基于PID控制的直流电机调速系统设计

1、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

2、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,

3、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 t

4、he 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, bu

5、t 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

6、, 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 m

7、otor 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 con

8、trol目目录录1绪绪论论. 11.1本课程的选题背景. 11.2直流电机简介. 21.3系统开发软硬件概述. 91.4本课题研究的基本内容. 122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 .132.1系统总体设计方案. 132.2系统设计原理. 283直流电机直流电机 PID 系统硬件设计系统硬件设计 . 363.1H 桥驱动电路设计方案. 363.2调速设计方案. 373.3系统硬件电路设计. 383.4基于单片机控制流程. 404直流电机直流电机 PID 系统软件设计系统软件设计 . 424.1如何应用 PID 控制电机转速 .424.2调速系统主程序原理框图. 48

9、4.3中断服务程序原理框图. 495结结论论. 516致致 谢谢. 517参考文献参考文献. 528附附 录录. 53基于 PID 控制的直流电机调速系统 11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

10、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

11、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，

12、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 2Proteus 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

13、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

14、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

15、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。

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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，

24、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

25、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=aREU （Ra 为电枢电压）ffIUII=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

26、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 7nTNTnNn0n 图 1-3 并励电机的机械特性曲线nnTKKRKUkRIUKEnTEaEEaaE02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：aaREUI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：aast

27、RUI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：staastRRUI则起动电阻为：RaRaURst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（

28、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。EaaKRIUn2.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TKKRKUnTEaE2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

29、硬度。见图 1-4Tcn2n1n0UnnNnnT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 91.3 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

30、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

31、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

32、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

33、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

34、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

35、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

36、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

37、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

38、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

39、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 ProjectOption 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

40、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

41、）、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

42、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 132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

43、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。K1K2A-+VCCVCC图 2-1 PWM 波调

44、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

45、控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变cU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dU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410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

46、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

47、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

48、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：。HIBU =kd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

49、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。开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。3.霍尔传感器的特性（1）线性型霍尔传感器的特性图 2-5 电压与外磁场关系输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图 2-5 所示，可见，在 B1B2 的

50、磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。基于 PID 控制的直流电机调速系统 17（2）开关型霍尔传感器的特性如图 2-6 所示，其中 BOP 为工作点“开”的磁感应强度，BRP 为释放点“关”的磁感应强度。图 2-6 霍尔原件特性BV0OBrpBopV+onoff当外加的磁感应强度超过动作点 Bop 时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点 Bop 以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点 BRP 时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop 与 BRP 之间的滞后使开关动作更为可靠。 另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图 2

51、-7 所示。 V0BopOBrpB图 2-7 锁键型特性基于 PID 控制的直流电机调速系统 18当磁感应强度超过动作点 Bop 时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到 BRP 时，才能使电平产生变化。4.霍尔传感器的应用按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，这个磁场是被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制。

52、线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。例如：1电流传感器由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。 2-8 霍尔电流传感器原理图霍尔电流传感器工作原理如图 2-8 所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。2位移测量如图 2-9 所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个

53、点可作为位移的零点，当霍尔传感器在 Z 轴上作Z 位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。 图 2-9 位移测量如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图 2-10 所示，是按这一原理制成的力传感器。基于 PID 控制的直流电机调速系统 19图 2-10 压力传感器开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。1测转速或转数如图 2-11 所示，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。图 2-

54、11 霍尔传感器测转速如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。2.1.2单片机的选择单片机的选择AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4K 的可编程的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片机芯片中，ATMEL 公司的功能强大，低价位 AT8

55、9C51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数：与 MCS-51 产品指令系统完全兼容4K 字节在系统编程（ISP）Flash 闪速存储器1000 次擦写周期4.0-5.5V 的工作电压范围全静态工作模式：0HZ-33MHZ基于 PID 控制的直流电机调速系统 20三级程序加密锁128*8 字节内部 RAM32 个可编程 I/O 口线2 个 16 位定时/计数器6 个中断源全双工串行 UART 通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模式唤醒系统看门狗（WDT）及双数据指针掉电标示和快速编程特性AT89S51 引脚图如下图：2-12 AT89S51 引脚图

56、1.功能特性概述： AT89S51 提供以下标准功能：4K 字节闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个I/O 口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51 可降至 0HZ 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中到内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下一个硬件复位。引脚功能说明：Vcc:电源电压基于 PID 控制的直流电机调速系统 21GN

57、D:地P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口

58、。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。P2 口：P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVE DPTR 指令）时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVX Ri 指令）时，P2 口线上的内容（

59、也即特殊功能寄存器（SFR）区中 P2 寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和其他控制信号。P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。作输入端时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能。RST:复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，

60、设置 SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址 8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO 位缺省为 RESET 输出高电平打开状态。ALE/PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址所存允许）输出脉冲用于所存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。