直流电机调速计算机控制技术课程设计

班    级：                 

姓    名：                 

学    号：                 

指导教师：                  

兰州交通大学自动化与电气工程学院

2016 年 07 月 15 日

  直流电机调速系统设计 

1设计目的

本课程设计是在修完《计算机控制技术A》课程之后，为加强对学生系统设计和应用能力的培养而开设的综合设计训练环节。本课程设计结合《计算机控制技术A》课程的基础理论，重点强调实际应用技能训练，包括计算机控制系统算法软件和硬件设计。其课程设计任务是使学生通过应用计算机控制技术的基本理论，基本知识与基本技能，掌握计算控制技术中各主要环节的设计、调试方法，初步掌握并具备应用计算机进行设备技术改造和产品开发的能力，培养学生的创新意识，提高学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力。

2 设计方法

设计一个直流电机系统，合理选择PID控制规律，掌握被控对象参数检测方法、H桥驱动的功能、旋转编码器的功能、单片机PWM控制波形输出方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高解决实际工程问题的能力。直流电机调速系统是以电机转速作为变量，单片机根据采集电机转速的测量值与设定值的偏差去控制PWM波形的脉宽，从而改变直流电机两端的电压，达到控制转速的目的。直流电机调速系统由单片机、直流电机、光电式旋转编码器、H桥驱动、LCD显示屏等及相关电路组成。

3 设计方案及原理

3.1系统功能介绍

整个控制系统由控制器、执行器、被控对象和测量变送组成，在本次控制系统中控制器为单片机，采用算法为PID增量算法控制规律，执行器为H桥驱动电路，测量变送器为光电式旋转编码器，被控对象为直流电机。然后通过单片机对数据进行处理，控制转速的大小和正反转。

3.2系统组成总体结构

计算机控制系统由控制计算机系统和生产过程两大部分组成。控制计算机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机系统，它可以根据系统的规模和要求选择或设计不同种类的计算机。计算机控制系统基本结构如图1所示。

 图1 计算机控制系统基本结构

直流电机调速系统结构框图如图2所示。

 图2 直流电机调速系统基本结构

3.3直流电机调速系统的实现 

本系统中转速的值由一定时间内的脉冲数来表示。给单片机输入一个给定脉冲数值，可由按键增减给定值，单片机输出PWM后经过三极管放大电路和H桥驱动，然后传给直流电机，从电机转速输入到光电式旋转编码器，编码器将检测到的实际脉冲数输入到单片机中，最后，在单片机中根据脉冲的的前三个时刻的偏差值，利用PID增量型控制程序程序算法得到控制增量，将控制增量给单片机，产生对应的脉宽PWM波形控制电机两端的电压，从而达到调速目的。最后在LCD显示电路中显示出来。

4硬件设计

硬件电路由开关控制模块、单片机、晶振电路、显示电路、驱动电路电路、直流电机、旋转编码器组成。硬件总体框图如图3所示。

                          图3 硬件总体框图

4.1主控芯片ATC52

C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。C52内置8位处理单元、512字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

4.2  H桥驱动的选择

H桥（H-Bridge), ，即全桥（因外形与H相似故得名），通过开关的开合，将直流电（来自电池等）逆变为某个频率或可变频率的交流电或直流开关电源的斩波，从而用于驱动电机。本系统采用四个三极管放大功率以控制NMOSFET管H桥。三极管选用FAIRCHILD公司的2N5210。它是NPN型低噪声、高增益的通用放大器，当集电极电流从1A到5mA时，它是一个通用放大电路。NMOSFET管选用ON半导体公司的NTD18N06L，它是低电压， 高速度开关应用电力用品，可用于转换器和功率电机控制和桥电路，开启电压最低为1V，最大为2V。

4.3  直流电机的选择

直流电机选用KINGLYMOTOR公司的直流碳刷微型电机JRS-385 RA/SA，使用范围为DC 4~20V，额定电压为DC 12V，额定转速为14000r/min，额定电流为0.15A，起动电流为1A。

4.4  光电式旋转编码器的选择

旋转编码器是用来测量转速并配合PWM技术可以实现快速调速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出（REP）。本例中我选择了东莞市林积为公司的内密控157线增量式旋转编码器，编码器每圈产生的脉冲数为157。

4.5 转速显示电路的选择

为方便对转速大小的直观印象，决定使用显示一定时间内单片机捕捉的脉冲数来表示转速。为此该系统选择了LCD1602液晶显示屏，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

5  PID算法及软件设计

5.1  PID算法分析

数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在电机转速控制系统中也有着极其重要的控制作用。常规的PID控制系统原理框图如图4所示。

图4  模拟PID控制系统原理框图

根据给定转速r(t)与实际转速c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，然后将偏差按比例、积分、微分，通过线性组合构成控制量，控制被控对象，控制规律为：

其中，Kp是比例系数，Ti是积分时间，Td是微分时间。

从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID控制器各校正环节的作用如下：

1、比例环节

用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。Kp值过小，则会降低调节精度，使响应速度变慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。

2、积分环节

主要用来消除系统的稳态误差。Ti越小，系统的静态误差消除越快，但Ti过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若Ti过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。

3、微分环节

能改善系统的动态性能，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但Td过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。

该直流电机转速系统采用单片机来控制，其PID控制规律采用增量式，差分方程如下：

    其中，K为采样信号，u(k)是第K次时计算机输出值，e(k)是第K次采用输入差值，e(k-1)为第K-1次采用输出偏差值。

把捕获的脉冲数与设定值相比，便可得到两者的偏差，然后经过PID的运算，得到控制器的输出量，调整PWM的脉宽，来改变转速。

6系统仿真及实际调试

6.1  MATLAB程序与仿真

见附录1。

6.2  PROTEUS程序与仿真

见附录2。

7总结

根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明。这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能达到满意的效果。不过，用计算机实现PID控制不是简单地把PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合，使PID控制更加灵活。在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后相差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。

在控制系统中，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字PID增量式控制算法。通过此次设计，我掌握了直流电机调速控制系统的构成，知道它最基本的部分有控制器、调节器、被控对象和测量变送组成。并且学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计步骤，认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、参数整定、设计系统流程图，掌握MATLAB仿真和PROTEUS的硬件仿真和设计。这次课程设计令我受益匪浅。

参考文献

[1]李华.计算机控制系统[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]阮毅.电力拖动自动控制系统 [M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]姜香菊.传感器原理及应用 [M].北京：机械工业出版社，2015.

[4]薛定宇.控制系统计算机辅助设计 [M].北京：清华大学出版社，2012.

[5]王思明.单片机原理与应用系统设计 [M].北京：科学出版社，2012.

[6]童诗白.模拟电子技术基础 [M].北京：高等教育出版社，1980.

附录1 MATLAB程序与仿真

图5 电机调速的PID增量仿真模型

图6 电机调速的PID增量仿真结果

附录2 PROTUES程序与仿真

图7 电机调速的硬件示意图

PID增量算法程序如下：

int PID()    //增量式PID

{

    int change;

    err_now = set - now;

    err_bef = set - bef;

    err_bbef = set - bbef;

    change = kp*(err_now - err_bef) + ki*err_now + kd*(err_now - 2*err_bef + err_bbef);

if(change > 0)

    {

        printchar(1,10,'+');    

        printuint(1,11,4,change);

    }

else if(change < 0)

    {    

        printchar(1,10,'-');

        printuint(1,11,4,-change);

    }

    else if(change == 0)

    {    

        printchar(1,10,' ');

        printword(1,11," 0  ");

    }

    return(change);

}

附录3 直流电机调速系统流程图