1、1 基于 89c52 单片机的 PWM 直流电机 PID 控制调速系 统 实验报告 2 目录目录 第一章第一章 系统方案设计系统方案设计. 3 1.1 直流电机转速开环控制与闭环控制的选取 3 1.2 直流电机调速方式的选取 . 4 1.3 直流电机测速装置的选取 . 5 1.4 系统控制算法的选取. 8 1.5 系统总体设计.10 第二章第二章 硬件设计硬件设计 .11 2.1 AT89C52 芯片介绍 11 2.2 直流电机驱动芯片 ULN2803 设计.13 2.3 数显管显示给定速度和实际速度模块 15 2.4 按键模块设计.16 2.5 测速模块设计.18 第三章第三章 软件部分设计
2、软件部分设计19 3.1 数显管显示软件设计部分.19 3.2 外部中断 P3.3计数程序 .21 3.3 定时器 0 中断软件设计 22 3.4 PWM 算法程序设计25 3.5 PID 控制算法程序设计 .26 3.6 按键程序设计.29 第四章第四章 基于基于 matlab的的 PID参数设计及仿真参数设计及仿真 .31 4.1 各部分传递函数的整定 31 4.2 PID 参数的整定 31 第五章第五章 结果分析结果分析 .33 第六章第六章 实验总结及感想实验总结及感想 34 参考文献参考文献 36 附录一附录一 硬件系统电路原理图硬件系统电路原理图.36 附录二附录二 程序源代码程序
3、源代码 .36 3 第一章、第一章、 系统总体方案设计系统总体方案设计 1.1 直流电机直流电机转速转速开环控制与闭环控制的选取开环控制与闭环控制的选取 对直流电机转速的控制有一般有两种方式，一种是开环控 制，一种是闭环控制。开环控制的优点是简单、稳定、可靠。 若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小， 开环控制能够保持一定的精度。缺点是精度通常较低，无自动 纠偏能力；闭环控制的优点是控制的精度可以达到很高，而且 对外界的干扰和系统的参数变化有很好的抑制作用，且可以通 过输出反馈控制系统的控制过程。缺点是存在稳定性，振荡， 超调等一系列问题，对系统的性能分析和设计远比开环控制麻 烦
4、。 经过利弊的取舍，本次试验选择的是闭环控制，因为准备 应用 PID 算法控制电机的转速，故而需要有实际转速进行反馈 与给定的转速形成对比，进而通过算法输出 PWM 波形来控制直 流电机。 既然选择了直流电机转速闭环控制，可根据反馈机制大概做出 其控制模型。 PID 算法 输出 PWM 直流电机 R(t) + e(t) c(t) 测速装置 4 1.2 直流电机调速直流电机调速方式的选取方式的选取 直流无刷电机由电动机、 转子位置传感器和电子开关线路三 部分组成。直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电 动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中 的功率开关元件使之导通或截止，从
5、而控制电动机的转动。在 应用实例中，磁极旋转，电枢静止，电枢绕组里的电流换向借 助于位置传感器和电子开关电路来实现。电机的电枢绕组作成 三相，转子由永磁材料制成，与转子轴相连的位置传感器采用 霍尔传感器。 3600 范围内， 两两相差 1200 安装， 共安装三个。 为了提高电机的特性，电机采用二相导通星形三相六状态的工 作方式。开关电路采用三相桥式接线方式。 基于直流电机的特性,本次试验使用的是 PWM 脉宽调制方 法。 脉宽调制 (PWM)是利用数字输出对模拟电路进行控制的一 种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能 量。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特
6、点。模拟控制电路有以下缺陷:模拟电路容易随时间漂移，会产 生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了 PWM 技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信 号，可以大幅度降低成本和功耗。PWM 对调速系统来说， 系统 的响应速度和稳定精度等指标比较好;电枢电流的脉动量小，容 易连续，而且可以不必外加滤波电抗也可以平稳工作;系统的调 5 速范围宽;使用元件少、线路简单。 PWM 的原理：的原理： 理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上 时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环 节的输出响应波形基本相同。 低频段非常接近， 仅在高频段略有差异。 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波 N 等 分，看成 N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲 代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规 律变化。 脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其 占空比与信号的瞬时采样值成比例。 图 1 所示为脉冲宽度调制系统的 原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一
