小型直流电机闭环调速系统PID控制器设计

微机原理及接口技术课程设计报告微机原理及接口技术课程设计报告小型直流电机闭环调速系统PID控制器设计微机原理及接口技术课程设计报告目录一、课程设计的目的及意义…………………………………………………………1二、课程设计的题目与要求…………………………………………………………1三、基本原理…………………………………………………………………………11.PID算法…………………………………………………………………………12.霍尔元件测速原理………………………………………………………………43.转速调节原理……………………………………………………………………5四、基于80x86芯片微机接口控制电路的设计……………………………………61.实现功能………………………………………………………………………62.设计思想………………………………………………………………………73.模块介绍(附流程图)……………………………………………………………7(1)电机控制模块………………………………………………………………71)测速模块…………………………………………………………………92)PWN波产生模块…………………………………………………………103)PID计算模块……………………………………………………………11(2)键盘扫描与显示单元………………………………………………………141)键盘扫描模块……………………………………………………………14五、基于80c51单片机控制电路的仿真设计………………………………………181.实现功能………………………………………………………………………182.设计思想………………………………………………………………………183.模块介绍………………………………………………………………………19(1)测速反馈模块……………………………………………………………19(2)PID模块…………………………………………………………………19(3)键盘扫描模块……………………………………………………………204.相关流程图……………………………………………………………………21六、结束语…………………………………………………………………………23附件：程序代码微机原理及接口技术课程设计报告1一、课程设计的目的及意义通过本次课程设计要掌握80x86、8255、8251等芯片及基本输入输出电路的使用方法，灵活运用课本知识，加深对所学的知识理解，对所学的相关芯片的原理、内部结构、使用方法等有更加深刻的了解，学会利用课本知识联系实际应用及编程。同时并了解综合问题的程序设计掌握实时处理程序的编制和调试方法，掌握一般的设计步骤和流程，使我们以后设计时逻辑更加清晰。二、课程设计的题目与要求1.题目小型直流电机闭环调速系统PID控制器设计2.设计要求（1）设计基于80x86微机接口控制电路；（2）分别用C语言或汇编语言或VC++编程完成硬件接口功能设计；（3）程序功能要求：电机速度由按键分段给定或电位器连续给定，计算机屏幕和数码管同步跟踪显示当前给定速度和电机实际运行速度，实现PID参数在线显示和修改。（4）具备本地及远程（串行方式）监控功能。三、基本原理1.PID算法及相关内容在DDC系统中，用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现是由计算机软件来完成的。因此，系统中数字控制的设计，实际上是计算机算法的设计。由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，故在计算机控制系统中，首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。为将模拟PID控制规律按式（1.2）离散化，我们把图1.1中)(tr、)(te、)(tu、)(tc在第n次采样的数据分别用)(nr、)(ne、)(nu、)(nc表示，于是式（1.1）变为：)(ne=)(nr－)(nc（1.4）微机原理及接口技术课程设计报告2当采样周期T很小时dt可以用T近似代替，)(tde可用)1()(nene近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似Tnenedttde)1()()(（1.5）tniTiedtte01)()(（1.6）这样，式（1.2）便可离散化以下差分方程01})]1()([)()({)(uneneTTneTTneKnuniDIP（1.7）上式中0u是偏差为零时的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例（P）项)(nuP,即)()(neKnuPp（1.8）第二项起积分控制作用,称为积分（I）项)(nuI即niIPIieTTKnu1)()(（1.9）第三项起微分控制作用,称为微分（D）项)(nuD即)]1()([)(neneTTKnuDPD（1.10）这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用,常用的组合有:P控制:0)()(ununuP（1.11）PI控制:0)()()(unununuIP（1.12）微机原理及接口技术课程设计报告3PID位置算法控制器被控对象r(t)+-e(t)uc(t)PD控制:0)()()(unununuDP（1.13）PID控制:0)()()()(ununununuDIP（1.14）式（1.7）的输出量)(nu为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。因此,式（1.7）又称为位置型PID算式。由（1.7）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差)(ie,不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此对式（1.7）进行改进。根据式（1.7）不难看出u(n-1)的表达式，即011})]2()1([)()1({)1(uneneTTneTTneKnuniDIP（1.15）将式（1.7）和式（1.15）相减，即得数字PID增量型控制算式为)1()()(nununu)]2()1(2)([)()]1()([neneneKneKneneKDIP（1.16）从上式可得数字PID位置型控制算式为)(nu0)]2()1(2)([)()]1()([uneneneKneKneneKDIP（1.17）式中：PK称为比例增益；IPITTKK称为积分系数；TTKKDPD称为微分系数[1]。数字PID位置型示意图和数字PID增量型示意图分别如图所示：数字PID位置型控制示意图微机原理及接口技术课程设计报告4PID增量算法控制器被控对象r(t)+-e(t)uc(t)数字PID增量型控制示意图2.霍尔元件测速原理霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍耳元件等组成。测量系统的转速传感器选用SiKO的NJK-8002D的霍尔传感器，其响应频率为100KHz，额定电压为5-30（V）、检测距离为10（mm）。其在大电流磁场或磁钢磁场的作用下，能测量高频、工频、直流等各种波形电流。该传感器具有测量精度高、电压范围宽、功耗小、输出功率大等优点，广泛应用在高速计数、测频率、测转速等领域。输出电压4～25V，直流电源要有足够的滤波电容，测量极性为N极。安装时将一非磁性圆盘固定在电动机的转轴上，将磁钢粘贴在圆盘边缘，磁钢采用永久磁铁，其磁力较强，霍尔元件固定在距圆盘1-10mm处。当磁钢与霍尔元件相对位置发生变化时，通过霍尔元件感磁面的磁场强度就会发生变化。圆盘转动，磁钢靠近霍尔元件，穿过霍尔元件的磁场较强，霍尔元件输出低电平；当磁场减弱时，输出高电平，从而使得在圆盘转动过程中，霍尔元件输出连续脉冲信号。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为l、ｂ、ｄ。若在垂直于薄片平面（沿厚度ｄ）方向施加外磁场Ｂ，在沿ｌ方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：qVBf式中：f—洛仑磁力，ｑ—载流子电荷，Ｖ—载流子运动速度，Ｂ—磁感应强度。这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差HU称为霍尔电压。霍尔电压大小为：HUHRdBI/(mV)微机原理及接口技术课程设计报告5式中：HR—霍尔常数，ｄ—元件厚度，Ｂ—磁感应强度，Ｉ—控制电流设HKHRd/,则HU=HKdBI/(mV)HK为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度Ｂ反向时，霍尔电动势也反向。图2.3为霍耳元件的原理结构图。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定，已在工业，汽车，航空等测速领域中得到广泛的应用。其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。图2.3霍耳元件的原理结构图3.转速调节原理PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压.PWM不是调节电流的.PWM的意思是脉宽调节,也就是调节方波高电平和低电平的时间比,一个20%占空比波形,会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间,占空比越大,高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高,即电压越高.如果占空比为0%,那么高电平时间为0,则没有电压输出.如果占空比为100%,那么输出全部电压.微机原理及接口技术课程设计报告6所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节.在使用PWM控制的直流无刷电动机中，PWM控制有两种方式：（1）使用PWM信号，控制三极管的导通时间，导通的时间越长，那么做功的时间越长，电机的转速就越高。（2）使用PWM控制信号控制三极管导通时间，改变控制电压高低来实现直流电机单元由DC12V、1.1W的直流电机，小磁钢，霍尔元件及输出电路构成。PWM示意图如图1-1-3所示。通过调节T1的脉冲宽度，改变T1的占空比，从而改变输出，达到改变直流电机转速的目的。图1-1-3PWM示意图利用8255的PB0产生脉冲信号作为控制量，经驱动电路驱动电机运转。霍尔测速元件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量。在参数给定的情况下，经PID运算，电机可在控制量的作用下，按PC机累加器给定的转速运转。通过PC的0号通道，设置为输出1ms方波，作为采样时钟，PB0产生PWM脉冲计时及转速累加，系统总线上INTR中断用于测量电机转速。四、基于80x86芯片微机接口控制电路的设计1.实现功能1）实现小型直流电机闭环PID控制调速；2）使用汇编语言完成硬件接口功能的设计；3）使用小键盘实现现场设置设定速度v、比例参数p、积分参数i、微分数d；4）使用4位数码管实现现场显示实时速度s、设定速度v、比例参数p、积分参数i、微分参数d；5）实现控制台屏幕显示设置速度v与实时速度s微机原理及接口技术课程设计报告72.设计思想整个系统可以的划分为两部分，一部分是直流电机闭环PID调速单元，一部分是键盘扫描和数码管显示单元。直流电机闭环PID调速单元运用PID算法通过对P、I、D、S、V参数的运算得出PID控制量，并将PID控制量转化为PWM通过8255单元输出给直流电机从而实现对直流电机的控制。键盘扫描单元通过对键盘的重复扫描读取用户的输入数据P、I、D、V并进行相应的存储，数码管显示单元分析当前选择状态、读取P、I、D、S、V参数并通过基本输入输出单元进行相应的显示。具体实施过程：将电机闭环调速的PWM波产生模块、PID控制量产生模块、测速生成模块、初始化模块和键盘扫描和数码管显示实验中的键盘扫描模块、数码管显示模块分别编写为子过程；将以上模块进行适当的组合即可完成指定功能，具体可见代码