电机转速PID控制.docx

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1、电机转速PID控制指导老师：邓柳吴妮妮组员姓名：熊欢任宏肖水红院校：长江职业学院工学院摘要本次设计主要研究的是PID控制技术在运动控制领域中的应用，纵所周知运动控制系统最主要的控制对象是电机，在不同的生产过程中，电机的运行状态要满足生产要求，其中电机速度的控制在占有至关重要的作用，因此本次设计主要是利用PID控制技术对直流电机转速的控制。其设计思路为：以msp430F149片机为控制核心，产生占空比受PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反响到单片机中，构成转速闭环控制系统，到达转速无静差调节的目的.关键词：PID控制、电机转速、占空比、

2、闭环系统。abstractThedesignofthemainresearchisPIDcontroltechnologyinthefieldofmotorcontrolapplication,theweH-knownverticalmotioncontrolsystemofthemaincontrolobjectismotor,indifferentproductionprocess,themotorrunningstatetomeettheproductionrequirements,includingmotorspeedcontrolinthepossessivevitalrole,so

3、thisdesignisthemainPIDcontroltechnologytodemotorspeedcontrol.Thedesignideaastomsp430F149slicemachineascontrolcore,produceoccupiesemptiescomparedPIDalgorithmbyPWMcontrolofademotorspeedpulsetorealizethecontrol.Atthesametime,aphotoelectricsensorwillmotorspeedconvertpulsefrequencyfeedbacktothemicrocontr

4、oller,constituteaspeedclosed-loopcontrolsystemtospeed,nostaticthepurposeofpoorregulation.Keywords:PIDcontrol、Motorspeed、Occupiesemptiescompared,Closedloopsystemo一、设计指标1.1、 实现电机的驱动，探究PWM的调速原理。1.2、 测试出PWM驱动信号占空比与电机转速的关系。1.3、 实现电机在设定的的时间到达设定的速度。二、方案论证与设计2.1 系统方案设计根据系统设计的任务和要求，设计系统方框图如图2.1所示。图中控制器模块为系统的

5、核心部件，键盘和显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反响到控制器中，控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。图2.12.2 理论分析2.2.1 控制模块方案一：采用AT89C51.AT89C51是一种带4K字节F1.ASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器.方案二：采用msp430F149.msp430F149是一种超低功耗、高性能的16位微处理器它将许多模拟电路外设和

6、常用数字模块集成在芯片内部。综上所述：为实现单片机对电机的控制，软件设计中将会有大量的浮点运算，相比于51单片机，430运算速度将会更快，且更低功耗，减少外围电路的复杂度，应选用方案二。2.2.2 电机驱动模块驱动模块是控制器与执行器之间的桥梁，在本系统中单片机的I/O口不能直接驱动电机，只有引入电机驱动模块才能保证电机按照控制要求运行，在这里选用1.298N电机驱动芯片驱动电机，该芯片是由四个大功率晶体管组成的H桥(图2.2)电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，通过调整输入脉冲的占空比，调整电动机转速。其电路如图2.3所示，利用两个光电耦合器

7、将单片机的I/O与驱动电路进行隔离，保证电路平安可靠。这样单片机产生的PWM脉冲控制1.298N的选通端，使电机在PWM脉冲的控制下正常运行，其中四个二极管对芯片起保护作用。图2.2H桥原理图图2.3电机驱动原理图图2.31.298N内部功能模块表11.298N功能模块2.2.3 速度检测模块在本系统中由于要将电机本次采样的速度与上次采样的速度进行比拟，通过偏差进行PID运算，因此速度采集电路是整个系统不可缺少的局部。本次设计中应用了比拟常见的光电测速方法来实现，其具体做法是将电机轴上固定一圆盘，且其边缘上有N个等分凹槽如图3.5（八）所示，在圆盘的一侧固定一个发光二极管，其位置对准凹槽处，在

8、另一侧和发光二极光平行的位置上固定一光敏三极管，如果电动机转到凹槽处时，发光二极管通过缝隙将光照射到光敏三极管上，三极管导通，反之三极管截止，电路如图3.4(b)所示，从图中可以得出电机每转一圈在P3.3的输出端就会产生N个低电平。这样就可根据低电平的数量来计算电机此时转速了。)(b)(a图2.4电机速度采集方案图2.5传感器输出脉冲波形传感器选择方案：方案一：使用霍尔传感器件。霍尔传感器件是利用霍尔效应来完成磁电转换的传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高，体积小以及耐高温的特点，在机电控制系统中占有非常重要的地位。对测速装置的要求是具有较强的分辨能力，较高的精度以及较短检测时间，但是他

9、对硬件电路的要求也比拟高。方案二：使用光电开关GKlo5。光电开关或者称为光电传感器，是光电接近开关的简称，是利用被检测物体对于光线的遮挡或者反射，由同步回路选通电路，来检测物体的有无。如图2.4所示：GKlo5的标准接法，A端IK,C端IoK。使用GKl05电路简单，而且实用，反响速度快，准确度比拟高】。图2.6鉴于方案二测速性能较好，价格比拟廉价，调速范围比拟广，用比拟简单，因此本设计采用方案二。2.2.4 键盘模块根据设计需求，本系统中需使用键盘以实现对P、I、D三个参数和电机正反转的设定，以及对电机启动、停止、暂停、继续的控制。键盘方案选择：方案一：采用4*4矩阵键盘。I/O接口利用率

10、高，电路连接及软件编程较复杂，适用于需使用大量按键的设计中。方案二：采用红外遥器。利用红外线控制信号的发出，市场上的该类产品诸多，便于选择，易于安装，稳定性高，功耗低。鉴于方案二的性能较好且使用方便，选用方案二。图2.7矩阵键图2.8红外遥控器2.2.5 显示模块根据设计要求要对系统各项参数和电机运行状态进行显示，因此在电路中参加显示模块是非常必要的。方案一：采用1.CDl2864。该液晶具有8位微处理器接口、4位微处理器接口及串行接口，可显示4行，每行16个字符或8个汉字，芯片工作电压为4.55.5V。最正确工作电压为5Vo方案二：采用nokia5110.该液晶为84*48的点阵1.CD,可

11、显示4行汉字，采用串行接口与主处理器进行通信，传输速率高达4Mbps,工作电压为3.3V。综上所述：IIokia5110性价比拟高，接口简单，速度快，低功耗，应选用方案二电源模块电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。在本系统中直流电机需要12V电源,而单片机、显示模块等其它电路需要5V的电源,因此电路中选用7805和7812两种稳压芯片，使用方便，其最大输出电流为1.5A,能够满足系统的要求，其电路如图Jl2.9所示。220V机轧速f2.3.12.3软件设件建系统控制模块砌msp430）wm的占Z成局部，整个现。目前提出图2.93300F0.33FcijjU43C37805C40

12、.1FFlpTW或以下明能：产生曲m波形泉动也机、+5vT20FPID控制勺优差、定时器对电机转速计数、人机交互界面（红外控制算法是微机化控制系统fR个重要窗系统的控制功能主要由的控制算法有很多。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制，称为PID控制。实际经验和理论分析都说明，PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。本系统设计的核心算法为PID算法，它根据本次采样的数据与设定值进行比拟得出偏差&），对偏差进行P、I、D运算最终利用运算结果控制PWM脉冲的占空比来实现对加在电机两端电压的调节进而控制电机转速。其运算公式为:计算e(n)牛

13、I.I计算KIe(n)计算KP(e(n)-e(n-l)图4.1PlD程序流程该公式为PID增量型控制算法。因此要想实现PID控制在单片机就必须存在上述算法，其程序流程如图4.1所示。2.3.2程序流程23.2.1主流程图在一个完整的系统中，软件设计也具有很重要的作用，根据设计要求和系统运行情况设计出主流程图（如图2.?）开始2.3.2.2定时程序流程图本设计中利用定时器timer_A中断子程序对电机的转速进行计数，设计流程如图2.10ID运算控制不同的占空IH读取计数器值并清表三4.4误差分析本测试是在单位时间内测试不同占空比时电机的转数以及电机到达设定值所需的时间(1)由理论可知，PWIn加

14、在电机上的有效电压U=a*UO,其中a为占空比，UO为脉冲的峰峰值，是一固定值，故有效电压与占空比是一线性关系。由表二可知：当占空比小于20%时，占空比与转速并未呈现性关系，此范围内，电机的转速低于30,每一次测试中当电机停下来时，由于运动惯性电机上安装的测试转盘会继续运转，当实际转速较小时,由于惯性产生的转数对整体的结果影响较大，股造成了局部测试的不准确性(3)实测中电机的最大转速为72.5rso当设定值由大减小到二十时，测试结果的偏差变大，到达稳定的时间也变长，测试过程中，电机的启动、停止、控制系统的运行等因素都会随着测试数据的减小而影响增大。五、设计亮点(1)使用光电耦合器将主电路和控制

15、电路利用光隔开，使系统更加平安可靠；(2)采用数字PlD算法，利用软件实现控制，具有更改灵活，节约硬件等优点；(3)软件矫正系统非线性误差，使结果更精确。六、附件6.1 主程序代码#includettincludeyzconfig.h#includcnokia5110.h”ucharTar5=0,0,0,0,0;uchartar7=yzOOOOO；Winclude7zIR.hzztypedefstruct(charKp,Ki,Kd;inteO,el,e2;longpa,vpa;mypid;mypidpl;voidPIDO;/intTargetValue();voidCtrl();/voidPIDCtrlO;voidAction();voidmain()init_mcu();1.CDinit();/1.CD_Clear();i