51系列单片机直流电机闭环调速实验

成绩：重庆邮电大学自动化学院综合实验报告题目：51系列单片机直流电机闭环调速实验学生姓名：谭世洲班级：0831004学号：2010213136同组人员：罗佼2010213149冯彪2010213150指导教师：仇国庆完成时间：2013年12月I实验名称：51系列单片机直流电机闭环调速实验基本情况：1.学生姓名：谭世洲、罗佼、冯彪2.学号：2010213136、2010213149、20102131503.班级：08310044.实验项目组长：谭世洲5.同组其他成员：序号姓名班级学号分工系数1谭世洲083100420102131360.42罗佼083100420102131490.33冯彪083100420102131500.36.具体分工：谭世洲负责系统设计思想导向与编程；罗佼负责辅助编程与编写报告；冯彪负责硬件设计与Proteus仿真。II摘要：在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛的应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域中比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭环、双闭环）。而在对调速指标要求不高的场合，采用单闭环即可。闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号；能自动调节输入量，能提高系统稳定性。在对调速系统性能有较高要求的领域常利用直流电动机，但直流电动机开环系统稳定性不能满足要求，可利用转速单闭环提高稳态精度。本次设计利用软件定时方式采用AT89C52芯片实验直流电动机闭环调速系统，键盘设定PID各参数，A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，滑动变阻器设置电机转速的给定值，通过PWM方式可实现电机转速的调节，LED灯显示电机转速的大小状态。关键词：单片机，PID算法，直流电机，闭环控制III目录实验内容........................................................................................................................1一、系统方案设计.................................................................................................1（一）系统设计思想......................................................................................1（二）数字PID控制算法..............................................................................1（三）直流电机的PWM控制技术..................................................................3二、硬件设计.........................................................................................................5（一）AT89C52单片机模块...........................................................................5（二）LM016L液晶屏模块.............................................................................6（三）串行AD转换器TLC2543模块............................................................8（四）L298芯片驱动模块.............................................................................9（五）键盘模块..............................................................................................9（六）系统总体电路....................................................................................10三、软件设计.......................................................................................................11实验结果分析..............................................................................................................12一、仿真结果.......................................................................................................12二、实验总结.......................................................................................................12附录..............................................................................................................................131实验内容一、系统方案设计（一）系统设计思想直流电机控制器可采用电机控制专用DSP，也可采用单片机＋直流电机控制专用集成电路的方案。前者集成度高，电路设计简单，运算速度快，可实现复杂的速度控制算法，但由于DSP的价格高而不适合于小功率低成本的直流电机控制器。后者虽然运算速度低，但只要采用适当的速度控制算法，依然可以达到较高的控制精度，适合于小功率低成本的直流电机控制器。闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称PID控制），其输出是输入的比例、积分和微分的函数。PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型，因此PID调节器得到了广泛的应用。图1系统控制方案图（二）数字PID控制算法在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控制规律离散化，我们把)(tr、)(te、)(tu、)(tc在第n次采样的数据分别用)(nr、)(ne、)(nu、)(nc表示，于是)()()(tctrte变为：)()()(ncnrne（1.1）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()()(（1.2）tniTiedtte01)()(（1.3）这样，)()()(tctrte便可离散化以下差分方程：01})]1()([)()({)(uneneTTneTTneKnuniDIP（1.4）2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（1.5）第二项起积分控制作用,称为积分（I）项)(nuI即niIPIieTTKnu1)()(（1.6）第三项起微分控制作用,称为微分（D）项)(nuD即)]1()([)(neneTTKnuDPD（1.7）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（1.8）PI控制:0)()()(unununuIP（1.9）PD控制:0)()()(unununuDP（1.10）PID控制:0)()()()(ununununuDIP（1.11）式（1.4）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（1.4）又称为位置型PID算式。由（1.4）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（1.4）进行改进。根据式（1.4）不难看出u(n-1)的表达式，即011})]2()1([)()1({)1(uneneTTneTTneKnuniDIP（1.12）将式（1.4）和式（1.12）相减，即得数字PID增量型控制算式为)1()()(nununu)]2()1(2)([)()]1()([neneneKneKneneKDIP（1.13）从上式可得数字PID位置型控制算式为)(nu0)]2()1(2)([)()]1()([uneneneKneKneneKDIP（1.14）式中：PK称为比例增益；IPITTKK称为积分系数；TTKKDPD称为微分系数。3PID位置算法控制器被控对象r(t)+-e(t)uc(t)PID增量算法控制器被控对象r(t)+-e(t)uc(t)数字PID位置型示意图和数字PID增量型示意图分别如图2和图3所示：图2数字PID位置型控制示意图图3数字PID增量型控制示意图（三）直流电机的PWM控制技术直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。所以在直流调速系统中，都是以变压调速为主。其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。直流PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。同样，由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、装置效率高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。正因为直流PWM调速系统有以上优点，并且随着电力电子器件开关性能的不断提高，直流脉宽调制(PWM)技术得到了飞速的发展。随着科学技术的迅猛发展传统的模拟和数字电路已被大规模集成电路所取代，这就使得数字调制技术成为可能。目前，在该领域中大部分应用的是数字脉4U(t)0tTt0UU(t)0tTt0U2T2t03T3t04t0nT(n+1)t0宽调制技术。电动机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，并且