毕业设计（论文）-交流电机转动控制系统设计.doc

本科毕业设计（论文）报告用纸本科毕业设计（论文）报告用纸 编号： 毕业设计毕业设计(论文论文)说明书说明书 题 目： 基于单片机的交流电机基于单片机的交流电机 转动控制系统设计转动控制系统设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 职 称： 讲 师 题目类型 ：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2013 年 05 月 26 日 摘 要 本科毕业设计（论文）报告用纸本科毕业设计（论文）报告用纸 本设计是采用MCU（AT89S52）为核心的价廉、高效的单相异步交流电机调速控制 系统；对电机的调速方法和控制电路进行了分析和设计，完成了小型交流电机的转速 采集、计算、显示。该方法采用先进的过零调功的方式，以功率调节取代常用的电压 调节，通过控制可控硅的通断比来调节电动机输出功率，并将非均匀采样情况下的增 量式积分分离PID控制算法应用于交流电机的调速。在设计中实现了对电机转速的测量， 解决了PID算法的积分饱和问题。 关键词：关键词：调速；PID控制；过零调功；AT89S52 本科毕业设计（论文）报告用纸本科毕业设计（论文）报告用纸 Abstract This design is the use of MCU (AT89S52) as the core of inexpensive, highly efficient Single-phase asynchronous AC motor speed control system; the motor speed control method and control circuit are analyzed and designed, completed the acquisition of small AC motor speed, calculation, display . The method uses advanced Zero transfer function, a successful way to replace the commonly used power regulation with voltage regulation by controlling the thyristor on-off ratio to regulate the motor output power, and the non-uniform sampling points separated incremental PID control algorithm is applied to AC motor speed control. Achieved in the design of motor speed measurement, solving the PID algorithm is integral saturation problem. Keywords：speed control; PID control; Zero transfer function; AT89S52 本科毕业设计（论文）报告用纸本科毕业设计（论文）报告用纸 目目 录录 引言引言 .1 1 设计方案论证 .2 1.1 系统结构方案论证.2 1.2 转速测量方案论证.2 1.3 电机驱动方案论证.3 1.4 键盘显示方案论证.3 2 系统原理框图设计 .4 3 各模块的分析、计算和硬件电路设计 .5 3.1 速度测量电路的设计.5 3.1.1 转速/频率转换电路的设计 .5 3.1.2 脉冲滤波整形电路的设计.5 3.2 电机驱动电路的设计.6 3.2.1 过零检测电路.6 3.2.2 可控硅触发电路.7 3.3 LCD 显示电路与单片机的接口设计 .8 4 系统总程序框图设计 .8 5 系统各部分子功能程序设计 .10 5.1 电机转速测量程序设计.10 5.2 键盘程序设计.11 5.3 LCD 显示子程序设计 .11 6 数字 PID 及其算法改进 .12 6.1 PID 控制基本原理 .12 6.2 三个基本参数 KP、TI、TD在实际控制中的作用研究 .13 6.3 数字 PID 控制算法.14 6.3.1 位置式 PID 算法.14 6.3.2 增量式 PID 算法.15 6.4 PID 算法的改进， “饱和”作用的抑制 .16 6.5 PID 控制算法的单片机程序实现 .18 7 系统的调试过程与测试 .20 7.1 PID 各项系数临街比例法整定 .20 8 结束语 .21 谢 辞 .22 本科毕业设计（论文）报告用纸本科毕业设计（论文）报告用纸 参考文献 .23 附 录 .24 附录 1：系统硬件总图.24 附录 2：系统 PCB .24 附录 3：程序清单.25 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 1 页页 共共 37 页页 1 引言 随着生产的不断发展，速度可调成了传动装置的一项基本要求。目前交流 电机调速技术的研究取得了极大的发展，在调速传动领域交流电机已有取代直 流电机的趋势。在 60 年代之前，交流电机调速常用串级调速，但是这种调速 系统复杂，而且不容易控制。后来晶闸管研制成功，使交流电机调速技术迅速 发展，出现了变频器，通过改变供电电源的频率来调节异步电动机的转速，这 种调速方式可以获得很大的调速范围，很好的调速平滑性和足够的机械特性硬 度，但成本高，控制系统复杂。在分析目前调速方案的基础上，本文提出了一 种可控硅过零调功控制方案。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 2 页页 共共 37 页页 2 1 设计方案论证 根据设计任务，要求调速采用 PID 控制器，因此需要设计一个闭环交流电 机控制系统。该系统使用过零调功调速，使电机速度等于设定值，并且实时显 示电极的转速值。通过对设计功能分解，设计方案论证可以分为：系统结构方 案论证，速度测量方案论证，电机驱动方案论证，键盘显示方案论证。 1.1 系统结构方案论证 方案一：采用一片单片机（AT89S52）控制系统过零检测、速度检测、 LCD 显示、PID 运算、控制运算，并输出控制信号。 方案二：采用两片单片机（AT89S52）,其中一片做成 PID 控制器，专门进 行 PID 运算和控制信号输出；另一片则系统主芯片，完成电机速度的键盘设定、 测量、显示，并向 PID 控制器提供设定值和测量值，设定 PID 控制器的控制速 度等。 方案一的优点是系统硬件简单，结构紧凑，且节省材料和成本，充分利用 单片机。方案二，增加了硬件，增加了调试的难度。通过考虑成本和性价比等 因素，选择方案一。 1.2 转速测量方案论证 理论上，是先将转速转化为某一种电量来测量，如电压，电流等。设计中 将转速测量转化为电脉冲频率的测量。选用光电传感器，如图 1.1；原理如图 1.2 方案一：采用记数的方法。具体是通过单片机记单位时间 S（秒）内的脉 冲数 N，每分钟的转速：M=N/S60。 方案二：采用定时的方法。是通过定时器记录脉冲的周期 T，这样每分钟 的转速：M=60/T。 比较两个方案，方案一增大记数时间可以提高测量精度，但这样做却增大 了速度采样周期，会降低系统控制灵敏度。而方案二所产生的误差主要是标准 图 1.1 观点传感器图 1.2 观点传感器原理 图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 3 页页 共共 37 页页 3 误差，并且使采样时间降到最短。由此明显看出,方案二在测量精度及提高系统 控制灵敏度等方面优于方案一，所以本设计采用方案二。 1.3 电机驱动方案论证 方案一：采用变频器，通过改变供电电源频率来调节异步电动机转速。这 个方案的优点是调速范围大，平滑性好，机械硬度强，但成本较高，控制系统 复杂。 方案二：采用可控硅移相调压调速，由能量守恒原理 U I = F V ，在 外部阻力不变的情况下，改变电压 U 的值，速度 V 也跟着改变，因此只要控 制可控硅导通角调节输出电压就可以达到调速目的，但这种方法要求触发电路 发生相位可变且具有一定幅值的脉冲，而且还要解决触发脉冲与主回路电压之 间的同步问题。 方案三：采用过零调功调速。过零调功通过的工作电压是完整的正弦波形， 过零导通且过零截止。过零调功方式就是通过在给定的时间内改变加进负载的 交流正弦波个数来调节负载功率的一种控制方法。由于可控硅是在电压（电流） 过零时触发导通的，导通时的波形是完整的正弦波或半波，所以不存在可控硅 移相调压方式所存在的一切缺点。同时也由于可控硅是在电压过零时导通，其 负载浪涌电流和电流变化率都很小，有利于可控硅的安全工作。 通过比较和对市场、成本等因素的考虑，本设计采用方案三。 1.4 键盘显示方案论证 方案一：采用 44 键盘，可直接输入设定值。显示部分使用 4 位数码管， 优点是显示亮度大，缺点是功耗大，不符合智能化趋势而且不美观。 方案二：使用 4 个按键，进行逐位设置。显示部分是使用支持中文显示的 LCD，优点是美观大方，有利于人与系统的交互，及显示内容的扩展；缺点是 成本高，抗干扰能力教差。 为了系统容易扩展、操作以及美观，本设计完全采用方案二。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 4 页页 共共 37 页页 4 单片机（速 度的测量计 算、输入设 定及系统控 制） 单片机（PID 运算控制器、 控制信号发生器） 电机 速度采集电路 电机驱动电路 键 盘 显示器 2 系统原理框图设计 系统原理框图如图 2.1 所示，是一个带键盘输入和显示的闭环测量控制系 统。主体思想是通过系统设定信息和测量反馈信息计算输出控制信息。 图 2.1 系统原理框图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 5 页页 共共 37 页页 5 3 各模块的分析、计算和硬件电路设计 3.1 速度测量电路的设计 3.1.1 转速/频率转换电路的设计 理论上，是先将转速转化为某一种电量来测量，如电压，电流等。设计中 将转速测量转化为电脉冲频率的测量。基于这一思想，可以采用一对霍尔感应 传感器，使输出信号的一只在转轮一侧固定，另一只则粘在对应位置的转轮上， 这样，电机每转一圈，传感器将会输出一个脉冲，然后将脉冲放大、整形后即 可通过单片机测量其频率求出转速。实际实验中，由于市场采购原因，暂用三 极管输出型红外光电耦合器代替霍尔传感器。如图 3.1 所示，在电机转轮一处 开孔，这样，每转一圈，三级管（红外接收头）透光导通一次，OUT 端输出一 个上脉冲，即完成了转速频率的转换。 图 3.1 转速/频率转化电路 3.1.2 脉冲滤波整形电路的设计 J10 引脚 1 和引脚 2 接发光二极管，引脚 1 和引脚 3 接光敏电阻，R7 控制 二极管发光强度，R8、R9 起到分压作用，控制电压，R6 控制放大倍数。经过 尝试，R7 选择 1K 电阻，R8、R9 分别选择 89K 和 43K，R6 选择 3.6K。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 6 页页 共共 37 页页 6 3.2 电机驱动电路的设计 3.2.1 过零检测电路 过零检测电路的最终目标是实现在 50HZ 的交流电压通过零点时取出其脉 冲。由于可控硅过零调功方式是通过控制可控硅导通与关断的比值来调节输出 功率，相位和移相触发的同步脉冲问题都不必考虑，因此输出的脉冲宽度可以 放宽，这也使得电路更易实现。设计中利用两个光电耦合器实现过零电路。其 电路原理图及波形如图 3.3 所示。此电路的工作原理是：交流电源经 R12 加到 两个反并联光电二极管上，在交流电源的正、负半周，二极管1 d 和2 d 轮流导 通，从而使 T1 和 T2 也轮流导通，在导通期间 V0 输出低电平，只有在交流电源 过零的瞬间，两个二极管均截止，V0 输出高电平，因此 V0 端得到周期为 10ms 的脉冲信号，该信号送至 89s52 的 INT0 引脚。 图 3.1 脉冲滤波整形电路 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 7 页页 共共 37 页页 7 图 3.3 过零检测电路及其波形 3.2.2 可控硅触发电路 电路中采用了过零双向可控硅型光耦 MOC3041，它集光电隔离、过零检测、 过零触发等功能于一身，避免了输入输出通道同时控制双向可控硅触发的缺陷， 大大简化了输出通道隔离-驱动电路的结构。可控硅触发电路原理图如图 3.4 所 示。 图 3.4 可控硅过零调功原理图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 8 页页 共共 37 页页 8 此电路的工作原理是：单片机响应用户的参数设置，在 I/O 口输出一个高 电平，经反向器反向后，送出一个低电平，使光电耦合器导通，同时触发双向 可控硅，使工作电路导通工作。 在给定时间内，负载得到的功率可用下式表示： （3-1）UI N n P 式中 P 负载得到的功率； n 给定时间内可控硅导通的正弦波个数； N 给定时间内交流正弦波的总个数； U 可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电压有效值； I 可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电流有效值。 由上式可知，U ， I ， N 是定值，只要改变 n 值的大小即可控制功率 的输出，从而达到调节电机转速的目的。 3.3 LCD 显示电路与单片机的接口设计 设计中采用的 LCD1602 是一种用 5x7 点阵图形来显示字符的液 晶显示器，根据显示的容量可以分为 1 行 16 个字、2 行 16 个字、2 行 20 个字等等与外部 CPU 接口采用并行或串行方式控制。本设计采用并行方式 控制，LCD 与单片 机的通讯接口电路如 图 3.5 所示采用直连 的方法，这样设计的 优点是在不影响性能 的条件下还不用添加 其它硬件，简化了电 路，降低了成本。 图 3.5 LCD 显示电路与单片机的接口 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 9 页页 共共 37 页页 9 4 系统总程序框图设计 系统程序程序框图如图 4.1 所示，概述了程序的总体结构和工作过程。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 10 页页 共共 37 页页 10 5 系统各部分子功能程序设计 5.1 电机转速测量程序设计 设计中考虑到电机的工作环境一般比较恶劣，因此除了硬件外，从程序上 除了要更高的精确度也需要进行更多的抗干扰设计，从而实现软件的大范围检 错、纠错或丢弃错误等。在程序的设计过程中，对严重不符合要求的测量数据 否 为 “0” 为 “1” 否 否 是 是 否 是 进入中断 检测中断标志 开定时器记时 设中断标志为“1” 系统时间初始化 中断返回 关闭定时器及总中断 判断数据是否正常 保存数据 是否“采 5”处理？ 说明：当电机转速过低时， 如果进行采 3 取 5 处理将 会使控制速度太低，同时 低速状态的错误发生几率 较小，所以不采用采 5 取 3 求平均处理。 完成 5 组数据采集？ “取 3“求平均处理 计算速度值 速度值是否正常？ 发送速度值到 PID 控制器 系统时间初始化 定时器初值初始化 中断返回 图 5.1 外中断 0 服务子程序框图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 11 页页 共共 37 页页 11 进行了丢弃处理，而对于正常范围内的数据错误采用了采 5 取 3 求平均的算法 （即采集 5 个数据，去掉 一个最大值一个最小值，然后将剩余 3 数据求平均） 。 实验表明，此方法降低了系统采集转速中出现的错误。对于转速的测量方法， 是通过速度脉冲信号下降沿触发单片机的外中断，中断服务子程序在某一个脉 冲的下降沿开启定时器记时，然后在下一个下降沿关闭定时器，通过对定时器 数据进行运算处理可以得到信号周期进而得到速度值。其程序框图如图 5.1。可 以看出，此方法下的采样周期是随转速变化的，转速越高采样越快。通过这种 非均匀的速度采样方式可以使电机在高速情况下，实现高速度高精度的控制。 5.2 键盘程序设计 键盘程序设计的任务是赋予各按键相应的功能，完成速度设定值的输入和 向 PID 控制器的发送。4 只按键一只用来位循环选择，告诉单片机要调整的是 设定值的个位、十位、百位还是千位。第二、三只按键分别是减 1、加 1 减。 在没有位选择的情况下对设定值整体进行减 1、加 1；在有位选择的情况下仅对 相应位进行减 1、加 1，并且当按着不释放按键时可以实现快速连续减 1、加 1，同时允许循环减、加（既当某位为 0 时，在减 1 则为 9，某位为 9 时，加 1 则为 0） 。最后一只按键是确认发送键，按下它后，单片机将设定值送给 PID 控 制器，从而实现设定控制。程序框图如图 5.2。 5.3 LCD 显示子程序设计 LCD 的详细使用过程可参阅对应型号的使用手册。仅在本小节强调以下内 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 12 页页 共共 37 页页 12 容：LCD 使用的关键是根据显示需要正确地对其进行初始化设置，而一般情况 下不用考虑如何向它读写指令或数据，因为制造厂商所给的使用资料里就附有 驱动程序，如果没有也可以从网上搜索下载得到。然而我们必须清楚那些初始 化设置之间的关系，以及它是如何利用设置读取、显示数据字符的，不然就会 发生一些不可预料的错误。因此，熟读 LCD 驱动芯片使用手册也是一个关键环 节。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 13 页页 共共 37 页页 13 6 数字 PID 及其算法改进 6.1 PID 控制基本原理 PID 控制即比例（Proportional） 、积分（Integrating） 、微分 （Differentiation）控制。在 PID 控制系统中，完成 PID 控制规律的部分称为 PID 控制器。它是一种线形控制器，用输出 y(t)和给定量 r(t)之间的误差的时间 函数 e(t)=r(t)-y(t). PID 控制器框图如图 6.1。实际应用中，可以根据受控对象的 特性和控制的性能要求，灵活地采用不同的控制组合，如： 图 6.1 PID 控制算法框图 比例（P）控制器： （6-1） teK p * 比例积分（PI）控制器： （6-2） dtte T Kt i p 0 比例积分微分（PID）控制器： （6-3） dt tde TK dp * 式中，Kp 为比例运算放大系数，Ti 为积分时间，Td为微分时间。 6.2 三个基本参数 Kp、Ti、Td 在实际控制中的作用研究 通过使用 MATLAB 软件中 SIMULINK 的系统仿真功能对 PID 算法进行仿 真，现将结果作以下概括。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 14 页页 共共 37 页页 14 比例调节作用：是按比例反映系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调 节立即产生调节作用用以减少偏差，属于“即时”型调节控制。比例作用大， 可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降甚至造成系 统的不稳定。 积分调节作用：使系统消除静态误差，提高无误差度。因为有误差，积分 调节就进行，直至无误差，积分调节停止，积分调节输出一常值，属于“历史 积累”型调节控制。积分作用的强弱取决与积分时间常数 Ti，Ti 越小，积分作 用就越强。反之 Ti 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态 响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成 PI 调节器或 PID 调节器。 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预 见偏差的变化趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，以 被微分调节作用消除，因此属于“超前或未来”型调节控制。因此，可以改善 系统的动态性能。在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时 间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰 不利。此外，微分反映的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。 微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成 PD 或 PID 控 制器。 6.3 数字 PID 控制算法 数字 PID 控制算法可分为位置式 PID 和曾量式 PID 控制算法。 6.3.1 位置式 PID 算法 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量， 而不像模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制。由于这一特点式（6-4） 中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法 为：以 T 作为采样周期，k 作为采样序号，则离散采样时间 Tk 对应着采样时间 t，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，可做如下 近似变换： （6-4） T ee T TkekTe dt tde eTjTeTdtte kkTt kk t k j k j j 1 0 00 1 .2 , 1 , 0 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 15 页页 共共 37 页页 15 上式中，为了表示方便，将类似于 e（Tk）简化成 ek 等。 由上式可得离散的 PID 表达式为： （6-5） k j kk dj i kpk T ee Te T T eKu 0 1 或 （6-6） 1 0 * kkd k j jikpk eeKeKeKu 其中 K 采样序号，k0，1，2，; Uk 第 k 次采样时刻的计算机输出值; Ek 第 k 次采样时刻输入的偏差值; Ek-1 第k1 次采样时刻输入的偏差值; Ki 积分系数，; Kd 微分系数，; 如果采样周期足够小，则式（65）或式（66）的近似计算可以获得足 够精确的结果，离散控制过程与连续过程十分接近。 式（65）或式（66）表示的控制算法式直接按之前所给出的 PID 控制 规律定义进行计算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或 位置式 PID 控制算法。 这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计 算时要对 ek 进行累加，工作量大；并且，因为计算机输出的 uk 对应的是执行 机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的 uk 将大幅度变化，会引起执行 机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故，这在实生产际中是不允 许的。 增量式 PID 控制算法可以避免着重现象发生。 6.3.2 增量式 PID 算法 所谓增量式 PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量u。当执行机构 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 16 页页 共共 37 页页 16 需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式 PID 控制 算法进行控制。 增量式 PID 控制算法可以通过式（65）推导出。由式（65）可以得到 控制器的第 k1 个采样时刻的输出值为： （6-7） T ee Te T T eKu kk d k j j i kpk 21 1 0 11 将式（65）与式（67）相减并整理，就可以得到增量式 PID 控制算法 公式为： （6-8） 21 21 21 11 2 11 2 kkk k d pk d pk d i p kkk dk i kkpkkk CeBeAe e T T Ke T T Ke T T T T K T eee Te T T eeKuuu 其中 . ; 2 1 ;1 T T KC T T KB T T T T KA d p d p d i p 由式（68）可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一 旦确定 A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由式（68）求出 控制量。 增量式 PID 控制算法与位置式 PID 算法式（65）相比，计算量小的多， 因此在实际中得到广泛的应用。 而位置式 PID 控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式： （6-9） kkk uuu 1 式（69）就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推 PID 控制算法。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 17 页页 共共 37 页页 17 6.4 PID 算法的改进， “饱和”作用的抑制 抑制 PID 算法的“饱和”作用，通常有两种方法。一种算法是遇限削弱积 分法，其基本思想是：一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算 而停止进行增大积分项的运算。具体地说，在计算 u（k）时，将判断上一时刻 的控制量 u（k）是否已超出限制范围，如果已超出，那么将根据偏差的符号， 判断系统输出是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项。 另一种算法是积分分离法。减小积分饱和的关键在于不能使积分项累积过 大。第一种修正方法是一开始就积分，但进入限制范围后即停止累积。后者介 绍的积分分离法正好与其 相反，它在开始时不进行积分，直到偏差达到一定的 阀值后才进行积分累计，算法流程图见图 6.5。图中，A，B，C 分别代表 q0,q1,q2。这样，一方面防止了一开始有过大的控制量，另一方面即使进入饱和 后，因积分累积小，也能较快退出，减少了超调。 由于本系统的控制对象是一个具有惯性或称其为滞后特性的直流电机，一 方面要求控制要尽可能高的反映速度，另一方面也要尽可能减少超调。因此， 积分分离法比较适合本系统。 综合上面关于 PID 算法的研究，已经得出一个针对本系统的 PID 算法 “增量式积分分离 PID 控制算法” 。在此控制算法中，误差较大时采用的是 PD 算法控制。 在 PID 控制器的实现过程中，发现不同的电机除了惯性不同外，还有一 个参数不容忽略，那就是电机在转动过程中的摩擦力。由于摩擦力总是阻碍电 机转动，所以相当于额外的给控制量对应的电动机转矩加了一不定量的负转矩。 如果 PID 的输出的控制增量对应的转矩为正，则会抵消一部分增量，但如果 PID 输出的控制增量对应的转矩为负，则会助长这一增量。如此以来，如果电 机在加速过程中使用和减速过程中同样的 PID 参数，就有可能出现加速欠条， 减速超调的情况。实验中，也证明了这一分析的正确性。 解决这一问题的方法 是利用微分项的校正作用，在电机加速状态，和减速状态采用不同的微分系数， 即在不同的时段采用不同的微分系数,其中加速时微分系数为 Kd1,减速时微分系 数为 Kd2。这样系统的控制算法就成为“变系数增量式积分分离控制算法”了， 可以通过设定参数得到更佳的校正作用。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 18 页页 共共 37 页页 18 图 6.2 增量式积分分离 PID 算法流程图 6.5 PID 控制算法的单片机程序实现 要编写一个已知算法的单片机程序，首先要考虑的就是数据的结构和存储 方式了。因为它直接影响到系统的控制精度，以及 PID 算法的实现质量。本系 统之所以专门采用一片单片来实现 PID 算法，就是因为从一开始的设计思路就 是尽可能高的提高系统的控制精度。要提高系统的控制精度，在计算过程中仅 取整数或定点小数是不够的，所以本设计采用三字节浮点数运算。对于 AT89S52 单片机而言，有足够的内存去存储和处理这些数据。另外，为了使程 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 19 页页 共共 37 页页 19 序的参数修改方便，更易于应用到其他 PID 控制系统中去，在一开始的参数赋 值程序中，参数是以十进制 BCD 码浮点数存储的，参数赋值完成后，紧接着就 是对参数进行二进制浮点数的归一化处理，以及复合参数 q0,q1,q2等的计算。这 些工作在系统启动后迅速就完成了，之后 PID 控制器只进行 PID 核心控制算法 的计算。PID 算法的程序框图如图 6.2 所示算法。由于本系统采用的是单级单 向调速， 所以当 PID 控制算法的输出结果 u（k）为负数时就将其清另零了， 当大于系统饱和值时，赋值 u(k)为饱和值。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 20 页页 共共 37 页页 20 7 系统的调试过程与测试 7.1 PID 各项系数临街比例法整定 在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节 器的比例系数，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例系数称为临界比例系数 Ku，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期Tu。 临界比例度法步骤： 1、将调节器的积分时间Ti置于最大（Ti=），微分时间置零（Td=0）， 比例系数Kp适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。 2、将比例系数Kp逐渐增大，得到等幅振荡过程，记下临界比例系数Ku 和临界振荡周期Tu值。 3、根据Ku和Tu值，采用经验公式，计算出调节器各个参数，即Kp、Ti 和Td的值。 按“先 P 再 I 最后 D”的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。若还不够 满意，可再作进一步调整。 临界比例度法整定注意事项： 有的过程控制系统，临界比例系数很大，使系统接近两式控制，调节阀不 是全关就是全开，对工业生产不利。 有的过程控制系统，当调节器比例系数Kp调到最大刻度值时，系统仍不产 生等幅振荡，对此，就把最大刻度的比例度作为临界比例度Ku进行调节器参数 整定。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 21 页页 共共 37 页页 21 8 结束语 本文对电机调速方法作了分析和研究，提出了以可控硅过零调功方式实现 调速的控制方案，详细阐述了可控硅过零控制的硬件电路设计及软件实现方法， 本文作者创新点在于使用过零调功方式实现了交流电机调速。在所采用的可控 硅过零调功方式实现调速的方法中，对于可控硅的过零触发与主回路的控制是 由软硬件协同完成的，而且软件承担了主要的控制任务，简化了硬件设计，降 低了成本，可应用于需要进行电机调速控制的不同场合。 注：鉴于排版问题，文中部分软件系统原理框图采用在其他文档画出原理 图，截图的方式给出。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 22 页页 共共 37 页页 22 谢 辞 感谢刘东东老师在我们学习过程中给予的大量指导和帮助。 特别感谢黄知超老师和王斌老师以他们深厚的理论基础、精湛的教学方法 和殷切的教学态度使我们在大学生活中学到了终身受用的知识。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 23 页页 共共 37 页页 23 参考文献 1 徐薇莉,曹柱中.控制理论与设计M 上海交大出版社,2003.74-82. 2 王兆安,黄俊.电力电子技术M 机械工业出版社,2000.15-21. 3 陈伯时.电力拖动自动控制系统M 机械工业出版社,2003.158-217. 4 于长官.现代控制理论M 哈尔滨工业大学出版社,2005.67-90. 5 先锋工作室.单片机程序设计实例M 清华大学出版社,2003.104-110. 6 谢世杰,陈生潭,楼顺天.数字 PID 算法在电机控制器中的应用J.万方数据库, 2004.1,1-3. 7 郭前岗 李耀华 孟彦京现代交流传动系统调速技术综述J.微计算机信息， 2004，20(11):7476. 8 苟加志，包明.浅谈电机调速技术J.渝州大学学报,2001,18(3): 7275. 9 解永勃，孙茂权，裴巍.过零触发比例选控电路的设计与分析J.首都师范大学学报, 1995,16(4): 4044. 10 李勋，林广艳，卢景山单片微型计算机M北京航空航天大学出版社，1998. 11 史玉升，何传俊.交流电动机自动节能与保护微机控制系统的设计Z. 工业仪表与 自动化装置,1995,(2):2832. 12 娄小珍，姚望科.采用单片微机为主机的沥青加热温度测控系统Z. 筑路机械与施 工机械化,1996,13(65):1920. 13 樊月珍，江发潮. 基于 AT89C51 的交流电机调速控制系统设计J. 微计算机信息, 2009(8): 103-104. 14 朱惠明, 张爱武, 高洪霞. 基于单片机的直流伺服电机转速控制实验系统J. 山东 建材学院学报, 1999,(02):169-171. 15 何希才，薛永毅编著.传感器及其应用实例M.北京：机械工业出版社，2004. 16 蒋萌辉.基于单片机测控系统抗干扰的硬件设计J.微计算机信息，2004，2:35-36. 17 王佩珠.电路与模拟电子技术M.南京：南京大学出版社，2001. 18 武庆生，仇梅.MCS 系列单片机及接口实用教程M.电子科技大学出版社,1997. 19 张玉艳，宁帆.数字电路与逻辑设计M.北京：人民邮电出版社，2003. 20 于洪洲，程建.51 系列单片机软件抗干扰设计J. 集成电路通讯,25(2):16-18. 21 周明德.微型计算机系统原理及应用M.北京：清华大学出版社，2002. 22 David E. 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