术的出现 和发展，可用计算机对电机控制系统进行仿真，从而减小系统开发开支和周期。计 算机仿真可分为整体仿真和实时仿真。整体仿真是对系统各个时间段对各个对象进 行计算和分析，从而对各个对象的变化情况有直观的整体的了解，即能对系统进行 精确的预测，如 Proteus 就是一个典型的实时仿真软件。实时仿真是对时间点的动态 仿真，即随着时间的推移它能动态仿真出当时系统的状态。Proteus 是一个实时仿真 软件，用来仿真各种嵌入式系统。它能对各种微控制器进行仿真，本系统即用 基于 PID 控制的直流电机调速系统 2 Proteus 对直流电机控制系统进行仿真。 本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文 章中采用了专门的芯片组成了 PWM 信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。 利用直流测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号 输入给 A/D 转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行 PI 运算，输出控制量完成闭环 控制，实现电机的调速控制。 1.2 直流电机简介直流电机简介 1.2.11.2.1 直流电机的发展历史直流电机的发展历史 电机原理最早的提出者是英国的科学家法拉第，他首先证明了电力可以转 变为旋转动力，而后据说是德国的雅克比最先将之付诸实践，制造出了第一台 电机。电机最早先的样子是在两个 U 型磁铁中间安装了一个六臂轮，并在每个 臂上带两根棒型磁铁，通电后磁铁的吸引力和排斥力推动轮轴转动。 电机在雅克比手上还有进一步的发展，他制造了一个大型的装置为小艇提 供动力，并在易北河上试航，虽然当时的时速只达到了 2.2 公里，但这不影响 电机实验的成功。电机的另一个发展者美国的达文波特，在几乎相同的时间里， 也成功的制造了电动的印刷机，只可惜这个型号的印刷机成本太大，几乎没有 商业价值。 电机被广泛应用的推动力来自直流电机的问世，在 1870 年时比利时的工程 师格拉姆发明了这种实用机械，并把它大量制造出来，而后还不断的对电机的 效率进行提高。电机的另一个研究单位德国西门子也在努力研究，几乎也是在 格拉姆成功的同一时间，西门子推出了电机车，这个不烧油的车在柏林工业展 览会上获得一片喝彩声。 1.2.2直流电机的特点直流电机的特点 直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直 流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发 电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是 直流电机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井 卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流 电机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载 输出电能；直流电机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械 能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。 基于 PID 控制的直流电机调速系统 3 虽然直流发电机和直流电机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是 利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。 直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高， 运行中的维护检修也比较麻烦。因此，电机制造业中正在努力改善交流电机的 调速性能，并且大量代替直流电机。不过，近年来在利用可控硅整流装置代替 直流发电机方面，已经取得了很大进展。包括直流电机在内的一切旋转电机， 实际上都是依据我们所知道的两条基本原则制造的。一条是：导线切割磁通产 生感应电动势；另一条是：载流导体在磁场中受到电磁力的作用。因此，从结 构上来看，任何电机都包括磁场部分和电路部分。从上述原理可见，任何电机 都体现着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。我们在 这一章里讨论直流电机的结构和工作原理，就是讨论直流电机中的“磁”和 “电”如何相互作用，相互制约，以及体现两者之间相互关系的物理量和现象 （电枢电动势、电磁转矩、电磁功率、电枢反应等）。 1.2.3直流电机的分类直流电机的分类 一般的电机多采用电流励磁。励磁的方式分为他励和自励两大类。 他励直流电机 由独立的电源为电机励磁绕组提供所需的励磁电流。例如用独立的直流电 源为直流发电机的励磁绕组供电；由交流电源对异步电机的电枢绕组供电产生 旋转磁场等等。前者为直流励磁，后者为交流励磁。同步电机按电网的情况,可 以是转子的励磁绕组直流励磁,也可以定子上由电网提供交流励磁，一般以直流 励磁为主。如直流励磁不足，则从电网输入滞后的无功电流对电机补充励磁； 如直流励磁过强，则电机就向电网输出滞后的无功电流,使电机内部磁场削弱。 采用直流励磁时,励磁回路中只有电阻引起的电压降,所需励磁电压较低,励磁电 源的容量较小。采用交流励磁时，由于励磁线圈有很大的电感电抗，所需励磁 电压要高得多，励磁电源的容量也大得多。 他励式励磁电源，原来常用直流励磁机。随着电力电子技术的发展，已 较多地采用交流励磁机经半导体整流后对励磁绕组供电的方式励磁。励磁调节 可以通过调节交流励磁机的励磁电流来实现；也可以在交流励磁机输出电压基 本保持不变的情况下，利用可控整流调节。后者调节比较快速，还可以方便地 利用可控整流桥的逆变工作状态达到快速灭磁和减磁，从而取消常用的灭磁开 关。前一种方式，整流元件为二极管，如把它和交流励磁机电枢绕组、同步电 机励磁绕组一起都装在转子上，则励磁电流就可以直接由交流励磁机经整流桥 输入励磁绕组,不再需要集电环和电刷，可构成无刷励磁系统,为电机的运行、维 护带来很多方便。当然整流元件、快速熔断器等器件在运行中均处于高速旋转 状态，要承受相当大的离心力，这在结构设计时必须加以考虑。 基于 PID 控制的直流电机调速系统 4 自励直流电机 利用电机自身所发电功率的一部分供应本身的励磁需要。电机采用自励 时，不需要外界单独的励磁电源,设备比较简单。但如果原先电机内部没有磁场, 它就不可能产生电动势，也就不可能进行自励。所以实现自励的条件是电机内 部必须有剩磁。 自励系统又可分为并励和复励两种。并励指仅由同步电机的电压取得 能量的自励系统，复励指由同步电机的电压及电流两者取得能量的自励系统。 并励发电机进行自励的条件和起励过程如图 1 和图 2 所示。图 1 是并励直流发 电机的原理接线图。图 2 为其起励过程。其中曲线 1 为发电机的磁化曲线 f(If)。由于在一定转速下电机的感应电动势与磁通成正比,所以曲线 1 同时也 就是电机的空载特性曲线 E 0=f(If)，即电机的感应电动势与励磁电流 If 之间的 关系。而曲线 2 为励磁回路的电阻特性 UIfR,它表示励磁电流与电机电压之 间的关系。它实际是一条斜率为 R 的直线。其中R 为励磁回路的总电阻，它 包括励磁绕组的电阻和外加的调节电阻 Rr。 1.2.4直流电机的结构及基本工作原理直流电机的结构及基本工作原理 直流电机的结构 分为两部分：定子与转子。 定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。 转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。 （1）定子 定子就是发动机中固定不动的部分，它主要由主磁极、机座和电刷装置组 成。主磁极是由主磁极铁芯（极心和极掌）和励磁绕组组成，其作用时用来产 生磁场。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电机空气隙中磁感应强度分配 最为合理，并用来阻挡励磁绕组。主磁极用硅钢片叠成，固定在机座上。机座 也是磁路的一部分，常用铸钢制成。电刷是引入电流的装置，其位置固定不变。 它与转动的交换器作滑动连接，将外加的直流电流引入电枢绕组中，使其转化 为交流电流。 直流电机的磁场是一个恒定不变的磁场，是由励志绕组中的直流电流形成 的磁场方向和励磁电流的关系由由有螺旋法则确定。 在微型直流电机中，也有用永久磁铁作磁极的。 （2）转子 转子是电机的转动部分，主要由电枢和换向器组成。电枢是电机中产生感 应电动势的部分，主要包括电枢铁芯和点数饶组。电枢铁芯成圆柱形，由硅钢 片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电 基于 PID 控制的直流电机调速系统 5 磁力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。 换向器又称整流子，是直流电机的一种特殊装置。它是由楔形铜片叠成， 片间用云母垫片绝缘。换向片嵌放在套筒上，用压圈固定后成为换向器再压装， 在转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。 在换向器表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起 来，并实现将外部直流电流转化为电枢绕组内的交流电流。 直流电机的基本工作原理 导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力 矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使 电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦 引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 图 1-1 直流电机的原理模型 当电枢转了 180后，导体 cd 转到 N 极下，导体 ab 转到 S 极下时，由于 直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A 流入，经导体 cd 、ab 后，从电刷 B 流出。这时导体 cd 受力方向变为从右向左，导体 ab 受力方向是从左向右， 产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。 因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流 交替地由导体 ab 和 cd 流入，使线圈边只要处于 N 极下，其中通过电流的方 向总是由电刷 A 流入的方向，而在 S 极下时，总是从电刷 B 流出的方向。这 就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的 转矩，使电机能连续地旋转。这就是直流电机的工作原理。 直流电机的机械特性 直流电机按励磁方式不同可分为他励、并励、串励和复励四种。下面一常 基于 PID 控制的直流电机调速系统 6 用的他励和并励电机为例介绍其机械特性、起动、反转和调速，他励和并励电 机只是连接方式上的不同，两者的特性是一样的。 图 1-2 直流电机的接线图 图 1-2 是他励和并励直流电机的接线原理图。他励电机的励磁绕组与电枢 是分离的，分别由励磁电源电压 Uf 和电枢电源电压 U 两个直流供电；而在并励 电机中两者是并联的，由同一电压 U 供电。 并励电机的励磁绕组与电枢并联，其电压与电流间的关系为： U=E+RaIa 即：Ia= a R EU （Ra 为电枢电压） f f I U I I=Ia+IfIa 当电源电压 U 和励磁电路的电阻 Rf 保持不变时，励磁电流 If 以及由它所 产生的磁通 也保持不变，即 =常数。则电机的转距也就和电枢电流成正比， T= KTIa= KIa 这是并励电机的特点。 当电机的电磁转距 T 必须与机械负载转距 T2 及空载损耗转距 T0 相平衡时， 电机将等速转动；当轴上的机械负载发生变化时，将引起电机的转速、电流及 电磁转距等发生变化。，称为： 基于 PID 控制的直流电机调速系统 7 n TN T nN n0 n 图 1-3 并励电机的机械特性曲线 nnT KK R K U k RIU K E n TE a EE aa E 0 2 式中并励电机的起动与反转： 并励电机在稳定运行时，其电枢电流位： a a R EU I 因电枢电阻 Ra 很小，所以电机在正常运行时，电源电压 U 与反电动势 E 近似相等。 在起动时，n=0，所以 EkEn0。这时电枢电流及起动电流为： a ast R U I 由于 Ra 很小，因此起动电流 Iast 可达额定电流 IN 的 1020 倍，这时不允许的。 同时并励电机的转距正比于电枢电流 Ia，这么大的起动电流引起极大的起动转 距，会对生产机械的传动机构产生冲击和破坏。 限制起动电流的方法就是在起动时的电枢电路中串接起动电阻 Rst，见图。 这时起动电枢中的起动电流的初始值为： sta ast RR U I 则起动电阻为： Ra Ra U Rst 一般：Iast=（1.52.5）IN 起动时，可将起动电阻 Rst 放在最大值处，待起动后，随着电机转速的上 基于 PID 控制的直流电机调速系统 8 升，再把它逐段切除。 注意：直流电机在起动或工作时，励磁电路一定要保持接通，不能断开 （满励磁起动）。普则，由于磁路中只有很小的剩磁，就有可能发生以下： 要改变电机的转动方向，就必须改变电磁转距 T 的方向， 可通过改变磁通 （励磁电流）或电枢电流 Ia 的方向实现。 1.并励电机的调速 电机的调速就是在同一负载下获得不同的转速，以满足不同的要求。由转 速公式：可知常用的调速方式有调磁调速和调压调速两种。 E aa K RIU n 2.改变磁通 （调磁调速 ） 当保持电源电压 U 为额定值不变时，调节励磁电路的电阻，改变励磁电 流 If 而改变磁通 。由式可见，当磁通 减小时，n0升T KK R K U n TE a E 2 高了，转速降 n 也增大了；但 n 与 2 成正比，所以磁通愈小，机械特性曲 线也愈陡，但仍有一定的硬度。见图 1-4 Tc n2 n1 n0 Un n Nn n T 小 减 通 磁 图 1-4 改变时的机械特性 曲线 由于电机一般是在额定状态下运行的，它的磁路已接近于饱和，所以在一 定负载下，通常是减小磁通调速（N），转速上调（nnN）。 基于 PID 控制的直流电机调速系统 9 1.3 系统开发软硬件概述系统开发软硬件概述 1.3.1单片机最小系统单片机最小系统 单片机最小系统，或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机 可以工作的系统。 对 51 系列单片机来说,最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位 电路。下面给出一个 51 单片机的最小系统电路图（图 1）： 详细说明如下： 复位电路: 由电容串联电阻构成，由图并结合电容电压不能突变的性质，可以知道， 当系统一上电，RST 脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路 的 RC 值来决定。典型的 51 单片机当 RST 脚的高电平持续两个机器周期以上 就将复位，所以，适当组合 RC 的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推 荐 C 取 10u，R 取 10K。原则就是要让 RC 组合可以在 RST 脚上产生不少于 2 个机周期的高电平。至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。 （2） 晶振电路：典型的晶振取 11.0592MHz(因为可以准确地得到 9600 波 特率和 19200 波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的 uS 级时歇,方 便定时操作)，在本电路中，取 12M。 （3） 单片机：一片 AT89S51/52 或其他 51 系列兼容单片机。对于 31 脚 (EA/Vpp)，当接高电平时，单片机在复位后从内部 ROM 的 0000H 开始执行;当 接低电平时,复位后直接从外部 ROM 的 0000H 开始执行。 单片机的共 40 个引脚功总共 40 个脚，电源用 2 个(Vcc 和 GND)，晶振用 2 个，复位 1 个，EA/Vpp 用 1 个，剩下还有 34 个。29 脚 PSEN，30 脚 ALE 为外扩数据/程序存储器时才有特定用处，一般情况下不用考 虑，这样，就只剩下 32 个引脚，它们是： （图 1） 图 1 基于 PID 控制的直流电机调速系统 10 P0 端口 P0.0 - P0.7 共 8 个； P1 端口 P1.0 - P1.7 共 8 个； P2 端口 P2.0 - P2.7 共 8 个； P3 端口 P3.0 - P3.7 共 8 个； 1.3.2Proteus 仿真软件简介仿真软件简介 Proteus ISIS 是英国 Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件9。它 运行于 Windows 操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电 路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合。具有模 拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232 动态仿真、I2C 调试器、SPI 调试器、键盘和 LCD 系统仿真的功能；有各种虚 拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿 真。目前支持的单片机类型有：68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系 列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列以及各种外围芯片。提 供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能， 同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也 必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如 Keil C51 uVision2 等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片 机和 SPICE 分析于一身的仿真软件，功能极其强大。 Proteus 主要用于绘制原理图并可进行电路仿真，Proteus ARES 主要用于 PCB 设计。ISIS 的主界面主要包括：1 是电路图概览区、2 是元器件列表区、 3 是绘图区。绘制电路图的过程如下： 单击 2 区的 P 命令即弹出元器件选择（Pick Devices）对话框，Proteus 提 供了丰富的元器件资源，包括 30 余种元器件库，有些元器件库还具有子库。 利用该对话框提供的关键词（Keywords）搜索功能，输入所要添加的元器件名 称，即可在结果（Results）中查找，找到后双击鼠标左键即可将该元器件添到 2 区，待所有需要的元器件添加完成后点击对话框右下角的 OK 按钮，返回主 界面。接着在 2 区中选中某一个元器件名称，直接在 3 区中单击鼠标左键即可 将该元器件添加到 3 区。 由于是英国的软件，特别要注意的是绘图区中鼠标的操作和一般软件的操 作习惯不同，这正像是司机座位和人行道走向和国内不同一样。单击左键是完 成在 2 区中被选中的元器件的粘贴功能；将鼠标置于某元器件上并单击右键则 是选中该元器件（呈现红色），若再次单击右键的话则删除该元器件，而单击 左键的话则会弹出该元器件的编辑对话框（Edit Component）；若不需再选中任 何元器件，则将鼠标置于 3 区的空白处单击右键即可；另外如果想移动某元器 件，则选中该元器件后再按住鼠标左键即可将之移动。 基于 PID 控制的直流电机调速系统 11 元器件之间的连线方法为：将鼠标移至元器件的某引脚，即会出现一个 “”符号，按住鼠标左键后移动鼠标，将线引至另一引脚处将再次出现符号 “”，此时单击鼠标左键便可完成连线。连线时在需拐弯的地方单击鼠标左 键即可实现方向的改变。绘制好电路后，可利用 1 区的绿色边框对 3 区的电路 进行定位。 Keil 编译及调试软件简介编译及调试软件简介 目前流行的 51 系列单片机开发软件是德国 Keil 公司推出的 Keil C51 软件， 它是一个基于 32 位 Windows 环境的应用程序，支持 C 语言和汇编语言编程， 其 6.0 以上的版本将编译和仿真软件统一为 Vision（通常称为 V2）。Keil 提供包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等 在内的完整开发方案，由以下几部分组成：Vision IDE 集成开发环境（包括 工程管理器、源程序编辑器、程序调试器）、C51 编译器、A51 汇编器、LIB51 库管理器、BL51 连接/定位器、OH51 目标文件生成器以及 Monitor-51、RTX51 实时操作系统。 应用 Keil 进行软件仿真开发的主要步骤为：编写源程序并保存建立工 程并添加源文件设置工程编译/汇编、连接，产生目标文件程序调 试。Keil 使用“工程”（Project）的概念，对工程（而不能对单一的源程序） 进行编译/汇编、连接等操作。工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文 件的方法非常易于掌握。首先选择菜单 FileNew，在源程序编辑器中输入 汇编语言或 C 语言源程序（或选择 FileOpen，直接打开已用其他编辑器编 辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名. asm（.a51）或.c；然后选择菜单 ProjectNew Project，建立新工程并保存 （保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；工程保存后会立即弹出一个 设备选择对话框，选择 CPU 后点确定返回主界面。这时工程管理窗口的文件页 （Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择 Source Group1，右 击鼠标弹出快捷菜单，选择“Add File to Group Source Group1”，出现一个对 话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而 是等待继续加入其他文件）。加入文件后点 close 返回主界面，展开“Source Group1”前面+号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文 件。紧接着对工程进行设置，选择工程管理窗口的 Target1，再选择 Project Option for Target Target1（或点右键弹出快捷菜单再选择该选项），打开工程 属性设置对话框，共有 8 个选项卡，主要设置工作包括在 Target 选项卡中设置 晶振频率、在 Debug 选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在 Output 选项卡中选中“Creat Hex Fi”；其他选项卡内容一般可取默认值。工程设置后 按 F7 键（或点击编译工具栏上相应图标）进行编译/汇编、连接以及产生目标 文件。 基于 PID 控制的直流电机调速系统 12 成功编译/汇编、连接后，选择菜单 DebugStart/Stop Debug Session（或按 Ctrl+F5 键）进入程序调试状态，Keil 提供对程序的模拟调试功能，内建一个功 能强大的仿真 CPU 以模拟执行程序。Keil 能以单步执行（按 F11 或选择 DebugStep）、过程单步执行（按 F10 或选择 DebugStep Over）、全速执行 等多种运行方式进行程序调试。如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程 序进行在线修改（DebugInline Assambly），不必执行先退出调试环境、修 改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。 对于一些必须满足一定条件（如按键被按下等）才能被执行的、难以用单步执 行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理（DebugInsert/Remove Breakpoint 或 DebugBreakpoints等）。在模拟调试程序后，还须通过编程器 将.hex 目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。 Keil 软件 Eval 版（免费产品）的功能与商业版相同，只是程序的最大代码 量不得超过 2kB，但对初学者而言已是足够。Keil 软件由于其强大的软件仿真 功能，友好的用户界面以及易于掌握的特点而受到工程技术人员的欢迎，有人 甚至认为 Keil 是目前最好的 51 单片机开发应用软件。 1.4 本课题研究的基本内容本课题研究的基本内容 学习 PID 控制直流电机的设计方法； 学习 PWM 控制理论； 学习数字 PID 算法在单片机上的实现方法。 基于 PID 控制的直流电机调速系统 13 2直流电机直流电机 PID 调速系统设计方案调速系统设计方案 2.1 系统总体设计方案系统总体设计方案 2.1.1调速方案比较及选调速方案比较及选择择 （一）方案一：PWM 波调速 采用由达林顿管组成的 H 型 PWM 电路（图 21）。用单片机控制达林顿管 使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。这种电路由于工作在 管子的饱和截止模式下，效率非常高；H 型电路保证了可以简单地实现转速和 方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的 PWM 调 速技术。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电机在运转时比较稳 定；并且在采用单片机产生 PWM 脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机， 采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。 K1K2 A - + VCCVCC 图 2-1 PWM 波调速电路 其结构图如图 2-2 所示： 基于 PID 控制的直流电机调速系统 14 单片机（速度的 测量计算、输入 设定及系统控制）霍尔传感器速度采集 单片机（PID 运算控制器、 PWM 模拟发生器） 直流电动机 电机驱动电路 图 2-2 电机 PID 调速系统总体设计框图 （二）方案二：晶闸管调速 采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电 的直流电机调速系统。1957 年，晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了 60 年 代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电机调速系统，即晶闸管 可控整流器供电的直流调速系统（V-M 系统）。如图 1-3，VT 是晶闸管可控整 流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变 c U 整流电压，从而实现平滑调速。晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都 d U 有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整流器的 功率放大倍数在以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发 4 10 电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级， 而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。因此，在 60 年代到 70 年代，晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M 系统）代替旋转变流机 组直流电机调速系统（G-M 系统），得到了广泛的应用。但是由于晶闸管的单 向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、 过电流和过高的与都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损du dtdi dt 坏器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设 备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。 兼于方案二调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本 基于 PID 控制的直流电机调速系统 15 设计采用方案一。 2.1.2 检测方案选择检测方案选择 电机控制系统中信号检测是必不可少的，不仅开环控制状态的极限控制需 要，如过电流、过电压、过热和欠电压等严重影响系统正常工作的信号，而且 对于绝大多数闭环控制系统，状态信息的检测更是不可缺少，即进行实时检测 并利用检测信号控制电机的正常运行。检测信号分为电量和非电量两类。电量 有电流、电压、电荷量和电功率等。在检测系统中占绝大多数检测信号属于非 电量信号，如位置、速度等。在电机控制系统中，常用的检测信号主要有电流、 电压、转子位置和转速等物理量。下面分别介绍这些 物理量的检测方法。 1.霍尔传感器检测方案 位置传感器主要用于转子位置检测和速度计算，为了正确的获得转子位置 信息，不仅要合理地设计转子位置传感器与单片机的接口，还要考虑位置信号 处理的方法。合理选择测速元件，这里我们选择霍尔传感器作为测速元件。 2.霍尔传感器 （1）霍尔传感器 由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度 补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。 图 2-4 霍尔元件 接线图： 图 2-5 霍尔原件接线图 霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图所示，是其中一种型 号的外形图。 （2）霍尔效应 如图 2-3 所示，在半导体薄片两端通以控制电流 I，并在薄片的垂直方向施加 基于 PID 控制的直流电机调速系统 16 磁感应强度为 B 的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差 为 UH 的霍尔电压，它们之间的关系为：。 H IB U =k d 图 2-3 霍尔原理图 式中 d 为薄片的厚度，k 称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。 上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于 1879 年研究载流导体在 磁场中受力的性质时发现的。 （3）霍尔元件 根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场 敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点， 因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。 2.霍尔传感器的分类 霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。 线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输 出模拟量。 开关型霍尔传