直流电机调速系统设计本科毕业论文.doc

题 目 直流电机调速系统设计 学生姓名 王轶超 学号 1113014048 所在学院 物理与电信工程学院 专业班级 电子信息工程1102班 指导教师 秦伟 完成地点 物理与电信工程学院实验室 2015 年 6月 13 日毕业论文设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 电子1102 学生姓名 王轶超 一、毕业论文设计题目 直流电机调速系统设计 二、毕业论文设计工作自 2014 年 12月 9 日 起至 2015 年 6 月 20 日止三、毕业论文设计进行地点: 信息技术实验室 四、毕业论文设计的内容要求： 设计任务： 在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。课题要求理解和掌握直流电机的工作原理，选择合适的数字或模拟转速测量传感器,利用单片机，通过系统软硬件设计，实现直流电机转速测量与调速系统, 满足控制任务要求。 设计要求： 1）能以数字形式显示转速和给定转速，能通过按键设置转速给定值。 2）控制电机的转速从给定转速的60%-100% 之间无极变化。 3）可通过上位机PC设置转向和转速,并在计算机上实时显示转速。 五、 毕业论文设计应收集资料及参考文献： 1 胡永红,王福明. 基于单片机的直流电机调速系统的设计J. 传感器世界. 2014(04) 2 李维军,韩小刚,李晋. 基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统 J. 机电一体化 . 2004(09) 3 汪亮. 基于TMS320F2808的无刷直流电机控制系统的研究 D. 安徽大学. 2014(05) 六、 毕业论文设计的进度安排： 1周4周： 查阅资料及方案论证，完成开题报告，英文文献翻译； 5周8周：完成系统电路、程序设计； 9周12周：毕业设计进行中期检查，硬件电路联接、安装、调试； 13周15周：毕业设计作品的集体验收， 整理数据及撰写论文； 16周：答辩。 指导教师签名 系(教研室)主任签名 专业负责人签名 批准日期 直流电机调速系统设计作者：王轶超（陕西理工学院 物理与电信工程学院 电子信息工程1102班，陕西 汉中，723000）指导教师：秦伟摘要 电机调速系统多用于工业自动化领域以及家用电动设备之中。本文主要介绍的直流电机调速系统是基于飞思卡尔MC9S12XS128微控制器设计，采用BTS7970直流电机驱动芯片，利用PWM脉宽调制控制直流电机，再通过光电编码器对直流电机的转速进行测量，以增量式PID闭环反馈控制系统来对转动速度达到精确控制。并设有按键对速度进行调节，以12864液晶显示转动速度信息，提供了良好的人机交互操控。经设计和调试，本系统能实现180r/min到8500r/min电机转速的测量及显示，转速步进值可在1、10、100和1000 4个范围调整。 关键字电机调速 脉宽调制 比例-积分-微分控制器 光电编码器 The Design Of DCMotor Speed Control SystemAuthor:Wang Yichao(Grade11,Class02, Major physical electronics and telecommunications. Physics and Telecommunication Engineering Dept., Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, Shaanxi)Tutor:Qin WeiAbstract: The motor speed regulation system is used in the field of industrial automation and electric equipment of home. Dc motor speed control system is mainly introduced in this paper is designed base on the Freescale MC9S12XS128 micro controller,using BTS7970 DC motor drive chip, control of DC motor by PWM (pulse width modulation), and through the photoelectric encoder of the DC motor speed measurement, then incremental PID closed-loop feedback control system of rotational speed to achieve precise control, this paper mainly introduces the DC motor speed control system. And use the key to adjust the speed of the motor, it can display rotation speed information on the 12864 LCD, provides a good man-machine interactive manipulation. After the design and debugging, this system can achieve 180 r/min to 8500 r/min, according to the motor speed measurement and speed step value can be in 1, 10, 100, and 1000 four range adjustment.Key word: Motor speed PWM PID Photoelectric coderII目录1 引言11.1课题背景11.2研究意义11.3设计思路与系统功能12 方案论证22.1控制器22.2电机驱动22.3测速模块22.4显示屏33 系统硬件设计43.1系统硬件概述43.2主控制器介绍43.3直流电机介绍53.4电源部分53.5电机驱动模块63.6测速部分63.7按键部分73.8显示部分74 系统软件设计94.1光电编码盘测速94.1.1光电编码器测速原理94.1.2光电编码器测速方法94.2 PWM 脉宽调制94.2.1 PWM 控制技术控制直流电机94.2.2 PWM控制直流电机转速104.2.3 PWM控制直流电机正反转104.3 PID算法104.3.1 PID算法简介104.3.2 PID闭环控制104.4 程序流程图125 系统调试与分析135.1 硬件调试135.2 软件调试136 总结13致谢16参考文献17附录A 外文文献18附录B 中文翻译24附录C 元器件清单29附录D 电路图30附录E 实物图31附录F 部分源程序32陕西理工学院毕业设计1 引言1.1课题背景电动机相关控制技术的快速进步其重要原因是由于电子领域、单片机等领域的发展。伴随着电子产业的飞速发展，直流电机调速模式逐步从模拟化向数字化转变。作为单片嵌入式系统的核心单片机，它的功能、款型、运行速度、容量朝着越来越高的水平和方向发展，同时单片机的功耗及价格日益降低，更容易被开发者和厂家所接受。近年来，单片机技术已形成了多模式控制系统的应用，并正向全数字化控制方向快速发展。高智慧化、高可靠性已成为它必然的发展趋势。而在这种单片微型计算机集成化日益成熟很进步的今天，集成电路技术正在迅猛地发展，很多的厂商在追求功能的同时，也追求着硬件的低能耗。所以一批批低能耗的单片机应运而生。相对的，与外围电路相匹配的硬件设备也在追求着低功耗。之前需要用高电压电来驱动的设备，已慢慢被以弱电驱动的设备所取代。电子设备的低能耗化，已成为必然的方向。1.2研究意义现阶段，国内外对电机调速控制技术的研究日益增多，控制电机的技术也越来越纯熟，逐步向着更加智能，更加节能的方向进军。随着将来物联网的进一步发展，直流电机调速技术必然会向着高智能化的趋势发展，取代传统的交流电机将会是必然的发展方向，直流电机的应用将与人们的生活更加密切。而我们身为当代大学生，不仅仅只局限于书本上面的知识，而应该紧跟时代步伐，努力提升动手实践能力。为巩固所学理论技术知识，并应用于实践，故选定了直流电机调速系统设计为本次毕设题目。况且直流电机调速技术在生活中的应用非常普遍，学习直流电机控制相关的知识，能让自己对智能控制的方法和思想有更深层次的认识和学习。希望自己能通过此次毕业设计提高动手实践能力，在电子产品的开发和设计能力上能有较高的提升。1.3设计思路与系统功能本次毕业设计选择是飞思卡尔MC9S12XS128单片机1作为主控器。通过电压转换模块，直流电机驱动器，12864 LCD显示电路，测速模块以及其他外设电路构成直流电机调速系统。在本次设计中，控制直流电机转动速度的方法是利用PWM脉宽调制进行调节控制，并通过光电编码盘对速度进行检测，再加上经典的PID算法，以此来组成闭环反馈控制系统来达到对直流电机的转速达到精准测控。一个系统只有软硬件兼备，才能够构成一个完整的系统。硬件平台主要是为了更好的接收或者产生一些对系统有用的信号，而软件算法则是对这些信号进行采集、分析及处理，从而实现系统功能。本设计可以实现下几个功能：1. 可通过按键设置电机转速，并可调节电机正反方旋转2. 可对电机转速进行实时检测，有效测量转速范围可从180 r/min到8500 r/min3. 可在液晶屏上显示给定转速和实时转速2 方案论证2.1控制器方案一：采用MSC-51系列微控制器，该单片机应用广泛，可参考文献较多，且操控简单方便。但由于MSC-51系列单片机系8位的单片机，CPU主频较低，且内部资源较少，故处理数据速度慢，在对电机精准的转速控制方面有着明显的缺陷。方案二：采用飞思卡尔MC9S12XS128微控制器2，该MCU采用哈佛结构和流水线指令结构，在汽车电子、工业控制等诸多领域内都表现出低成本，高性能的特点。作为一款优秀的16位单片机，其内部提供了多种集成模块和总线接口，可以在不同领域中最大程度的发挥其优势。同时，它内部集成有着丰富的硬件资源，如SCI，SPI通信接口，8路8位可级联PWM模块，8路16位定时器及8路10位A/D，为开发者提供了很大程度的便利。2.2电机驱动方案一：简单的H桥电路，H桥是一种典型且实用的直流电机控制电路，因其形状与字母“H”相类似，所以称该电路为H桥电路。如下图2.2所示即为一个典型H桥直流电机控制电路，由 4个MOS管和一个直流电机搭建而成。如果想使电机转动，则必须让对使角线传导双MOS管导通。根据不同的MOS管对所导通的情况，电流会从左到右或从右到左这两个方向流过直流电机，从而控制电机的转向。本方案计划采用两个P型管和两个N型管搭建H桥电路对电机进行驱动。但是此方案对器件的选择需要较高的理论基础，电路搭建起来也相对困难，稳定性也无法满足系统要求，故不考虑此方案。图2.1 H桥电路方案二：采用两片BTS7970搭成H桥来驱动电机，原理与MOS管搭建H桥的原理相似，内部自带有一个P型的场效应晶体管和N型场效应晶体管。此种方法可得到较大的驱动电流，最高可以达到43A左右。由于采用集成芯片，稳定性很高，外围电路简单，驱动方便，符合我们设计需求。2.3测速模块方案一：选用霍尔传感器件。霍尔器件是通过霍尔效应完成磁电转换的传感器，它具有测量范围宽，精度高，稳定性强，耐高温以及的体积小特点，在控制领域中占有相对重要的地位。但由于较低的测量精度和复杂的机械安装过程，并不利于硬件安装和对电机速度控制。方案二：使用光电编码盘。光电编码盘由光电检测装置和光栅盘组成，光栅上刻有很多码道，可以和电机一起旋转，每个码道按规律排列的透光和不透光部分。工作的时候，光投射在光栅上，通过亮区的光线经过狭缝后被光敏器件接收，光敏器件检测到亮区以及暗区的亮暗变化变化后输出脉冲信号，当码盘转动到了不同的位置时，光敏器件所输出的一系列有规律的信号，能反映出代表了轴角位移的数字量，通过对角位移的换算即可得出电机每分钟的转速。光电编码盘测速具有安装简单，测量精度高等特点。输出信号不仅包括测速脉冲，还有可以通过两个输出相差90度的信号甄别正反转信号，这些信号对电机控制有着很大的作用。2.4显示屏方案一：用1602液晶显示。该液晶具有编程简单，体积小巧等特点。但显示信息较小，只能显示两行32位的英文字符，且无法显示中文字符。方案二：用12864液晶显示。资料较多，价格便宜，控制简单，它既可以显示中英文字符，也可以显示图片，且显示信息量较大。根据以上分析，本此设计确定采用飞思卡尔半导体公司的MC9S12XS128的微控制器为主控芯片，利用BTS7970驱动芯片驱动直流电机，以光电编码盘作为速度检测模块，通过12864字符液晶显示相关信息。3 系统硬件设计3.1系统硬件概述本系统硬件部分由飞思卡尔半导体公司的MC9S12XS128芯片做为微控制器，采用BTS7970芯片为电机驱动，以其单片机内部集成的PWM模块，利用脉冲宽度调制的方法来控制电机的转速，再用光电编码器对电机的转动速度进行检测。其中电机转速的测量与控制采用的是增量式PID闭环反馈控制的方式。系统设有按键对直流电机的转速进行设定，并通过12864液晶屏对设定的转速及实际转速进行显示。系统框图如下图所示：液晶显示电机驱动MC9S12XS128单片机电机键盘调速调向模块速度检测模块电源模块图3.1 系统框图3.2主控制器介绍MC9S12XS128单片机是飞思卡尔半导体公司设计的S12系列单片机3中的一款16位微控制芯片。该芯片采用现阶段常用的LQFP型封装，该芯片的这种封装具有112个引脚。片内集成有模数转换、SPI、IIC、PWM等实用接口模块4，具有集成度高，片内资源丰富等特点。选择它主要是因为其内部集成了专用的PWM波模块，使用该功能时不影响单片机同时执行其它任务，同时占用片内资源比较少。在本次系统中，采用的是龙邱公司设计的XS128单片机最小系统5，为开发和设计提供了便利。图3.2 MC9S12XS128最小系统3.3直流电机介绍直流电机和交流电机相比具有更好的启动特性和性能。直流电机的调速范围较宽，调速性能也比较平稳，能实现频繁的变速，启动，停止和反转；而且其承受过载能力大，能承受频繁的冲击载荷；能满足各种特殊使用要求的工业自动化生产系统。但直流电机也有它的缺点：一是制造的时候会消耗较多的有色金属，制作过程所采用的工艺过程较为复杂，且生产成本较高；二是运行的时候电刷与换向器接触，二者间相互摩擦易产生火花，所以可靠性比较差，不利于设备的维护。虽然在一些场合中，直流电机还无法取代交流的交流电机，但是在一些对调速范围和精度有较高要求的场合，直流电动机目前仍旧应用广泛6。定子和转子是直流电机的主要两个组成部分，定子在电机工作时是静止不动的，转子是转动的。我们常说的气隙是指在定子和转子之间存在的间隙。定子的作用是产生磁场和支撑电机，定子主要由主磁极、换向磁极、机座、端盖以及电刷装置等几个部分组成。转子的作用是产生感应电动势和电磁转矩，用来实现机械能和电能的转换，通常也称做电枢7。本次设计所用直流电机为飞思卡尔智能车C车模的电机。根据其资料可以看出其处于最大效率点的时候，最高转速可达22480rpm，电流为1.767A，满足此次设计的需求。所以采用此直流电机进行设计。图3.3 直流电机电机参数如下表所示：表3.1 直流电机参数电压V7.2无负荷最大效率点最大功率点停止电流A0.386转速Rpm27390电流A1.767转速Rpm22480扭矩g.cm29.5效率%53.4电流A4.238转速Rpm13695扭矩g.cm82.2功率W11.55电流A8.091扭矩g.cm164.53.4电源部分电源是控制系统中必不可少的模块，只有有了电源，系统才有了正常运行的前提。因此电源模块的设计及其必要。系统中需要电源供电的部分有：单片机最小系统模块、BTS7970电机驱动模块、12864液晶显示模块，光电编码盘检速模块等。设计中，步进要考虑电压输入输出的范围和电流大小等基本参数，还要对电源的转化效率、噪声干扰和电路复杂程度等方面进行优化。只有设计出可靠稳定的电源，才能为系统的正常运行提供良好的基础。该系统采用电池经两个LM2940低压差稳压芯片为该系统供电，电机驱动直接接电池的7.2V进行供电。控制电路和电机电路分别供电有效地降低了电机高速旋转过程对单片机的影响。LM2940可以输出5V的固定电压。LM2940克服了早期稳压芯片的缺点，属于低压差稳压芯片，相比LM7805对压差的要求较低。与其它型号的稳压芯片相似，LM2940的输出引脚需要接一个电容来保证输出电压的稳定性。在此模块中，出于稳定性考虑，在稳压芯片的输出端和地之间接一个22uF的钽电容。在这里采用钽电容的原因是其具有较好的电源滤波效果，纹波系数较小。电路设计如下：图3.4 电源电路LM2940稳压芯片输入端最大允许的输入电压为26V，额定输出为电压+5V，输出电流大小为1A。输出电流为1A时，要求输入电压与输出电压最小压差不小于0.8V。同时它对工作环境的要求也不太苛刻，在-40到+125之间都能保持正常的工作状态。芯片内部也集成有静态降流电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。在此次设计中，根据以往的经验和典型的应用电路设计了电源电路，同时在电路的稳定性和可靠性上有一定的优化。同时由于考虑到液晶在电路中较为耗电，所以在硬件电路中设计了双电源分别为主控器和液晶进行供电。综合上所述，LM2940稳压芯片基本满足设计需求。3.5电机驱动模块本系统电机驱动采用两片BTS7970驱动芯片8，其最大43A输出电流能很好的为电机提供工作所需的电流，并且具有响应速度快，高控制精度等特点，保证了系统的灵活性和较高的控制精度。由于其内部设计已充分考虑了电路的抗干扰能力、安全性和可靠性，所以我们在应用时只需考虑到芯片的外围电路的连接和驱动能力等问题就可以了。且此种方案还具有抗干扰能力强、可靠性好的特点。设计者不需要对硬件电路设计考虑很多，可将重点放在算法实现和软件设计中，大大的提高了工作效率。图3.5 电机驱动电路由于以上优点，BTS7970 应用电路设计较为简单。工作的时候，只需要将驱动芯片的第2管脚输入PWM 波就能控制电机旋转。当系统中只需要电机向着一个方向转动时，需要让电机一端接地，另外一端连接BTS7970 第4 管脚9 即可。如果需要控制电机正反转的时候，则需要与另一片BTS7970共同组成全桥。3.6测速部分在本次设计中，使用的是增量式 Mini512Z 型光电编码盘。分辨率为512线。该光电编码盘转速高，最高有效测量转速可以达到每分钟10000转。供电电压是在3.3V到5V之间均可工作。工作温度范围是-40 +125。该编码盘具有抗干扰性能好，体积小，重量轻等特点，性能在市场上众多编码器中具有较多的优势。光电编码盘由光电检测器、挡板、码盘、发光二极管等部分组成。增量式光电编码器工作时是光栅码盘被旋转轴带动而旋转的。在与其相平行的鉴向盘在码盘上，存在有两条相互错开90相位的间隙，由光敏二极管接收来自主光栅编码透过来的光学信号。光源通过透镜的平行光照到主光栅上面，再通过光栅编码器和鉴向盘后由光敏二极管接收，得到近似90相位差正弦的信号，然后通过逻辑电路处理得到计数信号和脉冲信号10。为了得到绝对位置角，在增量式光电编码器有零位脉冲，即主光栅转动时，每一周输出一个零位脉冲，可使位置角清零，这样便可得到绝对位置角的大小。利用增量式光电编码器就可以很方便的检测出电机转速及其转动角度了。图3.6 光电编码器原理图该方案的实现原理是将光电编码器与直流电机通过齿轮的咬合固定在一起，当直流电机转动时，带动编码器一起转动，因此光电编码器会产生大小随直流电机转速大小变化脉冲信号，并将数字式脉冲传送给单片机内的脉冲累加器。此种方法精度比较高，是现阶段常采用的。3.7按键部分通过配置单片机的IO口为内部上拉状态，将五个按键其中的一端分别连接单片机IO口，另外一端接GND。按下按键时，IO口检测到电平变化，通过键盘扫面的方式来对电机转速进行控制。按键功能分为确认键，方向控制键，减速、加速键以及模式选择键。图3.7 按键电路3.8显示部分在本系统中，显示部分选用的是12864字符液晶进行显示。由于其应用较为广泛，拥有中文汉字和字符库，能很好的显示所需信息，能够满足设计需求。图3.8 12864液晶显示电路表3.2 12864液晶管脚功能管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0+5V电源正3V0-对比度（亮度）调整4RS(CS)H/LRS=“H”,表示DB7DB0为显示数据RS=“L”,表示DB7DB0为显示指令数据5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的数据被写到IR或DR6E（SCLK）H/L使能信号7DB0H/L数据线8DB1H/L数据线9DB2H/L数据线10DB3H/L数据线11DB4H/L数据线12DB5H/L数据线13DB6H/L数据线14DB7H/L数据线15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16NC-空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效18VOUT-LCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源负端12864字符液晶模块的第1号引脚接GND，第2引脚接VCC，供电电压为+5V，第3引脚接电位器，可调节显示对比度。第7到第14引脚为数据口，由于在本次设计中数据是以并口的方式传输，所以第15号引脚应接高电平。该模块接法如图3.8所示。本系统的总体硬件电路设计图请见附录D4 系统软件设计4.1光电编码盘测速4.1.1光电编码器测速原理光电编码器是数字式的角度传感器，它可以将角位移转换为相应的电脉冲输出，主要用于检测和控制机械角的位移和转速。在此次系统设计中，由于XS128单片机内部自带脉冲累加器，且Mini512Z增量式光电编码盘为512线，转动过程中可以输出电脉冲信号。已知测试电机齿轮数目为9，光电编码盘齿数为30，脉冲累加器每秒有20次的采样次数，即每50ms对脉冲进行一次计数。如果以电机每分钟的单位转数（1rmp）为参考，若电机每分钟转动一圈，据计算1/60*512*9/30/20=0.128，则编码器会向单片机发送0.128个脉冲。由此可以得出设定值和脉冲数的转换关系。speed= g_fCarSpeed/0.128;/脉冲数和实际转速转换 Speed_error = CAR_SPEED_SETfDelta*0.128 - g_fCarSpeed; / 1/60*512*9/30/20=0.1284.1.2光电编码器测速方法在用光电编码器构成的测速系统中，测速的方法有三种：“M法”、“T法”和“M/T法”。M法称为测频法，本测速方法主要应用于检测比较高转速的系统中，在时间为Tc的条件下，已知光电编码器线数N，电机的转速越高，计数脉冲数M1的数值就会越大，误差也就越小。T法也称为测周法，该方法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数。例如时钟频率为fclk,计数器记录到的脉冲数为M2，光电编码器为N线的，每线输出N个脉冲，为使误差尽可能的小，希望能记录到更多的脉冲数，每个编码器可以输出A和B两个信号，通过分频后即可获得4N个脉冲。所以T法测速更适合应用于以低速度运行的设备。当设备转速太低，编码器输出脉冲的时间就会太长，时钟脉冲数就会因为超过计数器的最大范围而使数据产生溢出。除此之外，过长的控制时间也会影响到系统响应的快速性。与M法测速道理相同，采用线数较多的光电编码器也可以对电机测速的快速性与精度有一定的提高。M/T法是将M法和T法两种方法相结合的测速方法11，在一定的范围时间内，同时对光电编码器输出的脉冲M1和M2的数量进行计数，则电机每分钟转速的公式为n=15M1fclkNM2(公式4.1)在本次设计中采用的是M/T法对电机转速进行检测。该方法既具备M法测高速的优点，又具有T法检测低速的优点，所以能够覆盖较宽的测速范围，同时也具备较高的测量精度，在控制电机的领域有着广泛的应用。4.2 PWM 脉宽调制4.2.1 PWM 控制技术控制直流电机PWM信号有两种状态：高电平和低电平。在理想的状态下，在一个给定的时间周期内，高电平所占时间和一个周期总的时间的比率叫做占空比。控制直流电机运行最为常见方法是利用控制器输出一个 PWM方波信号，其通-断比率对应于电机的速度，即直流电机的转速正比于在一个周期内PWM的电压有效值。电机实际的作用就相当于一个低通滤波器，它可以把 PWM波信号转换为有效的直流电平信号。用PWM 来驱动电机的方法很常用，因为使用微控制器产生 PWM相对比较容易，可通过用脉冲宽度来精确地控制电机的速度。 4.2.2 PWM控制直流电机转速一般情况下，只需改变直流电机电枢两端驱动电压的大小，就能够改变电机的转速；改变该驱动电压的极性，即可改变电机的旋转方向。使用PWM(脉宽调制)的方式，就可以很方便地改变加在电机电枢平均电压的大小。电机的转度与占空比成正比，电机的输出转矩则与电流大小成正比。由此可知，改变PWM波的占空比就能够改变电机的转动速度。4.2.3 PWM控制直流电机正反转在电机转动的过程中，只需要改变加给电枢直流电流的方向，即能改变电机旋转方向。通过单片机两个IO口输出PWM波的有无及强弱来改变电流的方向和转速，来使BTS7970输出电流极性改变，从而控制直流电机实现正反转。然而在电机高速旋转的情况下，为使系统更加稳定且不损坏电机，程序限定电机不能直接由正传切换到反转，需要使电机先停下来再改变转向实现反转。4.3 PID算法4.3.1 PID算法简介要使电机的转速能稳定在某一预先设定的转速，需要随时将采样得到的电机转速的值（采样值）和预先设定的值（设定值）相比较，根据比较的结果来实时地调整电机的转速，使之尽量与设定值接近，这一过程称为闭环反馈控制，在此过程中用到的控制方法称为控制算法。在各类的控制系统中，控制算法各式各样，其中有一种较为典型的算法叫做PID(比例积分微分)算法12。比例控制：就是对偏差（即设定值与实际值的差值）进行控制，偏差一旦产生，控制器立即就做出反应即调节控制输出量，使被控制量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数Kp的大小， Kp越大偏差减小的越快，但是如果Kp过大的话，就很容易引起系统的振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下。Kp减小，发生振荡的可能性也就减小但是系统调节的速度就会变得很慢。单纯的比例控制可以在一定范围内减小静差，但是却不能够消除静差。在这里我们就需要引入积分控制。 积分控制：实质上就是对偏差的累积量进行控制，直到偏差量为零。积分的控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果的强弱不仅与偏差大小有关，而且还与偏差的持续时间有关。简单来说就是把偏差积累起来，最后进行统一的处理。 微分控制：它能较敏感测出误差变化的趋势，可在误差信号出现之前就起到纠正误差的作用，有利于快速得提高输出响应，减小被控量的超调和增强系统的稳定性。但引入微分的时候，很容易放大高频噪声，降低了系统的信噪比，从而使系统抗干扰的能力在一定程度上有所下降。4.3.2 PID闭环控制PID控制有模拟PID控制和数字PID控制两种方法13，前者由模拟电子线路构成，不含智能元件(单片机)，后者以微计算机为核心构成。闭环反馈控制系统的组成如图所示。图4.1 PID闭环控制框图数字PID控制常采用增量PID算法，表达式如下：u(k)=u(k-1)+u(k)其中u(k) 第k次输出的控制(信号)值u(k-1)前一次输出的控制(信号)值u(k)输出增量(可为正、负数)u(k)=Kp e(k)-e(k-1)+Ki e(k)+Kd e(k)-2e(k-1)+e(k-2)其中：Kp比例系数Ki积分系数Kd微分系数e(k)： 第k次采样时的偏差值e(k-1)：第k-1次采样时的偏差值e(k-2)：第k-2次采样时的偏差值偏差值即为采样值与设定值之差。上式中有Kp、Ki、Kd 3个系数需要确定，在实际应用中具有难度，根据经验公式：u(k)=Kp2.45e(k)-3.5e(k-1)+1.25e(k-2) ，这样便简化成只需要整定一个参数Kp。但根据自己实际调试，得出的Kp=0.5，Ki=0.1，Kd=0.05是最适合本系统的实际参数。PID闭环反馈控过程响应曲线如下图所示：延迟时间td：从t=0开始，输出值上升到稳态值的50%所需的时间；峰值时间tp：从t=0开始，输出值上升到第一个峰值所需的时间；上升时间tr：从t=0开始，系统输出量上升到稳态值所需的时间；C（）：当t 时，系统输出值与期望值(设定值)之间的误差。图4.2 PID闭环反馈控过程响应曲线在本次设计中，相关的程序如下：fP = (Speed_error-Speed_error1)* SPEED_CONTROL_P;fI = Speed_error* SPEED_CONTROL_I;fD =(Speed_error-2*Speed_error1+Speed_error2)*SPEED_CONTROL_D;D_Speed_Uk=fP+fI+fD;Speed_Uk=Speed_Uk_last+D_Speed_Uk;Speed_Uk_last=Speed_Uk; Speed_error2=Speed_error1;Speed_error1=Speed_error; g_fSpeedControlOut=Speed_Uk;4.4 程序流程图在一个系统中，硬体部分是必要的，可以类比成是一个人的躯体，而软体部分是一个人的灵魂。只有软硬件兼备，系统才能够正常运行。程序的执行应该分为以下几个步骤：1. 初始化：此步骤需要完成单片机时钟初始化，也就是对CPU的频率进行分频，这是通过寄存器指令完成。而后是单片机内部模块及外设程序的初始化，包括I/O初始、PWM初始化、脉冲累加器初始化、液晶初始化等步骤；2. 清屏程序：执行清屏指令，为显示相关数据做准备工作；3. 显示开始界面：读取显示指令，在LCD上显示开始界面；4. 读取按键数值：若有按键按下，读取按键子程序，调用清屏子程序，执行显示程序，再次判断启动键是否按下；5. 根据设置计算参数：调用速度控制函数，计算出电机转速，同时执行显示程序显示转速；6. 电机转动：电机速度控制函数执行，PWM脉冲输出，实现PWM控制电机转动和转速显示。直流电机调速系统程序流程图框架如下所示：图4.3 程序流程图5 系统调试与分析5.1 硬件调试本次设计采用Altium Designer 9.3绘制线路板，而后将源文件发至PCB制作厂商进行打样，样板发回来后进行焊接调试。硬件焊接和调试步骤如下：1. 电容电阻的焊接：一般情况下，焊接电路是从较低的器件开始，故此系统也是从贴片的电容电阻开始的；2. 电机驱动及电源芯片的焊接：由于所选用的芯片都是贴片芯片，容易产生虚焊的问题，所以焊接时一定要保证器件管脚都能够充分上锡，且管脚不能够出现粘连的情况；3. 排针排座的焊接及直流电机的固定；4. 测量供电电压：在系统焊接结束时，在插入单片机系统和液晶屏之前，对稳压芯片的输入输出电压进行了测量，以保证系统工作电压正常；经过系统焊接，而后在给单片机最小系统烧录了简单的电机转速调试的程序，但发现电机转速不可控，一直以近似百分之百占空比的速度运行。经万用表测量，发现单片机PWM波输出口所接的线一直处于高电平状态，不受程序控制。经检查发现，在绘制电路板过程中，错将一个普通IO口当做是PWM波输出口，程序所需的PWM输出口呈悬空状态。由于XS128单片机端口默认输出高电平，故出现以上现象。而后对电路板进行飞线处理，问题得到解决，硬件电路工作正常。5.2 软件调试本次设计所用到的MCU属于飞思卡尔公司生产的16位微控制器MC9S12XS128，所选用的编译环境为Code Warrior 编译环境,用C语言编写程序14。由于在本次设计中采用了龙邱科技设计的飞思卡尔单片机最小系统，故单片机程序烧录器也采用的是龙邱科技提供的BDM调试下载器。程序设计调试过程中采用的是模块化设计，程序调试步骤如下：1. 利用手中现有资料，对MCU的时钟频率进行配置；2. 进行各种初始化步骤，如IO口进行初始化，液晶初始化，其中调试过程中，开始的时候液晶无法正常显示，显示出乱码，经查询液晶资料，是对液晶进行写操作指令时，地址写错；3. 对PWM模块进行配置，先写入恒定的占空比，看直流电机是否按指令旋转，以此为前提再进行调速程序的书写，同时对显示函数进行完善；4. 根据光电编码器齿轮和电机齿轮数量的比例和编码器的光栅数，以及时钟采样速率，根据公式，算出脉冲数和转速的转换系数，结合计算结果，写出速度控制程序；5. 结合增量PID的理论基础，编写PID控制算法，对参数进行了计算和调试。经过多次的程序编写、烧录与调整，系统基本可以满足设计需求，系统最大设置转速可以达到9999转，但由于软硬件限制，系统最大能达到的转速只能达到8500转，当系统电池电压较低的时候，设置较大转速可能会导致系统复位或者程序跑飞等情况。下图有不同转速所测得的PWM波形：图5.1 1000r/min PWM波形图图5.2 2000r/min PWM波形图图5.3 3000r/min PWM波形图图5.4 5000r/min PWM波形图图5.5 8000r/min PWM波形图6 总结本设计基于飞思卡尔MC9S12XS128微控制器，结合增量式PID控制算法，用LM2940电源模块、BTS7970电机驱动电路、12864显示电路及光电编码器测速电路为外部电路，组成直流电机调速系统。此系统硬件部分由线路板绘制软件Altium Designer绘制，软件部分由CodeWarrior IDE编译环境下用C语言进行编写。本设备具有在一定程度内转速可调控，并实时显示转速等功能，同时具有系统电路简单易行，程序可移植性好和可扩展性强等特点。本设计最终可以达到180r/min到8500r/min之间转速的测量和显示，并设有按键对转速在此范围内进行调整，并可对转动方向进行设置。由于本次系统的硬件设计采用了线路板，故系统整体抗噪性能较好，稳定性较强，工作起来不容易受到外界的干扰。在本次设计中还有许多不足之处，例如无法在电机工作过程中实时的调整转速，以及系统还不够精巧。而且由于本人能力有限，并未能完成老师布置的第三条任务，即可通过上位机PC设置转向和转速，并在计算机上实时显示转速。通过此次设计，使我掌握了数字PID算法的使用及编程方法，学习了如何进行系统设计的相关技巧，动手能力得到了一定程度的提升，学会了在系统设计过程中的一些调试和解决问题方法，为今后的工作和学习奠定了一定的基础。致谢匆匆时光，大学四年弹指一挥间竟快要走到尽头，还未慢慢品味大学生活所带来的快乐，人生中的求学生涯就要结束。在留恋与不舍的复杂情怀中，我完成了此次毕业设计。在此次毕业设计的过程中，有成功的喜悦，有失败的痛苦。成功是我前进的动力，失败是成功所必须的经历。在此我要尤为感谢秦伟老师的悉心教导，虽然在设计的开始阶段，我身处异地，但是老师经常会打电话来询问我的设计进度，让我在陌生的环境中感到一阵浓浓的关怀。在论文草稿和定稿的审核阶段，老师经常牺牲自己中午休息的时间，给我对论文进行分析和点评，和我一起研讨论文中出现的各类问题，老师认真的做事风格和负责任的态度无时无刻地感染和感动着我。在此，我真切的想对秦老师说一句：您辛苦了！谢谢您！我还要感谢502实验室各位老师的辛勤培养，没有老师们给我们创造那么好的平台，我也将不能完成此次毕业设计。老师们不仅教会了我们知识，更教会了我们应该如何做人。毕业在即，一路走来需要感谢的人真的太多了，我所能做的，只有努力学习，尽快提高自己的专业水平，只有自己变得强大起来了，才有能力来回馈和感谢曾经帮助过我的人们。路漫漫其修远兮，毕业不是结束，而是新的开始。愿母校的明天更加辉煌，愿所有帮助我的人们一切顺利！ 参考文献1 李晨, 宓超.基于飞思卡尔单片机MC9S12XS128的智能车设计C.2012.2 王威等编著.HCS12微控制器原理及应用M.背景航空航天大学出版社,2007.10.3 张庆,孙宝法,张佑生.基于单片机MC9S12XSl28的智能车的硬件系统设计J.制造业自动化. 2012(06)4 杨代强.基于单片机的智能玩具电动车的设计与实现D. 电子科技大学 20125MC9S12XS256.Reference.Manual.EB/OL./datasheet/MC9S12XS128MAL/YmVsb2mV.html.2012-086 基于ARM的直流电机调速系统的设计与开发J.兵工自动化,2000,04:47-49. 7 王浩坤,尚群立.基