运动控制课程设计题目：基于AT89C52单片机单闭环PWM直流数字控制系统专业班级：1002姓名：秦凯新学号：201046820427指导教师：张智强目录1.引言 (1)2.设计方案 (1)2.1 系统总方案论证与选择 (1)2.2 PID控制算法的设计 (2)2.3 单片机的选型： (5)2.4 测速装置的选型： (5)2.4.1霍尔传感器测速 (5)2.4.2编码盘测速 (6)3 硬件部分 (6)3.1单片机最小系统 (6)3 .2 PWM控制直流电机正反转模块设计 (7)3.4检测回路模块设计 (8)3.6按键模块设计 (9)3.7显示模块设计 (9)4 软件部分 (10)3.1 PID控制程序设计 (10)3.1.1位置式电机PID控制程序设计 (10)3.1.2增量式电机PID控制程序设计 (12)3.2经测速装置由PID运算后PWM波形的产生程序设计 (14)3.2.1直流电机调速原理 (14)3.2.2 PWM基本原理及实现方法 (14)3.2.3 PWM在直流调速中的应用 (15)3.2.3PWM产生软件设计思路 (15)3.3显示模块程序设计 (18)附录： (21)[参考文献] (22)1.引言由于直流电动机具有良好的起动、制动性能,适宜在大范围内平滑调速,因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。
而且,从控制的角度来看,直流调速还是交流调速，都用到拖动系统的基础。
早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难, 触发精度易受电网电压波动的影响，触发脉冲不对称度较大，调节器中的运算放大器，因网压和温度变化引起的漂移会产生运算误差，模拟器件老化也会引起运算误差，甚至使已经整定好的系统性能变差，这些都阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。
随着单片机技术的日新月异,使许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,而且使系统能达到了更高的性能。
2.设计方案2.1 系统总方案论证与选择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。
所以采用但闭环直流调速系统设计方案。
图2 电路组成框图按键采用4X4矩阵键盘，显示装置采用1602液晶。
通过给定值，然后单片机检测经过旋转光码盘检测转速，形成脉冲，送到中断口，经过定时检测中断次数，测得转速，求得偏差，然后经过PID运算后，来设定定时器0的定时时间，从而获得相应的脉冲，即PWM脉冲。
从而作用于L298专用芯片，从而实现对直流电机的控制。
2.2 PID控制算法的设计电动机参数：先假设所控制电机的参数如下,来设计PID的各个参数：PN=3KW, nN =1500rpm,UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。
主回路总电阻R=2.5 ，电磁时间常数Tl=0.017s,机电时间常数Tm=0.075s。
三相桥式整流电路，Ks=40。
测速反馈系数 =0.07。
调速指标：D=30，S=10%。
控制算法是微机化控制软件系统的一个重要组成部分，可以说整个系统的控制功能主要由控制算法来实线。
所以控制算法的好坏直接决定了这个系统的好坏。
根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制，称为PID控制。
它能满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最广的控制算法。
由于是用单片机控制的系统，故而我们采用数字PID控制。
模拟PID控制规律的离散化常用的控制方式1、P 控制 0)()(u n u n u P +=2、PI 控制 0)()()(u n u n u n u I P ++=3、PD 控制 0)()()(u n u n u n u D P ++=4、PID 控制 0)()()()(u n u n u n u n u D I P +++= PID 算法的两种类型1、位置型控制――例如图5－1－5调节阀控制[]00)1()()()()(u n e n e T T i e T Tn e K n u ni DI P +⎭⎬⎫⎩⎨⎧--++=∑=式中 )()(n e K n u P P = 称为比例项∑==ni IPI i e T TK n u 0)()( 称为积分项[])1()()(--=n e n e TT K n u DPD 称为微分项2、增量型控制――例如图5－1－6步进电机控制[][])2()1(2)()()1()()1()()(-+--++--=--=∆n e n e n e TT K n e T TK n e n e K n u n u n u D P I PP 综合考虑PI 算法的选择转角的偏差e 以及偏差的微分dtnd -和积分 dt e ⎰分别代表了系统输出的当前、将来和过去的三种状态，而PI 调节器的输出限幅值则代表了系统消除偏差的能力。
合理综合地运用这些信号，在系统允许的条件下，尽快消除偏差，又不产生或者不产生超调，可使系统以最合适的速度稳定运行。
根据转角偏差、实际转角变化率的负值和转角偏差的积分所在的区间确定调整规则，并根据它们的大小决定调整的强度，使智能型PI 调节器参数随着偏差的变化而有选择地变化。
当偏差大时，停止积分，并调整比例系数Kp ，使系统以最大的能力消除偏差；当偏差小时，投入积分，并逐步调整比例系数Kp 和积分系数Ki ，使系统以最佳过程达到稳态，最终实现最佳动态目标速度值的调整。
1> 为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为min /89.7min /)05.01(1005.01500)1(r r s D s n n N cl =-⨯⨯≤-=∆2> 求闭环系统应有的开环放大系数 先计算电动机的电动势系数r V r V n R I U C N a N N e min/132.0min/150025.15.17220⋅=⋅⨯-=-=则开环系统额定速降为min /14.333min /132.05.25.17r r C R I n e N op =⨯==∆ 闭环系统的开环放大系数应为22.41189.714.3331=-=-∆∆=clop n n K3> 计算转速反馈环节的反馈系数和参数根据调速指标要求，前已求出闭环系统的开环放大系数应为K ≥41.22，则运算放大器的放大系数K p 应为943.1132.0/4007.022.41/K p =⨯≥=e s C K K α实取Kp=2。
为了实现转速无静差，必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，从图可以看出，在负载扰动作用点以后，已经有一个积分环节，故从静态无差考虑需要Ⅱ型系统。
从动态性能上看，考虑转速调节器饱和非线性后，调速系统的跟随性能与抗扰性能是一致的，而典型Ⅱ型系统具有较好的抗扰性能。
所以，转速环应该按典型Ⅱ系统进行设计。
由图可以明显地看出，要把转速环校正成典型Ⅱ型系统，转速调节器ASR 也应该采用PI 调节器，其传递函数为s s K s pn n ASR 1)(W ττ+=式中 K n ——转速调节器的比例系数； t n ——转速调节器的超前时间常数； 这样，调速系统的开环传递函数为515.0943.111T p n ===∑K 令τn =hT ∑n ，h=5，τn =hT ∑n =5×0.515=2.573 s 则转速调节器的传递函数为s s s s K s p573.21573.2943.11)(W n n ASR +=+=ττ2.3 单片机的选型：AT89C52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash 只读程序存储器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
优点是：省钱，低端，稳定，相当于32位机虽差的太远，但经济也是不得不考虑的因素，而且本课程设计也是要求只能用51.基于51单片机的细节请参考51的说明书，这里不再赘述。
2.4 测速装置的选型：2.4.1霍尔传感器测速霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。
霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall ，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
电机每转一圈,每一相霍尔传感器产生2脉冲,且其周期与电机转速成反比,因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。
为尽可能缩短一次速度采样的时间,可测得任意一相霍尔传感器的一个正脉冲的宽度,则电机的实际转速为：V=N*30;V:速度R/minN:每秒采样的脉冲个数霍尔传感器输出的是脉冲，可以直接将输出脉冲接入单片机外部计数器，故而非常简单实用。
2.4.2编码盘测速其效果跟霍尔测速一致，但是霍尔元件利用的是电磁产生脉冲，光电编码器利用的是光产生脉冲。
它的原理是通过电动机的转动带动码盘的转动，码盘上有很多缝隙，缝隙每经过红外管一次就会产生一个脉冲，进而直接输入单片机，经过算法处理得到实际转速。
经过分析，本次试验选取的是光电码盘测速。
首先是因为同时测量霍尔元件和光电编码器，发现光电编码器的灵敏度更高，且其价格便宜。
最关键的是它很好用。
3 硬件部分3.1单片机最小系统此次选用80C51作为主控制器，下图为其最小系统电路图，在此基础上才能发挥其功能。
图3 51单片机最小系统图中选用12MHz的晶振为其提供基准时钟脉冲，之所以选用12MHz是为了方便设置定时器的初值，另外也有选用11.0592MHz的晶振，这是为了方便设置波特率，在此课程设计没必要用到波特率，故而选择12MHz的晶振。