基于51单片机的闭环控制 附带源程序

电气技术研究生课程设计报告基于主题51单片机的直流电机PID调速系统学院机械与汽车工程学院专业级车辆工程学号221601852023学生的名字叫木飞指导教师完成日期2017年01月12日1引言1.1研究对象介绍1.2选题的目的和意义直流电动机具有良好的起动制动性能，适用于大范围平滑调速，广泛应用于需要调速和急速正反方向的电力拖动领域。 从控制角度看，直流调速是交流拖动系统的基础。 初始直流电机的控制基于模拟电路，由运算放大器、非线性集成电路及少量数字电路构成，控制系统硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常灵活，调整困难，阻碍了直流电机控制技术的发展和应用范围的推广。2设计原理、方法和概述2.1设计原理和方法直流电动机根据励磁方式，直流电动机分为自激和他励两种类型。 直流电机的机械特性曲线因励磁方式而异。 但是，直流电机转速有下式： n=U/Ccf-TR内/crccf:u-电压； r内-励磁绕组自身的电阻f-每极磁通(Wb) cc-电位常数cr-转矩常数。 由以上公式可知，直流电机的速度控制采用电枢控制法，可以改变电枢电路电阻，也可以采用磁场控制法。 对于要求一定范围内无级平滑调速的系统，调节电枢供电电压的方式是最合适的。 改变阻力只是阶段性的调速，减弱磁通可以平滑地调速，但是由于调速范围不大，所以配合调压方案，大多在基轴速度(额定转速)以上小的范围内减弱升速。 因此，自动控制的直流调速多以变压调速为主。本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，以PWM方式控制直流电机调速的方法。 PWM控制技术具有其控制简单、灵活、动态响应良好的优点，成为电力电子技术应用最广泛的控制方式，也是研究的热点。 由于当今科技的发展没有了学科之间的界限，结合现代的控制理论思想，实现无谐振软开关技术成为PWM控制技术发展的主要方向之一。2.2设计概述通过直流电机电枢上的电压占空比改变平均电压的大小，控制电机的转速，实现直流电机的平滑调速，通过单片机控制速度的变化。 本文研究的直流电机调速系统主要由硬件和软件大部分组成。 硬件部分是前提，是系统整体执行的基础，主要是为软件提供程序执行的平台。 软件部分收集、分析、处理在硬件端口出现的信号，最终实现了控制器想实现的各功能，控制器能够自动有效地控制电动机速度。 但是，在该设计中电动机只是正转，因此是比较简单的一点。3硬件设计3.1 8051单片机简介AT89C52是低电压、高性能的CMOS8位单片机，内置8k bytes可改写Flash只读程序存储器和256 bytes随机存取数据存储器(RAM )，设备为ATMEL公司的高密度、非易失性与标准MCS-51指令系统兼容，芯片内置有通用的8位中央处理器和闪存单元，AT89C52单片机在电子行业得到广泛应用。AT89C52具有40针脚和32个外部双向输入/输出(I/O )端口，并且可以以常规方式同时对两个外部中断端口、三个16位可编程定时计数器、两个全双工串行通信端口、两个读写端口线和AT89C52进行编程通用微处理器与闪存相结合，特别是可重写闪存可有效降低开发成本。 其中一些功能包括：(1)8kB可重复改写(1000次以上) Flash ROM(2)32个双向I/O端口(3)256x8bit内部RAM(4)3个16位可编程定时/计数器中断(5)时钟频率0-24MHz(6)2个串行中断、可编程UART串行信道(七)两个外部中断来源，共八个中断来源(8)读写中断端口为2个，第3级加密位3.2直流电机设计采用直流电机，具有高精度磁性编码器，性能介绍如图1所示布线的说明如图2所示性能介绍图1配线图23.3 L298N恒压恒流桥2A驱动芯片L298N，简称h桥。 L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚多watt封装的L298N，内部还包括4信道逻辑驱动电路。 可轻松驱动2个直流电机或1个二相步进电机。 L298N芯片能驱动两个两相电机，也能驱动一个四相电机，输出电压最大可达50V，直接从电源调节输出电压的单片机IO端口直接提供信号，而且电路简单易用L298N可以接收标准TTL逻辑电平的信号VSS，VSS可以接收4.57 V的电压。 4脚VS电源电压、VS电压范围VIH为2.546 V。 输出电流达到2.5 A，可驱动电感性负载。 单脚和15脚管的发射极分别单独引出，访问电流采样电阻，形成电流传感器信号。 L298能够驱动2台电机，能够在OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别连接电机，因此在本实验装置中决定驱动1台电机。 5、7、10、12脚输入控制电平，控制电机的正反。 EnA、EnB连接控制使能，控制电机的停止。 L298芯片的驱动电路图如下所示图1 L298芯片驱动电路图3.4系统整体的电路图中的控制器模块是系统的核心部件，音量和显示器用于实现人与人的交换功能，应通过键盘设置的参数和状态输入单片机，通过控制器显示在显示器上。 运行中控制器产生PWM脉冲发送给电机驱动电路，放大后控制直流电机的转速，同时用速度检测模块将当前的转速反馈给控制器，控制器经过数字PID运算变更PWM脉冲的占空比，电机旋转显示模块电动机驱动模块控制器模块磁碟区直流电动机PWM脉冲速度检测模块图2是图1系统结构框图4软件设计4.1 PID算法PI调节器是功率拖动自动控制中最常使用的一种，在微机数字控制系统中，在采样频率足够高的情况下以模拟系统的设计方法进行设计，然后进行离散化以得到数字控制器的算法。PI调节器的传递函数如4.1式所示(4.1 )假定输入误差函数是e(t )，输出函数是u(t )，则可以由(4.2 )表达e(t )和u(t )之间的关系时域表达式式中是比例系数，是比例系数。将式4.2转换为差分方程式，得到数字PI调节器的式子，其第k拍输出为(4.3)式中为采样周期。增量算法只能根据当前和前拍的偏差计算输出值。 增量式PI调节器的算法为(4.4 )在控制系统中，常常需要限制调节器的输出。 在数字控制算法中，仅需要将u片段设定为程序的片段值。 如果不考虑片段，则位置表达式和递增方程式两种算法完全相同，并且当考虑片段时，两者稍有不同。 增量PI调控器算法只能是输出片，位置算法必须同时设定积分片和输出片。 如果没有积分片，积分项可能会变大，会发生大的减饱和过冲。算法模块包括：int e=0，e1=0，e2=0；浮点uk=0，uk1=0.0，duk=0.0； /PID输出值浮点KP=5，ki=1.5，kd=0.9； /PID控制系数以上是初始化部void PID控制()/PID偏差计算装模作样e=temp-num； /变量temp是AD收集的值，num是用m法测定的点的值duk=(kp*(e-e1) ki*e kd*(e-2e1 e2 ) )uk=uk1 duk；out=(int)uk；if(out250 )装模作样out=100；以下称为else if(out0)装模作样out=0；以下称为uk1=uk；e2=e1；e1=e；value=out； /value最后发送到PWM。以下称为这个部分是子程序4.2 M法速度在一定时间Tc内测定旋转编码器的输出脉冲数m-1，为了计算该时间内的转速，称为m法速度。 如果m-1除以Tc，则获得旋转编码器的输出脉冲的频率f1=M1/Tc，因此也被称为频率方法。 电机每旋转1圈产生z个脉冲(Z=倍频系数*编码器格子数)，将f1除以z可得到每单位时间的电机转速。 通常，时间Tc以s为单位，转速以r/min为单位，电动机转速为：n=60M1/ZTc (4.5)由于z和Tc均为常数，因此转速n与计数值M1成正比，因此速度测量方法称为m法速度。具体程序部分由外部中断计数和定时器完成，程序如下voidconexterr0()interrupt0/外部中断脉冲数 /M法测量速度(外部中断0和定时器0用于m法测量速度)Inlpuse；以下称为void timer0() interrupt 1装模作样TH0=0x3c； /重新载入初始值TL0=0xb0；time；以if(time=20) /1s读取1次转速(2*60ms ) EX0=0；TR0=0；num=Inlpuse； /计算转速Inlpuse=0；PID控制()； /100ms控制一次Inlpuse=0；EX0=1；TR0=1；以下称为以下称为4.3参数设定程序修改PID调整算法的比例系列、积分系数、微分系数后，可得到不同特性的转速曲线。 参数发生变化，转速响应的超调量和调整时间发生变化。 系统的稳定性和快速性是矛盾的，必须选择合适的PI参数。调试中，如果设定kp=5、ki=1.5、kd=0.9，则系统的迅速性和稳定性成为最佳状态。4.4卷的AD收集模块AD收集模块利用是我直接调用开发板中的程序，这个模块也可以自己制作。 我使用的XPT2046是4线电阻式触摸面板控制器，包含12位分辨率接近125KHz的转换速度的A/D转换器。 该芯片支持从1.5V到5.2V的低电压I/O接口。 XPT2046通过执行A/D转换两次，除了检测按下画面的位置外，还可测量施加在触摸面板上的压力。 主要特点包括：(1)动作电压范围从1.5V到5.25V(支持1.5V-5.25V的数字I/O端口(内置2.5V基准电压(4)内置结温度测量功能(5)触摸压力测量，带自动省电功能(6)采用3线式SPI通信接口程序请参照最后的程序列表。5课题总结从课题选定开始，首先看教科书和网络对应的论文，看老师发送的试验资料和各部件的原理和使用方法，最后焊接硬件，测定速度，如何给出，用PID控制，最后考虑用PID控制PWM的占空比。 在调试过程中遇到非常简单致命的问题，是因为我使用的开发板和L298N开始时没有接地，调速失败，最后通过示波器观测PWM输出的波形发现了问题，实现真正的调速时感觉很好，终于靠自己的努力完成了技术性的工作。 请加油。所有的程序，每个读取者的I/0端口和ad收集方式都不同，程序有可能不同，但是，解决闭环问题的核心是读取规定值进行ad变换，读取速度值使用外部中断和计时器中段，PWM输出也使用计时器。#includereg51.h #includeXPT2046.h /-要使用的io定义IO-/#define GPIO_DIG P0sbit PWM=P10；int e=0，e1=0，e2=0； /PID偏差浮点uk=0，uk1=0.0，duk=0.0； /PID输出值浮点KP=5，ki=1.5，kd=0.9； /PID控制系数int out=0；sbit IN2=P11；/-定义全局变量-/未知值，时间r 1；uint num；uint Inlpuse=0，num=0； /脉冲计数单元uint temp，count，temp1；unsigned int time=0；位中段=p3 2；sbit LSA=P22；sbit LSB=P23；sbit LSC=P24；/-定义全局变量-/unsigned char code DIG_CODE17=指定0x3f，0 x 06，0 x5b，0x4f，0 x 66，0 x6d，0x7d，0x070x7f，0x6f，0 x 77，0 x7c