PID控制PWM调节直流电机速度

模板

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AT89S51单片机为控制核心，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馈到单片机中，构成转速闭环控制系统，达到转速无静差调节的目的。在系统中采128×64LCD显示器作为显示部件，通过4×4键盘设置P、I、D、V四个参数和正反转控制，启动后通过显示部件了解电机当前的转速和运行时间。因此该系统在硬件方面包括：电源模块、电机驱动模块、控制模块、速度检测模块、人机交互模块。软件部分采用C语言进行程序设计，其优点为：可移植性强、算法容易实现、修改及调试方便、易读等。

本次设计系统的主要特点：

（1）优化的软件算法，智能化的自动控制，误差补偿；

（2）使用光电传感器将电机转速转换为脉冲频率，比较精确的反映出电机的转速，从而与设定值进行比较产生偏差，实现比例、积分、微分的控制，达到转速无静差调节的目的；

（3）使用光电耦合器将主电路和控制电路利用光隔开，使系统更加安全可靠；

（4）128×64LCD显示模块提供一个人机对话界面，并实时显示电机运行速度和运行时间；

（5）利用Proteus 软件进行系统整体仿真，从而进一步验证电路和程序的正确

性，避免不必要的损失；

（6）采用数字PID 算法，利用软件实现控制，具有更改灵活，节约硬件等优点； （7）系统性能指标：超调量≤8％；

调节时间≤4s ； 转速误差≤±1r/min 。

1 PID 算法及PWM 控制技术简介

1.1 PID 算法

控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。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表明，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。下面分别介绍模拟PID 、数字PID 及其参数整定方法。

1.1.1 模拟PID

在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是PID 控制，常规PID 控制系统原理框图如图1.1所示，系统由模拟PID 调节器、执行机构及控制对象组成。

图1.1 模拟PID 控制系统原理框图

PID 调节器是一种线性调节器，它根据给定值)(t r 与实际输出值)(t c 构成的控

制偏差： )(t e =)(t r －)(t c （1.1）

将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为

PID 调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将P 、I 、D 基本控制

规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P 调节器，PI 调节器，PID 调节器等。

模拟PID 调节器的控制规律为

])

()(1

)([)(0

dt

t de T dt t e T t e K t u D

t

I

p

++=? （1.2） 式中，P K 为比例系数，I T 为积分时间常数，D T 为微分时间常数。

简单的说，PID 调节器各校正环节的作用是：

（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号)(t e ,偏差一旦产生，调

节器立即产生控制作用以减少偏差；

（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于

积分时间常数I T ，I T 越大，积分作用越弱，反之则越强；

（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值

变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

由式1.2可得，模拟PID 调节器的传递函数为 )1

1()()()(S T S

T K S E S U S D D I P ++==

（1.3） 由于本设计主要采用数字PID 算法，所以对于模拟PID 只做此简要介绍。

1.1.2 数字PID

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)(t r 、)(t e 、)(t u 、

)(t c 在第n 次采样的数据分别用)(n r 、)(n e 、)(n u 、)(n c 表示，于是式（1.1）

变为 ：

)(n e =)(n r －)(n c （1.4）

当采样周期T 很小时dt 可以用T 近似代替，)(t de 可用)1()(--n e n e 近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似

T n e n e dt t de )

1()()(--≈ （1.5） ?∑=≈t

n i T i e dt t e 0

1

)()( （1.6）

这样，式（1.2）便可离散化以下差分方程

01

})]1()([)()({)(u n e n e T T n e T T n e K n u n

i D

I P +--++

=∑= （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

)(n u P ,即

)()

(n e K n u P p = （1.8）

第二项起积分控制作用,称为积分（I ）项)(n u I 即

∑==n

i I

P

I i e T T

K n u 1)()( （1.9）

第三项起微分控制作用,称为微分（D ）项)(n u D 即

)]1()([)(--=n e n e T

T K n u D

P

D （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)()(u n u n u P += （1.11） PI 控制: 0)()()(u n u n u n u I P ++= （1.12）

PD 控制: 0)()()(u n u n u n u D P ++= （1.13）

PID 控制: 0)()()()(u n u n u n u n u D I P +++= （1.14）

式（1.7）的输出量)(n u 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)(i e ,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

01

1

})]2()1([)()1({)1(u n e n e T T n e T T n e K n u n i D

I

P +---++

-=-∑-= （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()()(--=?n u n u n u

)]2()1(2)([)()]1()([-+--++--=n e n e n e K n e K n e n e K D I P （1.16）

从上式可得数字PID 位置型控制算式为

)(n u 0)]2()1(2)([)()]1()([u n e n e n e K n e K n e n e K D I P +-+--++--= （1.17）

式中： P K 称为比例增益；

I P

I T T

K K =称为积分系数； T

T K K D

P

D =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1.2和1.3所示：

图1.2 数字PID 位置型控制示意图

图1.3 数字PID 增量型控制示意图

1.1.3 数字PID 参数整定方法

如何选择控制算法的参数，要根据具体过程的要求来考虑。一般来说，要求被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。显然，要同时满足上述各项要求是很困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。

PID 调节器的参数整定方法有很多，但可归结为理论计算法和工程整定法两种。

用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型，这在工业过程中一般较难做到。因此，实际用得较多的还是工程整定法。这种方法最大优点就是整定参数时不依赖对象的数学模型，简单易行。当然，这是一种近似的方法，有时可能略嫌粗糙，但相当适用，可解决一般实际问题。下面介绍两种常用的简易工程整定法。

（1）扩充临界比例度法

这种方法适用于有自平衡特性的被控对象。使用这种方法整定数字调节器参数的步骤是：

①选择一个足够小的采样周期，具体地说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时

间的十分之一以下。

②用选定的采样周期使系统工作：工作时，去掉积分作用和微分作用，使调节器

成为纯比例调节器，逐渐减小比例度δ（P K /1=δ）直至系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态，记下此时的临界比例度K δ及系统的临界振荡周期k T 。

③选择控制度：所谓控制度就是以模拟调节器为基准，将DDC 的控制效果与模

拟调节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常用误差平方面积?

∞

2)(t e 表

示。

控制度＝

模拟

])([])([02

02??∞

∞

dt t e dt t e DDC （1.18）

实际应用中并不需要计算出两个误差平方面积，控制度仅表示控制效果的物理 概念。通常，当控制度为1.05时，就可以认为DDC 与模拟控制效果相当；当控制度为2.0时，DDC 比模拟控制效果差。

④根据选定的控制度，查表1.1求得T 、P K 、I T 、D T 的值[1]。

表1.1 扩充临界比例度法整定参数

（2）经验法

经验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度，参考测量值跟踪与设定值曲 线，来调整P 、I 、D 三者参数的大小的，具体操作可按以下口诀进行：

参数整定找最佳，从小到大顺序查； 先是比例后积分，最后再把微分加；

曲线振荡很频繁，比例度盘要放大； 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳； 曲线偏离回复慢，积分时间往下降； 曲线波动周期长，积分时间再加长； 曲线振荡频率快，先把微分降下来； 动差大来波动慢，微分时间应加长。

下面以PID 调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：

①让调节器参数积分系数I K =0，实际微分系数D K =0，控制系统投入闭环运行，

由小到大改变比例系数P K ，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。

②取比例系数P K 为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数I K ，同样让扰动

信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。

③积分系数I K 保持不变，改变比例系数P K ，观察控制过程有无改善，如有改善

则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数P K 增大一些，再调整积分系数I K ，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数P K 和积分系数I K 为止。

④引入适当的实际微分系数D K 和实际微分时间D T ，此时可适当增大比例系数

P K 和积分系数I K 。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过

程满意为止。

PID 参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制，一

般P 可在10以上,I 在（3、10）之间,D 在1左右。小惯量如：一个小电机闭环控制，一般P 在（1、10）之间,I 在（0、5）之间,D 在（0.1、1）之间,具体参数要在现场调试时进行修正。

1.2 PWM 脉冲控制技术

PWM (Pulse Width Modulation )控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即

通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

1.2.1 PWM 控制的基本原理

a

b

L

在采样控制理论中有一个重要的结论：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。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图1.4中a 、b 、c 所示的三个窄脉冲形状不同，其中图1.4的a 为矩形脉冲，图1.4的b 为三角脉冲，图1.4的c 为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为如图1.4的d 所示的单位脉冲函数

)(t 时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。

图1.4 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

图1.5a 的电路是一个具体的例子。图中)(t e 为窄脉冲，其形状和面积分别如图1.4的a 、b 、c 、d 所示，为电路的输入。该输入加在可以看成惯性环节的R-L 电路上，设其电流)(t i 为电路的输出。图1.5b 给出了不同窄波时)(t i 的响应波形。从波形可以看出，在)(t i 的上升段，脉冲形状不同时)(t i 的形状也略有不同，但其下降段几乎完全相同。脉冲越窄，各)(t i 波形的差异也越小。如果周期性的施加上述脉冲，则响应)(t i 也是周期性的。用傅立叶级数分解后将可看出，各)(t i 在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同[2]。

图1.5 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

1.2.2 直流电机的PWM 控制技术

a b

c

d

U

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，并且结构简单、可靠性高、操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。下面主要介绍直流电机PWM 调速系统的算法实现。

根据PWM 控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的PWM 脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间T 内脉冲宽度为0t ,幅值为U ，由图1.6可求得此时间内脉冲的等效直流电压为：

0 图1.6 PWM 脉冲

T

U

t U ?=00，若令T t 0=α，α即为占空比，则上式可化为：

U U ?=α0 (U 为脉冲幅值) （1.19）

若PWM 脉冲为如图1.7所示周期性矩形脉冲，那么与此脉冲等效的直流电

压的计算方法与上述相同，即

U T

U

t nT U nt U ?=?=?=α000 （α为矩形脉冲占空比） （1.20）

图1.7 周期性PWM 矩形脉冲

由式1.20可知，要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值U 和占空比α来实现，因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的，所以通常通过控制占空比α的大小实现等效直流电压在0～U 之间任意调节，从而达到利用PWM 控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。

2设计方案与论证

2.1系统设计方案

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馈到控制器中，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2.1系统方案框图

2.2控制器模块设计方案

根据设计任务，控制器主要用于产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲，并对电机当前速度进行采集处理，根据算法得出当前所需输出的占空比脉冲。对于控制器的选择有以下三种方案。

方案一：采用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统的控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能[3]，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。FPGA 采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制PWM脉冲的占空比，但是由于本次设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。

方案二：采用AT89S51作为系统控制的方案。AT89S51单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制[4]。相对于FPGA来说，它的芯片引脚少，在硬件很容易实现。并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，在各个领域中应用广泛。

方案三：采用传统的AT89C51单片机作为运动物体的控制中心。它和AT89S51一样都具有软件编程灵活、体积小、成本低,使用简单等特点，但是它的频率较低、运算速度慢，RAM、ROM空间小等缺点。本题目在确定圆周坐标值时，需要进行大量的运算。若采用89C51需要做RAM，ROM来扩展其内存空间，其硬件工作量必然大大增多。

综合上述三种方案比较，采用AT89S51作为控制器处理输入的数据并控制电机运动较为简单，可以满足设计要求。因此在本次设计选用方案二。

2.3电机驱动模块设计方案

本次设计的主要目的是控制电机的转速，因此电机驱动模块是必不可少，其方案有一下两种。

方案一：采用大功率晶体管组合电路构成驱动电路，这种方法结构简单，成本低、易实现，但由于在驱动电路中采用了大量的晶体管相互连接，使得电路复杂、抗干扰能力差、可靠性下降，我们知道在实际的生产实践过程中可靠性是一个非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。

方案二：采用专用的电机驱动芯片，例如L298N、L297N等电机驱动芯片，由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力，安全、可靠行，所以我们在应用时只需考虑到芯片的硬件连接、驱动能力等问题就可以了，所以此种方案的电路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。设计者不需要对硬件电路设计考虑很多，可将重点放在算法实现和软件设计中，大大的提高了工作效率。

基于上述理论分析和实际情况，电机驱动模块选用方案二。

2.4速度采集模块设计方案

本系统是一闭环控制系统，在调节过程中需要将设定与当前实际转速进行比较，速度采集模块就是为完成这样功能而设计的，其设计方案以下三种：方案一：采用霍尔集成片。该器件内部由三片霍尔金属板组成。当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通[5]，因此可以在电机上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行电机速度的检测。

方案二：采用对射式光电传感器。其检测方式为：发射器和接受器相互对射安装，发射器的光直接对准接受器，当测物挡住光束时，传感器输出产生变化以指示被测物被检测到。通过脉冲计数，对速度进行测量。

方案三：采用测速发电机对直流电机转速进行测量。该方案的实现原理是将测速发电机固定在直流电机的轴上，当直流电机转动时，带动测速电机的轴一起转动，因此测速发电机会产生大小随直流电机转速大小变化的感应电动势，因此精度比较高，但由于该方案的安装比较复杂、成本也比较高，在本次设计没有采用此方案。

以上三种方案中，第三种方案不宜采用，第一种和第二种方案的测速原理基本相同都是将电机转速转换为电脉冲的频率进行测量，但考虑到市场中的霍尔元件比较难买，而且成本也比较高，所以综合考虑在设计中选用第二种方案进行设计。

2.5显示模块设计方案

在电机转速控制系统中，系统需要对参数、工作方式以及电机当前运行状态的显示，因此在整个系统中必须设计一个显示模块，考虑有三种方案：

方案一：使用七段数码管（LED）显示。数码管具有亮度高、工作电压低、功耗小、易于集成、驱动简单、耐冲击且性能稳定等特点，并且它可采用BCD编码显示数字，编程容易，硬件电路调试简单。但由于在此次设计中需要设定的参数种类多，而且有些需要进行汉字和字符的显示，所以使用LED显示器不能完成设计任务，不宜采用。

方案二：采用1602LCD液晶显示器，该显示器控制方法简单，功率低、硬件电路简单、可对字符进行显示，但考虑到1602LCD液晶显示器的屏幕小，不能显示汉字，因此对于需要显示大量参数的系统来说不宜采用。

方案三：采用128×64LCD液晶显示器，该显示器功率低，驱动方法和硬件连接电路较上面两种方案复杂，显示屏幕大、可对汉字和字符进行显示。

根据本次设计的设计要求，显示模块选用方案三。

2.6键盘模块设计方案

在电机转速控制系统中，系统需要按键进行参数的输入、工作方式的设定以及电机起停的控制，因此键盘在整个系统中是不可缺少的一部分，考虑有二种方案：方案一：采用独立式键盘，这种键盘硬件连接和软件实现简单，并且各按键相互独立，每个按键均有一端接地，另一端接到输入线上。按键的工作状态不会影响其它按键上的输入状态。但是由于独立式键盘每个按键需要占用一根输入口线，所以在按键数量较多时，I/O口浪费大，故此键盘只适用于按键较少或操作速度较高的场合。

方案二：采用行列式键盘，这种键盘的特点是行线、列线分别接输入线、输出线。按键设置在行、列线的交叉点上，利用这种矩阵结构只需m根行线和n根列线m 个按键的键盘，因此矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。但此种就可组成n

键盘的软件结构较为复杂[6]。

根据上面两种方案的论述，由于本次设计的系统硬件连接比较复杂，对软件的运行速度要求不高，所以采用方案二矩阵式键盘进行设计。

2.7电源模块设计方案

电源是任何系统能否运行的能量来源，无论那种电力系统电源模块都是不可或缺的，对于该模块考虑一下两种方案。

方案一：通过电阻分压的形式将整流后的电压分别降为控制芯片和电机运行所需的电压，此种方案原理和硬件电路连接都比较简单，但对能量的损耗大，在实际应用系统同一般不宜采用。

方案二：通过固定芯片对整流后的电压进行降压、稳压处理（如7812、7805等），此种方案可靠性、安全性高，对能源的利用率高，并且电路简单容易实现。

根据系统的具体要求，采用方案二作为系统的供电模块。

经过上述的分析与论证，系统各模块采用的方案如下：

（1）控制模块：采用AT89S51单片机；

（2）电机驱动模块：采用直流电机驱动芯片L298N 实现； （3）速度采集模块：采用光电传感器；

（4）显示模块： 采用128×64LCD 液晶显示模块； （5）键盘模块： 采用标准的

4×4矩阵式键盘； （6）电源模块： 采用7805、7812芯片实现。

3 单元电路设计

3.1 硬件资源分配

本系统电路连接及硬件资源分配见图3.1所示。采用AT89S51单片机作为核心器件，转速检测模块作为电机转速测量装置，通过AT89S51的P3.3口将电脉冲信号送入单片机处理，L298作为直流电机的驱动模块，利用128×64LCD 显示器和

4×4键盘作为人机接口。

图3.1 系统电路连接及硬件资源分配图

3.2 电源电路设计

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，其最大输出电流为1.5A，能够满足系统的要求，其电路如图3.2所示。

图3.2电源电路

3.3电机驱动电路设计

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

L298N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。其中输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电流检测电阻，Vss接逻辑控制的电源。Vs为电机驱动电源。IN1-IN4输入引脚为标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关即实现电机的正反转，ENA、ENB引脚则为使能控制端，用来输入PWM信号实现电机调速。其电路如图3.3所示，利用两个光电耦合器将单片机的I/O与驱动电路进行隔离，保证电路安全可靠。这样单片机产生的PWM脉冲控制L298N的选通端[7]，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3.3 电机驱动电路

3.4 电机速度采集电路设计

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较，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部分。本次设计中应用了比较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（a ）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。例如当电机以一定的转速运行时，P3.3将输出如图3.5所示的脉冲，若知道一段时间t 内传感器输出的低脉冲数为n ，则电机转速v=r/s 。

(a) (b)

图3.4 电机速度采集方案

图3.5 传感器输出脉冲波形

圆盘光敏三极管

3.5显示电路设计

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，因此在电路中加入显示模块是非常必要的。在系统运行过程中需要显示的数据比较都，而且需要汉字显示，在这里选用128×64液晶显示器比较适合，它是一种图形点阵液晶显示器,主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成，可完成汉字（16×16）显示和图形显示共有20个引脚[8]，其引脚名称及引脚编号的对应关系如图3.6，引脚功能如表3.1所示。

图3.6128×64LCD引脚分布

表3.112864液晶显示模块引脚功能

128×64液晶显示器与单片机的连接电路如图3.7所示：

图3.7显示模块电路图

3.6键盘电路设计

根据设计需求，本系统中使用了4×4键盘用以实现对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，其电路原理图如图4.8所示。图中L0～L3为4×4键盘的列信号，H0～H3为4×4键盘的行信号。在本系统中，用P1.0～P1.3连接键盘的列信号L0～L3；用P0.4～P0.7连接键盘的行信号H0～H3[9]。按照要求设计操作面板如图3.8所示：

)]2()1(2)

([)()]1()([u n e n e n e K n e K n e n e K D I P +-+--++--图3.8 键盘模块

键盘操作说明：在系统开始运行时，128×64LCD 将显示开机界面，若按下设置键显示屏进入参数设置界面，此时按1、2、3、4进入相应参数的设置的状态，输入相应的数字即可完成该参数的设置，待所有量设置完成后按正/反控制键设置正反转，最后按启动键启动系统，在运行过程中可按下相应键对电机进行暂停、继续、停止运行的控制。

4 软件设计

4.1 算法实现

4.1.1 PID 算法

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较得出偏差)(n e ，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[10]，进而控制电机转速。其运算公式为：

=)(n u 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。

4.1.2 电机速度采集算法

本系统中电机速度采集是一个非常重要的部分，它的精度直接影响到整个控制的精度。在设计中采用了光电传感器做为测速装置，其计算公式为：

图4.1

PID 程序流程