基于单片机的数字PID控制直流电机PWM
题目: 基于单片机的数字PID控制直流电机PWM
调压调速器系统
目录
一、PID简介 (6)
二、设计原理 (7)
三、设计方案 (8)
四、心得体会 (16)
五、参考文献 (16)
一、PID简介
PID(比例积分微分)是一个数学物理术语。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。PID控制,实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
PID(比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史,现在仍是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂,使用中不需精确的系统模型等先决条件,因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为u(t)=kp(e((t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是0和t 因此它的传递函数为:G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中kp为比例系数;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数。
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基本的设计核心是运用PID调节器,从而实现直流电机的在带动负载的情况下也能稳定的运行。运用A/D转换芯片将滑动变阻器的模拟电压转换为数字量作为控制直流电机速度的给定值;用压控振荡器模拟直流电机的运行(电压高-转速高-脉冲多),单片机在单位时间内对脉冲计数作为电机速度的检测值;应用数字PID模型作单片机控制编程,其中P、I、D参数可按键输入并用LED数码显示;单片机PWM调宽输出作为输出值,开关驱动、电子滤波控制模拟电机(压控振荡器)实现对直流电机的PID调压调速功能。
基于以上的核心思想,我们把这次设计看成五个环节组成,其具体的原理如下见原理图2.0
图2.0 PID调速设计原理图
如图可以知道,这是一个闭环系统,我们借助单片机来控制,我们现运用AD芯片,运用单片机来控制AD芯片来转换模拟电压到数字电压,AD给定的电压越大,则产生的数字量越大,单片机再控制这个数字量来产生一个PWM,PWM占空比越大,就驱动晶体管导通的时间越长,这样加到压频转换器的电压也就越大,电压越大,则压频转换器输出的计数脉冲再单位时间也就越多,这样就相当于电机的电压越大,其转速也就会越快,我们再用单片机对压频转换器的输出脉冲计数,PID调节器就把这个计数脉冲和预先设定的值进行比较,比设定值小,这样就会得到一个偏差,再把这个偏差加到AD的给定电压,这样就相当于加大了PWM的占空比,要是比设定值大,这样也会得到一个偏差,就把这个变差与给定的电压向减,这样就可以减少PWM的占空比,通过改变占空比来改变晶体管的导通时间,就可以改变压频转换器的输入电压,也就改变压频转换器的单位计数脉冲,达到调电动机速度的目的。
3.1 PWM的调制
AD芯片给定一定的电压,应用单片机来控制来产生一个PWM,给定的电压不同,就会的得到不同的PWM波形。在产生PWM波形我们采用ADC0808芯片和AT89C51两个核心器件。
ADC0808芯片是要外加电压和时钟,当输入不同的电压的时候,就可以把不同的电压模拟量转化为数字值,输入的电压越大,其转换的相应的数字也就会越大,ADC0808芯片有8个通道输入和8个通道输出。其具体的管脚图见3.01
图3.01 ADC0808芯片管脚图
A T89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用A TMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,A TMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3.02所示
图3.02 AT89C51芯片管脚图
3.2基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统
3.21调速原理
当基于以上产生一个PWM后,就可以借助PWM脉冲来控制晶体管的导通和关断,来给压频转换器来提供一定的电压,在PROTUES中仿真中,给定一个+12V的电压,就通过晶体管的导通和关断来给压频转换器供电,压频转换器就会输出很多的脉冲,借助单片机P3.5来计数,其计数送给P0来显示,通过给定不同的ADC的输入电压,就可以的得到不同的计数显示,电压越大,其计数显示也就越大,通过改变计数脉冲的周期和硬件压频转换器(LM331)的电阻和电容,就可以得到与输入电压接近的数值显示,可能由于干扰的原因,其显示值和实际值有一点偏差,这是在没有什么负载的情况下,或者说是在空载的情况下,这样就可以得到一个很理想的开环系统,也为闭环PWM调节做好准备。
当开环系统稳定后,加上一个扰动,或者说是加上负载,这样就使的压频转换器的电压减少,在给定一定电压的时候,当负载分压的时候,也就相当于直流电机的电压就会减少,这样直流电机的转速就会下降,或者说当有负载的时候,压频转换器的输入电压就会减少,这样输入的脉冲在单位时间就会减少,这样PID调节器,通过改变PID的参数,PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为u(t)=kp(e((t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是0和t 因此它的传递函数为:G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中kp为比例系数;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数这样就会得到一个偏差,通过这个偏差来改变原来的PWM的占空比,使得晶体管的导通时间加长或减少,这样就改变了直流电机的输入电压,也就是该变了在PROTUES压频转换器的输入电压,使得输出的计数脉冲在单位时间发生改变,也就是模拟了直流电机的转速的改变,我们希望通过PID的调节,使得输出的计数脉冲的显示值和预先设定的值接近,由于偏差的存在,使得PID调节器不断的去修正,使得显示值近可能的接近我们所预期的设定值。
3.22基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统原理图
基于单片机的PWM调速系统
基于单片机的PWM调速系统 摘要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统,并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节,从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外,本文中还采用了芯片IR2110作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块,并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。另外,本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量,经过滤波电路后,将测量值送到A/D转换器,并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算,从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面,文章中详细介绍了PI运算程序,初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。 关键词:PWM信号测速发电机PI运算前言 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机,通过PWM方式控制直流电机调速的方法。 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。PWM控制技术就是以该结论为理论基础,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些
脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。 PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器 件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现。 直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现 和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电 子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用,PWM 控制技术获得了空前的发展。到目前为止,已经出现了多种PWM控制技术。 PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而 成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。 本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流 电机速度的控制。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统,然后通过放大来驱动电机。利用直流测速发电机测得电机速度,经过滤波电路得到直流电压信号,把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机,在内部进行PI运算,输出控制量完成闭环控制,实现电机的调速控制。
PWM电机调速原理及51单片机PWM程序经典
Pwm电机调速原理 对于电机的转速调整,我们是采用脉宽调制(PWM)办法,控制电机的时候,电源并非连续地向电机供电,而是在一个特定的频率下以方波脉冲的形式提供电能。不同占空比的方波信号能对电机起到调速作用,这是因为电机实际上是一个大电感,它有阻碍输入电流和电压突变的能力,因此脉冲输入信号被平均分配到作用时间上,这样,改变在始能端PE2 和PD5 上输入方波的占空比就能改变加在电机两端的电压大小,从而改变了转速。 此电路中用微处理机来实现脉宽调制,通常的方法有两种: (1)用软件方式来实现,即通过执行软件延时循环程序交替改变端口某个二进制位输出逻 辑状态来产生脉宽调制信号,设置不同的延时时间得到不同的占空比。 (2)硬件实验自动产生PWM 信号,不占用CPU 处理的时间。 这就要用到ATMEGA8515L 的在PWM 模式下的计数器1,具体内容可参考相关书籍。 51单片机PWM程序 产生两个PWM,要求两个PWM波形占空都为80/256,两个波形之间要错开,不能同时为高电平!高电平之间相差48/256, PWM这个功能在PIC单片机上就有,但是如果你就要用51单片机的话,也是可以的,但是比较的麻烦.可以用定时器T0来控制频率,定时器T1来控制占空比:大致的的编程思路是这样的:T0定时器中断是让一个I0口输出高电平,在这个定时器T0的中断当中起动定时器T1,而这个T1是让IO口输出低电平,这样改变定时器T0的初值就可以改变频率,改变定时器T1的初值就可以改变占空比。 *程序思路说明: * * * *关于频率和占空比的确定,对于12M晶振,假定PWM输出频率为1KHZ,这样定时中断次数* *设定为C=10,即0.01MS中断一次,则TH0=FF,TL0=F6;由于设定中断时间为0.01ms,这样* *可以设定占空比可从1-100变化。即0.01ms*100=1ms * ******************************************************************************/ #include
单片机课程设计完整版《PWM直流电动机调速控制系统》
单片机原理及应用课程设计报告设计题目: 学院: 专业: 班级: 学号: 学生姓名: 指导教师: 年月日 目录
设计题目:PWM直流电机调速系统 本文设计的PWM直流电机调速系统,主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式,PWM是脉冲宽度调制,通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制,LED实现对测量数据(速度)的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波,通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数,计算出电机的速度,实现了直流电机的反馈控制。 关键词:直流电机调速;定时中断;电动机;波形;LED显示器;51单片机 1 设计要求及主要技术指标: 基于MCS-51系列单片机AT89C52,设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。 设计要求 (1)在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298,驱动直流测速电动机。 (2)使用定时器产生可控的PWM波,通过按键改变PWM占空比,控制直流电动机的转速。 (3)设计一个4个按键的键盘。 K1:“启动/停止”。 K2:“正转/反转”。 K3:“加速”。 K4:“减速”。 (4)手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在
手动状态下,每按一次键,电动机的转速按照约定的速率改变。 (5)*测量并在LED显示器上显示电动机转速(rpm). (6)实现数字PID调速功能。 主要技术指标 (1)参考L298说明书,在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。 (2)使用定时器产生可控PWM波,定时时间建议为250us。 (3)编写键盘控制程序,实现转向控制,并通过调整PWM波占空比,实现调速; (4)参考Protuse仿真效果图:图(1) 图(1) 2 设计过程 本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上,运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间,以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性,使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。 本设计以控制驱动电路L298为核心,L298是SGS公司的产品,内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器,即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下的电机。可驱动2个电机,OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平,控制电机的正反转,ENA,ENB接控制使能端,控制电机的停转。 本设计以AT89C52单片机为核心,如下图(2),AT89C52是一个低电压,高性能 8位,片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(),器件采用的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 图(2) 对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性:闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差(额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比)要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范
根据proteus仿真的pwm电机调速
直流电机调速资料汇总 一. 使用单片机来控制直流电机的变速,一般采用调节电枢电压的方式,通过单片机控制PWM1,PWM2,产生可变的脉冲,这样电机上的电压也为宽度可变的脉冲电压。 C语言代码: #include
} void beep(void) { uchar t; for(t=0;t<100;t++) { delay500us(); FMQ=!FMQ; //产生脉冲 } FMQ=1; //关闭蜂鸣器 delaynms(300); } void main(void) { TR0=0; //关闭定时器0 TMOD=0x01; //定时器0,工作方式1 TH0=(65526-100)/256; TL0=(65526-100)%256; //100us即0.01ms中断一次EA=1; //开总中断 ET0=1; //开定时器0中断 TR0=1; //启动定时器T0 ZKB1=50; //占空比初值设定 ZKB2=50; //占空比初值设定 while(1) { if(!K5) { delaynms(15); //消抖 if(!K5) //确定按键按下 { beep(); ZKB1++; //增加ZKB1 ZKB2=100-ZKB1; //相应的ZKB2就减少 } } if(!K6) { delaynms(15); //消抖 if(!K6) //确定按键按下 { beep();