直流电机速度PID控制系统设计

序号 学号 序号 学号 161240303 长长 春春 大大 学学 毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 文 直流电机速度直流电机速度 PIDPID 控制系统设计控制系统设计 姓姓 名名李一丹 学学 院院国际教育学院 专专 业业自动化 班班 级级1612403 指导教师指导教师曹福成 2016 年5月30日 长 春 大 学 毕业设计 直流电机速度 PID 控制系统设计 纸 装 订 线 直流电机速度直流电机速度 PID 控制系统设计控制系统设计 摘要 针对现有的直流电机控速难的问题 本文设计了一种基于 ATmega16L 单 片机的直流电机速度控制系统 本系统以 ATmega16L 单片机为主控制器 搭载 了 L298n 为电机驱动 通过霍尔元件进行测速 通过按键控制电机的转动方向 和转动速度 并配以温度传感器 DS18B20 对温度进行监测 通过 PID 算法调节 PWM 进行对速度控制 该系统包括的模块主要有单片机为主体的控制模块 电 机的驱动模块 对电机速度进行监测的模块 由 LCD1602 构成的显示模块 电 源模块和按键控制模块等 本系统可以通过 PID 算法实现可编程脉宽波形对直 流电机的速度进行控制 并且可以显示出当前电机的转速 关键词 单片机 PID 算法 直流电机 长 春 大 学 毕业设计 直流电机速度 PID 控制系统设计 纸 装 订 线 The design of DC motor speed control system with PID Abstract According to the existing DC motor speed control problem this paper describes the design of a DC motor speed control system based on ATmega16L MCU To ATMEGA16L microcontroller as the main controller for the system equipped with a L298n for motor drive through the hall element of speed through the buttons to control the motor rotation direction and the rotation speed and the temperature sensor DS18B20 the temperature monitoring PID algorithm is used to adjust the PWM control of the speed The system includes the following modules display microprocessor control module as the main body of the motor drive module monitoring module the speed of motor is composed of LCD1602 module power supply module and key control module This system can realize through PID algorithm to control the speed of the programming pulse waveforms of DC motor and can display the current motor speed Keywords single chip microcomputer PID algorithm DC motor 长 春 大 学 直流电机速度 PID 控制系统设计 装 订 线 目录目录 第 1 章 绪论 1 1 1 选题背景及意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 3 本文主要研究的内容 3 第 2 章 总体方案论述 4 2 1 系统主要传感器介绍 4 2 1 1 温度传感器 4 2 1 2 转速检测模块 5 2 2 系统总体功能及方案选择 6 2 2 1 系统所需模块及功能 6 2 2 2 主控制器选择 8 第 3 章 系统总体硬件设计 10 3 1 单片机最小系统 10 3 1 1ATmega16L 单片机的引脚分布 10 3 1 2 最小系统的硬件电路 13 3 2 电机驱动电路 14 3 3 温度检测电路 15 3 4 光电管提示电路和按键控制电路 15 3 5LCD1602 显示电路 16 3 6 电源电路 17 3 7 本章小节 18 第 4 章 系统软件设计 19 4 1 系统总体流程图 19 4 2 PID 算法简介 19 4 2 1PID 算法介绍 20 4 2 2PID 算法结果 21 4 3 系统调试步骤 21 4 4 误差分析即改进方法 22 长 春 大 学 直流电机速度 PID 控制系统设计 装 订 线 结论 23 致谢 24 参考文献 25 附录 26 附录 I 系统总体硬件电路图 26 附录 II 系统中部分程序 27 长 春 大 学 毕业设计 直流电机速度 PID 控制系统设计 纸 共 31 页 第 1 页 装 订 线 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 选题背景及意义选题背景及意义 电动机简称电机 俗称马达 在现实生活中 我们处处都可以见到电机的 身影 小到小学生玩的电动四驱车 大到炼钢厂用的滚动罐 这些都是电机家 族的成员 电机是一种可以将电能转换成机械能输出的装置 现在我们来了解 下电机吧 电机的家族非常庞大 按照其驱动电源来分大致可以分为直流类 交流类和三相电源供电类这 3 种常见常用的种类 其中直流类是我们生活中最 常见的一类 因为其便于制动和控制所以应用较多 但是其动力输出较小 所 以不能作为大型机械的动能输出源 交流类也是应用较为普遍的电动机 最为 常见的是我们家用的洗衣机 它的核心动力源就是由交变电流驱动的电动机充 当的 而三相电源供电式电动机在我们生活中不常见 但是在大型工厂和工地 中普遍应用这种类型的电动机 因为其输出功率较前两种有质的飞跃 所以可 以应对大型机械的运转 充当动力源 我们所要研究是目标是直流电机 所以我在此对直流电机做详细的介绍 直流电机由定子和转子两部分构成 定子主要就是磁体 而转子主要是绕有线 圈的转动杆 按照励磁方式可以分为他励型 并励型 串励型和复励型四种 而按照有无刷分类则可以分为有刷型和无刷型两种 而电机的原理是我们中学 所学的法拉第电磁感应定律 即通电的导线周围会产生磁场 如果将通电的导 线周围再加入一个外加的永磁体 那么会让通电的导线受到磁场的力的作用而 转动 在我们的生产和生活中 几乎全都是希望这种转动是匀速的 因为匀速 的转动便于我们搭配各种与之相适宜的器件用于组合使用 从而完成各种各样 的功能 如果供电电压不变 负载转矩不变 那么就可以认为电机是匀速旋转的 因为电动机的电磁转矩和电压密切相关 当电压没有波动的时候也就是说电磁 转矩是恒定的 电磁转矩是促使电机转子转动的 负载转矩是阻止电机转子转 动的 两个力是相反的 这样的话当两个力平衡时电机就是做的匀速转动 当 负载转矩变小时 电机速度会有所升高 但是当升高到一定程度后又会恒定在 某一个速度上转动 但是由于我们现实条件下供电电压不可能永恒不变 而且 长 春 大 学 毕业设计 直流电机速度 PID 控制系统设计 纸 共 31 页 第 2 页 装 订 线 转子上的线圈的阻值会随温度的变化而变化 再有定子上的磁体磁性会随外界 环境的改变而改变 所以要想达到控制直流电机转速必须借助外力 因此 设 计一个能控制电机转速的系统是很有必要的 设计一个能控制电机转速的系统 是我们这个机械控制时代的需求 设计一个能控制电机转速的系统是造福全民 的 随着电机产业的不断进步与发展 电机在控速领域由原先的自适应控制进 化到现如今的应用 PLC 等计算机作为主控制器的智能型控制 而随着各种机器 语言的问世和各种算法的提出 PID 作为新生的调节器算法从众多控制算法中 脱颖而出 而本文就来设计一种通过 PID 算法来控制直流电机转速的系统 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 早在 1831 年 伟大的物理学家法拉第发现电磁感应定律后 他便预测不久 的将来 这一成果必将开启人类新时代的另一个文明 自 1843 年第一个电机问 世以来 电机便走入了人们的视线 并且在我们的生活中扮演越来越重要的角 色 然而最初 电机因为其制作工艺低劣 而且科技水平较差 所以频频出现 故障 直到 20 世纪初 由德国麦基散公司提出通过外接控制设备来进行对电机 的转速控制和启动助推 使得直流电机步入了一个新纪元 各个国家纷纷效仿 德国的做法 利用各种控制单元或模拟电路对电机进行武装 使得电机越来越 智能和稳定 从上世纪 70 年代起 美国 德国 日本和原苏联均意识到了在工 业生产中控制电机转速的重要性 所以从上世纪 70 年代起先后投以巨资来研制 可控制电机转速的系统 随着计算机时代的来临 不少科学家意思到利用计算 机控制电机的可行性和便利性 伴随着单片机等更加便利的嵌入式微型控制器 的问世 将直流电机速度控制领域带到了一个新的顶峰 到 90 年代初 美国很 多公司已经从原始的集成晶体管和门电路控制直流电机的转速进化成由单片机 DSP FPGA 等微控制器为主控的智能型 可编程控制型直流电机控制系统 在 新旧世纪交替之际 美国科学家 D H Boliton 等人已经可以实现智能的直流电机 控制 其可以完成现场编程控制进行多个任务 控制电机转速可调在最大速度 以下的任意整数值 并且其所带的博士生们在原有的基础上加入语音控制等设 备 已将直流电机控制系统做到非常先进 非常高端的地步 相比于国外 国内对直流电机的控制系统的重视程度较低 直到20世纪80 年代末才被重视起来 然而我国设计的直流电机控制系统多是照搬国外已有的 成品 很少有属于自己的创新型产品 863计划提出后 要把我国建设成科技强 长 春 大 学 毕业设计 直流电机速度 PID 控制系统设计 纸 共 31 页 第 3 页 装 订 线 国的口号被提出后 人们才逐渐意识到对电机转速控制的研究是多么重要 2003年 由北京航空航天大学主办的国内多个高校参加的 新世纪电子产品 比赛中 由西安电子科技大学研制的基于FPGA控制的直流电机速度控制器备受 世人瞩目 所研制的控制电机转速已经可以实现每十秒误差在1转以下 该转速 控制的精度已经非常之高 随着新世纪的到来 中国的科学技术水平已经逐渐 接近发达国家水平 而在直流电机转速控制这一领域也基本上赶超了部分发达 国家 这标志着国内虽然起步较晚 但我们发展迅速 有很多关键技术已经处 于世界领先水平 1 3 本文主要研究的内容本文主要研究的内容 本文设计了基于单片机的直流电机速度PID控制系统 本系统以ATmega16L 单片机为主控制器 搭载了L298n为电机驱动 通过霍尔元件进行测速 通过按 键控制电机的转动方向和转动速度 并配以温度传感器DS18B20对温度进行监测 通过PID算法调节PWM进行对速度控制 该系统包括的模块主要有单片机为主体 的控制模块 电机的驱动模块 对电机速度进行监测的测速模块 由LCD1602构 成的显示模块 电源模块和按键控制模块等 本系统可以通过PID算法实现可编 程脉宽波形对直流电机的速度进行控制 并且可以显示出当前电机的转速 因此本论文的主要框架包括 第1章的介绍了本课题的研究意义和国内外研究现状 第2章介绍了本课题设计的系统需要具有的功能 和每一个功能实现的设计 方案如何选择的 最后根据所选方案 研究其工作原理 并且最后完成器件的 选型 第3章介绍了本课题设计系统的总体硬件设计 里面含有关于设计的电路图 第4章介绍了系统相关软件的编译和系统总体框图 最后 将对整个论文进行总结描述 并对我在做论