2022年基于数字PID的电机速度控制系统设计_课程设计任务书.docx

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1、精品学习资源学 院同学姓名课程设计题目专 业班级学号基于数字 PID 地电机速度掌握系统设计实践教案要求与任务 :1） 构成电机速度掌握系统2） 硬软件设计3） 试验调试4） THFCS-1 现场总线掌握系统试验5） 撰写试验报告工作方案与进度支配 :1） 第 1 2 天，查阅文献，构成电机速度掌握系统2） 第 3 4 天，硬软件设计3） 第 5 6，试验调试4） 第 7 9 天， THFCS-1 现场总线掌握系统试验5） 第 10 天，撰写试验报告指导老师：专业负责人：学院教案副院长：201 年 月 日201年 月 日201年 月 日课程设计任务书目录欢迎下载精品学习资源1 电机硬件掌握电路

2、11.1 硬件电路器件选型11.2 硬件电路设计方案11.3 硬件电路地 PCB 设计32 PID 掌握算法52.1 比例、积分、微分掌握52.2 PID 掌握器地参数整定63 基于数字 PID 掌握程序地设计63.1 数字 PID 与模拟 PID 掌握算法63.2 数字 PID 掌握程序74 总 结7附录8参考文献11欢迎下载精品学习资源摘 要在工程实际中，应用最为广泛地调剂器掌握规律为比例、积分、微分掌握，简称PID掌握，又称PID 调剂 .PID 掌握器问世至今已有近70 年历史，它以其结构简洁、稳固性好、工作牢靠、调整便利而成为工业掌握地主要技术之一.当被控对象地结构和参数不能完全把握

3、，或得不到精确地数学模型时，掌握理论地其它技术难以采纳时，系统掌握器地结构和参数必需依靠体会和现场调试来确定，这时应用PID 掌握技术最为便利.即当我们不完全明白一个系统和被控对象，或不能通过有效地测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 掌握技术 .PID 掌握，实际中也有PI 和 PD 掌握 .PID 掌握器就是依据系统地误差，利用比例、积分、微分运算出掌握量进行掌握地.PID 掌握算法分为模拟PID 和数字 PID 两种. 模拟 PID 就是在现场安装地利用DDZII 或者 DDZIII型表再加上其他气动外表地模块，对现场掌握变量地模拟信号利用旋钮或拨盘对PID 地三个值进行设定对或者手

4、动掌握输出地系统，其信号均为模拟信号.数字 PID 就是把现场地掌握变量地模拟信号和对现场受控变量地输出信号均转换成了数字信号， PID 地实现也是通过数字信号地设定来完成地.现在大多在DCS 、PLC 系统内完成地 .本设计是基于数字PID 地电机调速运算机掌握系统地设计，针对不同地电机对其PID掌握参数进行相应地整定从而使电机工作以更高地效率、更好地调速性能工作！ 关键词：系统参数；数字PID ；运算机掌握系统欢迎下载精品学习资源1 电机硬件掌握电路1.1 硬件电路器件选型电机驱动电路地开关器件挑选英飞凌公司地BTS7960.BTS7960 是 NovalithIC家族三个独立地芯片地一部

5、分 :一是 p 型通道地高电 位场效应晶体管，二是一个 n 型通道地低电位场效应晶体管，结合一个驱动晶片 , 形成一个完全整合地高电流半桥.全部三个芯片是安装在一个共同地引线框 ,利 用芯片对芯片和芯片芯片技术. 电源开关应用垂直场效应管技术来确保正确地阻态.由于 p 型通道地高电位开关，需要一个电荷泵排除电磁干扰.通过驱动集成 技术，规律电平输入、电流取样诊断、转换速率调整器，失效发生时间、防止欠电压、过电流、短路结构轻易地连接到一个微处理器上.BTS7960 可结合其他地BTS7960 形成全桥和三相驱动结构 .1.2 硬件电路设计方案电机掌握从掌握方法上可以分为开环掌握和闭环掌握两种.

6、开环掌握在用法上比较简洁，只需考虑输出，不需要反馈信号，使用上比较简洁，但是其缺点是速度掌握地精度比较低，不能适应不同地赛道环境.另外一种为闭环掌握，电机地速度掌握信号输出由需要地速度和电机地实际转速二者打算，即需要对电机地实际转速进行采集和反馈.这种做法地好处是掌握精度比较高，电机调速性能比较抱负.通常情形下地电机转速地闭环掌握，是通过软件地自动掌握算法实现地，需要将电机地转速反馈给S12，通过软件上地自动掌握算法，由需要地速度同实际地速度地偏差，给出订正值，达到对速度地稳固掌握.但是这样一来将会增加S12 地负担 .而我们地智能车利用CCD 进行识别，使微掌握器更多地关注图像地采集及处理是

7、我们设计时始终留意地问题.因此我们在电机驱动电路上下了很大地功夫，最终确定了一种硬件地闭环掌握方案.这种方案使用了光电编码器或测速发电机完成电机速度信号地采集.测速发电机输出地电压大小表征了电机地实际转速.这一电压同 S12 输出地 PWM 信号地积分值进行比较，由它们地偏差掌握电机该加速仍是减速.在电机驱动上，我们用MOS 管作为分立元件搭建了H 桥驱动电路，如图1.1 所示,简化 H 桥驱动电路如图1.2 所示 .通过规律设计，可以让电机处于多种模式下工作，经过在赛道上对赛车进行试验，电机地加减速成效很好，完全可以满意赛车对不同赛道加减速地要求，可以达到对电机地调速掌握要求.电机地工作模式

8、如表1 所示 .欢迎下载精品学习资源图 1.1 驱动电路原理图欢迎下载精品学习资源HIN1nLIN1HIN2nLIN2PWMHLLLnPWMHHPWMPWMLLnPWMnPWMHHPWMPWMnPWMnPWMnPWMnPWMPWMPWMHHLLLLLLLHLH图 1.2 H 桥电机驱动电路表 1 电机工作模式模式 nENABLE = 0:0, 自由正转模式1, 自由反转模式2, 带制动地正转模式3, 带制动地反转模式4, 双极驱动地正转模式5, 双极驱动地反转模式6, 全速前进7, 停止 刹车 nENABLE = 11.3 硬件电路地 PCB设计欢迎下载精品学习资源图 1.3 驱动电路 PCB

9、图 1.4 驱动电路 PCB欢迎下载精品学习资源2 PID 掌握算法2.1 比例、积分、微分掌握PID 掌握器由比例单元（ P）、积分单元（ I）和微分单元（ D）组成 .其输入et）与输出 ut ）地关系为：ut=kpet+1/TI etdt+TD*det/dt式中积分地上下限分别是0 和 t. 因此它地传递函数为： Gs=Us/Es=kp1+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 .图 1.1 PID 掌握地方块图比例（ P）掌握 .比例掌握是一种最简洁地掌握方式.其掌握器地输出与输入误差信号成 比例关系 .当仅有比例掌握时系统输出存在稳

10、态误差.积分（ I ）掌握 .在积分掌握中，掌握器地输出与输入误差信号地积分成正比关系.对一个自动掌握系统，假如在进入稳态后存在稳态误差，就称这个掌握系统是有稳态误差地或简称有差系统（ System withSteady-state Error） .为了排除稳态误差，在掌握器中必需引入“积分项 ”积.分项对误差取决于时间地积分，随着时间地增加，积分项会增大.这样，即便误差很小，积分项也会随着时间地增加而加大，它推动掌握器地输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零 .因此，比例 +积分（ PI）掌握器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差.微分（ D ）掌握 .在微分掌握中，掌握器地输出与输入误差信

11、号地微分（即误差地变化率）成正比关系 .自动掌握系统在克服误差地调剂过程中可能会显现振荡甚至失稳.其缘由是欢迎下载精品学习资源由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差地作用，其变化 总是落后于误差地变化. 解决地方法是使抑制误差地作用地变化“超前 ”，即在误差接近零时，抑制误差地作用就应当是零.这就是说，在掌握器中仅引入“比例 ”项往往是不够地，比例项地作用仅是放大误差地幅值，而目前需要增加地是“微分项 ”，它能猜测误差变化地趋势，这样，具有比例+微分地掌握器，就能够提前使抑制误差地掌握作用等于零，甚至为负值，从而防止了被控量地严峻超调. 所以对有较大惯性或滞后地

12、被控对象，比例+微分（PD ）掌握器能改善系统在调剂过程中地动态特性.2.2 PID掌握器地参数整定PID 掌握器地参数整定是掌握系统地核心内容.它是依据被控过程地特性确定PID 掌握器地比例系数、积分时间和微分时间地大小.PID 掌握器参数整定地方法许多，概括起来有两大类：一是理论运算整定法.它主要是依据系统地数学模型，经过理论运算确定掌握器参数.这种方法所得到地运算数据未必可以直接用，仍必需通过工程实际进行调整和修改.二是工程整定方法，它主要依靠工程体会，直接在掌握系统地试验中进行，且方法简洁、易于把握，在工程实际中被广泛采纳.PID 掌握器参数地工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法

13、和衰减法.两种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后依据工程对体会公式掌握器参数进行整定.但无论采纳哪一种方法所得到地掌握器参数，都需要在实际运行中进行最终调整与完善.现在一般采纳地是临界比例法.利用该方法进行 PID 掌握器参数地整定步骤如下：（1） 第一预挑选一个足够短地采样周期让系统工作；（2） 仅加入比例掌握环节，直到系统对输入地阶跃响应显现临界振荡，登记这时地比例放大系数和临界振荡周期；（3）在肯定地掌握度下通过公式运算得到PID 掌握器地参数 .本设计采纳体会估量与实际调试情形相结合地方法测得本设计电机地P、I、 D 合适地参数为 10.0,15.0,5.0.3 基于数字 PI

14、D 掌握程序地设计3.1 数字 PID 与模拟 PID 掌握算法欢迎下载精品学习资源模拟 PID 就是在现场安装地利用DDZII或者 DDZIII型表再加上其他气动外表地模 块，对现场掌握变量地模拟信号利用旋钮或拨盘对PID 地三个值进行设定对或者手动掌握输出地系统，其信号均为模拟信号. 数字 PID 就是把现场地掌握变量地模拟信号和对现场受控变量地输出信号均转换成了数字信号， PID 地实现也是通过数字信号地设定来完成地.3.2 数字 PID 掌握程序本设计采纳增量运算位置输出地PID 掌握算法，位置式PID 掌握地输出与整个过去地状态有关，用到了误差地累加值；而增量式PID 地输出只与当前

15、拍和前两拍地误差有关， 因此位置式PID 掌握地累积误差相对更大；增量式PID 掌握输出地是掌握量增量，并无积分作用，因此该方法适用于执行机构带积分部件地对象，如步进电机等，而位置式PID 适用于执行机构不带积分部件地对象，如电液伺服阀.由于增量式 PID 输出地是掌握量增量， 假如运算机显现故障，误动作影响较小，而执行机构本身有记忆功能，可仍保持原位，不会严峻影响系统地工作，而位置式地输出直接对应对象地输出，因此对系统影响较大.本设计地掌握程序如下：MOTOR_P = int Kp*MOTOR_ER-MOTOR_ER1 ；MOTOR_I = int Ki*MOTOR_ER ；MOTOR_D

16、= int Kd*MOTOR_ER-2*MOTOR_ER1+MOTOR_ER2 ；MOTOR_OUT = MOTOR_OUT + MOTOR_P + MOTOR_I + MOTOR_D；式 中 MOTOR_ER是编码 器 采 集地 速 度 与 电机 设 定 速 度只 差 ， MOTOR_ER1和MOTOR_ER2是前两个采样周期采集地误差，MOTOR_P 、MOTOR_I 、MOTOR_D分别是PID 掌握算法地 P 项、 I 项、 D 项， MOTOR_OUT是电机输出值 .4 总 结电机调速在工业现场中有很广泛地应用，而要建立电机调速系统地精确数学模型是很困难地，其他基于精确数学模型地掌握

17、算法在这里有肯定地局限性，通过本次设计，所以这里实行工业现场应用最为广泛地PID 掌握算法 .通过这次设计让我对P、I 、D 在掌握电机性能方面有了更进一步地懂得，也让我感觉到了自己所学学问地不全面和对细节把握地不精确 .让我去补偿了许多以前不怎么在意地细节.通过这次设计，让我看到基础是一切后续学欢迎下载精品学习资源习地基本保证，要在把握基础理论地学问同时积极结合实际以达到学以致用地目地！附录掌握器采纳飞思卡尔半导体公司MC9S12XS128 系列地 16 位掌握芯片，基于数字PID地电机调速掌握系统地掌握程序如下：#include #include #includeLQEEPROM.h #i

18、nclude system.h#pragma LINK_INFO DERIVATIVE mc9s12xs128 int D_speed,W_speed,L_speed,Speed_Set；欢迎下载精品学习资源int MOTOR_ER,MOTOR_ER1,MOTOR_ER2,MOTOR_OUT,MOTOR_P,MOTOR_I,MOTOR_D,Kp=10,Ki=15,Kd=5；int key_temp ；void mott_ctrvoid/PWMDTY01电机反转/PWMDTY23电机正转MOTOR_ER = Speed_Set - Pulse_count ；MOTOR_P = int Kp*MO

19、TOR_ER-MOTOR_ER1 ；MOTOR_I = int Ki*MOTOR_ER ；MOTOR_D = int Kd*MOTOR_ER-2*MOTOR_ER1+MOTOR_ER2 ；MOTOR_OUT = MOTOR_OUT + MOTOR_P + MOTOR_I + MOTOR_D；ifstop_flag=1 MOTOR_OUT=0；ifMOTOR_OUT=0ifMOTOR_OUT=8000 MOTOR_OUT=8000；PWMDTY23 = MOTOR_OUT；PWMDTY01 = 0 ；elseifMOTOR_OUT=-8000 MOTOR_OUT = -8000；PWMDTY01

20、 = -MOTOR_OUT；PWMDTY23 = 0；MOTOR_ER2 = MOTOR_ER1；MOTOR_ER1 = MOTOR_ER；void mode_selectvoidunsigned char key_temp ；key_temp = Mode_Get ；欢迎下载精品学习资源PORTB = PORTB - key_temp ；switch key_tempcase 0:D_speed=85；W_speed=67；L_speed=64 ；break；case 1:D_speed=90；W_speed=70；L_speed=71 ；break；case 2:D_speed=95；W_

21、speed=70；L_speed=67 ；break；case 3:D_speed=90；W_speed=75；L_speed=71 ；break；default : break；void mainvoidDisableInterrupts ；PLL_Init ；欢迎下载精品学习资源PWM_Init ；IC_Init ；Pulse_accumulator_Init ；PIT_Timer_Init ；PORT_Init ；EnableInterrupts ；mode_select； for ； _FEED_COP ；PITCFLMT_PITE = 0；PWMDTY23 = 0 ；PWMDTY01 = 0 ；mott_ctr ；TFLG1_C1F=1 ；TIE_C1I = 1 ；参考文献1 吴晔，张阳，腾勤. 基于 HCS12 地嵌入式系统设计. 北京：电子工业出版社，2021.2 陈伯时主编 . 电力拖动自动掌握系统. 第 2 版. 北京：机械工业出版社，2003.3 谢宜仁主编 . 单片机有用技术问答 M. 北京：人民邮电出版社，2003-02.4 有用电子电路设计制作300 例M. 北京：中国电力出版社，2005-01.欢迎下载