直流电机pid调节系统设计【字数：16128】
本系统为单闭环控制系统，以LabVIEW作为上位机、STC90系列的单片机为控制器、通过数字式PID算法进行数据的处理，完成对直流电机速度的控制。通过电机旋转过程中对传感器光路的周期性阻隔间接测得电机实际转速并反馈到单片机中，与上位机的期望转速作差后进行PID算法的处理并作为控制器新的输出。控制器输出当前的控制数据传递给驱动电路，实现电机的调速。上位机的人机交互界面能够实现电机的启停、加减速、速度的设定，并且能够实时显示当前电机的转动状态以及电机调速的过程。
目录
1.引言 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2课题研究的现状与趋势 1
1.3课题研究的主要内容及论文组织结构 2
2.直流电机及其控制原理介绍 3
2.1直流电动机介绍 3
2.2直流电动机转速控制方案 3
2.3 PWM控制技术 4
3.PID控制算法介绍 5
3.1模拟PID算法 5
3.2数字PID算法 5
3.3 PID算法整定 6
4.总体规划 8
4.1系统实现的基本功能 8
4.2系统总体方案设计 8
4.3方案论证 9
4.3.1控制器选择 9
4.3.2电机驱动方式 9
4.3.3电机测速传感器 9
4.3.4串口通信方式 10
5.系统硬件设计 11
5.1单片机最小系统 11
5.2 L298N驱动模块 12
5.2.1 L298N芯片介绍 12
5.2.2驱动模块设计 13
5.3测速模块 14
5.4通信模块 14
6.系统软件设计 15
6.1单片机程序分析 15
6.1.1 PID算法的实现 16
6.1.2电机速度采集算法 17
6.1.3电机速度接收算法 20
6.2上位机LabVIEW程序设计 24
6.2.1通信VISA介绍 24
6.2.2上位机前面板设计 25 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
6.2.3上位机程序框图设计 25
7.系统调试 29
8.结束语 33
8.1对环境及可持续发展的非技术因素分析 33
8.2总结与展望 33
参考文献 34
致谢 35
附录 36
1.引言
直流电机在日常的生产生活中用途颇广，小到手持风扇，大到轧干机、起重机。所以，很容易理解，如何能够对电机控制的相关参数进行最佳配置不仅会带来良好的经济效益，更能给我们的生活带来诸多便利。本章从电机的特性及主要用途着手，了解课题的意义，以及目前相关课题的研究现状，并对论文的主要内容做了简要阐述。
1.1课题研究的背景和意义
微型打磨机（如图11）以直流电机为驱动力，应用于对各种小型物件的打磨去皮、修整切割、精准打孔及雕刻等。生产商在实现硬件电路的组装后，需要对整个系统的运行情况进行调试，要求达到使用者标准后方可投入市场。而使用者为获得良好的操作体验，要求打磨机能够针对不同的材料，根据需要灵活调速、均匀转速、实现正反转，同时确保整个打磨过程的平稳性，因此，设计一套电机调速系统是很必要的。
电动机是最常用的运动源，对运动控制最有效的方式是对运动源的控制[1]。调速是电机领域的一个重要方面[2]，由于直流电机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速有较高要求的场合[2]，如大型可逆式轧钢机、电动自行车、卷扬机、电力机车、刨床、船舶机械以及一些大型精密机床和起重机等生产机械中[3]。低损耗、低成本的直流电机速度控制在其他应用中也具有很大的潜力[4]。
目前，不论是以单片机、DSP或者PLC作为控制器，以及各种新型智能算法的应用，无非就一个目的，即如何能更高效、更实时、更智能的实现平滑调速，这是自电机诞生以来就一直需要思考的问题，到今天也是如此。
1.2课题研究的现状与趋势
直流电机问世已有一百四十多年的历史[5]。作为生活和工业上各种工具的主要动力源，在工农业生产、交通运输、国防、航空航天以及人们日常生活中有着及其广泛的应用，全球大约60%的电能消耗在电机驱动上[6]。直流电机相比于其他类型电动机具有更好的调速性能[7]，并且调速范围大、调速过程平稳，启动转矩较大等优点，使得直流电机同样能够适用在对运动过程要求比较高的场合[8]。
在20世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，PID控制是唯一的控制方式[9]，主流的两种控制方式：模拟PID控制和数字PID控制。
模拟PID算法基于精确的数学模型，在PID进行调节的过程中存在滞后、时变、积分饱和、超调大等特点而容易导致系统的失稳[10]，特别是近年来，随着计算机技术的飞速发展以及对易操作性的追求，人们研究的中心逐渐从模拟PID控制向数字PID控制方式转变[11]，微机控制采用的是数字式控制方式[12]。
考虑到PID控制精度高，稳态性能好和模糊控制易于实现又不依赖于对象模型[13]的特点，许多人尝试将模糊控制与常规PID相结合，在融合二者各自优势的基础上，创造性的提出基于模糊PID算法的智能调节系统。研究表明，模糊PID控制算法在机械换向器本身受到噪音、电磁以及火花等等因素的干扰时，有着顽强的抵抗力。其不再完全依赖于数学模型，更是在一定程度上，对系统设计进行了简化，全面提升了系统的性能[14]。
最近，一种更加新型的控制方法逐渐应用在系统的控制中：基于自调整因子模糊PID控制。仿真结果表明，这种控制方式在直流电机速度控制上具有更好的鲁棒性、抗干扰能力，能得到更好的控制效果[15]。
目录
1.引言 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2课题研究的现状与趋势 1
1.3课题研究的主要内容及论文组织结构 2
2.直流电机及其控制原理介绍 3
2.1直流电动机介绍 3
2.2直流电动机转速控制方案 3
2.3 PWM控制技术 4
3.PID控制算法介绍 5
3.1模拟PID算法 5
3.2数字PID算法 5
3.3 PID算法整定 6
4.总体规划 8
4.1系统实现的基本功能 8
4.2系统总体方案设计 8
4.3方案论证 9
4.3.1控制器选择 9
4.3.2电机驱动方式 9
4.3.3电机测速传感器 9
4.3.4串口通信方式 10
5.系统硬件设计 11
5.1单片机最小系统 11
5.2 L298N驱动模块 12
5.2.1 L298N芯片介绍 12
5.2.2驱动模块设计 13
5.3测速模块 14
5.4通信模块 14
6.系统软件设计 15
6.1单片机程序分析 15
6.1.1 PID算法的实现 16
6.1.2电机速度采集算法 17
6.1.3电机速度接收算法 20
6.2上位机LabVIEW程序设计 24
6.2.1通信VISA介绍 24
6.2.2上位机前面板设计 25 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
6.2.3上位机程序框图设计 25
7.系统调试 29
8.结束语 33
8.1对环境及可持续发展的非技术因素分析 33
8.2总结与展望 33
参考文献 34
致谢 35
附录 36
1.引言
直流电机在日常的生产生活中用途颇广，小到手持风扇，大到轧干机、起重机。所以，很容易理解，如何能够对电机控制的相关参数进行最佳配置不仅会带来良好的经济效益，更能给我们的生活带来诸多便利。本章从电机的特性及主要用途着手，了解课题的意义，以及目前相关课题的研究现状，并对论文的主要内容做了简要阐述。
1.1课题研究的背景和意义
微型打磨机（如图11）以直流电机为驱动力，应用于对各种小型物件的打磨去皮、修整切割、精准打孔及雕刻等。生产商在实现硬件电路的组装后，需要对整个系统的运行情况进行调试，要求达到使用者标准后方可投入市场。而使用者为获得良好的操作体验，要求打磨机能够针对不同的材料，根据需要灵活调速、均匀转速、实现正反转，同时确保整个打磨过程的平稳性，因此，设计一套电机调速系统是很必要的。
电动机是最常用的运动源，对运动控制最有效的方式是对运动源的控制[1]。调速是电机领域的一个重要方面[2]，由于直流电机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速有较高要求的场合[2]，如大型可逆式轧钢机、电动自行车、卷扬机、电力机车、刨床、船舶机械以及一些大型精密机床和起重机等生产机械中[3]。低损耗、低成本的直流电机速度控制在其他应用中也具有很大的潜力[4]。
目前，不论是以单片机、DSP或者PLC作为控制器，以及各种新型智能算法的应用，无非就一个目的，即如何能更高效、更实时、更智能的实现平滑调速，这是自电机诞生以来就一直需要思考的问题，到今天也是如此。
1.2课题研究的现状与趋势
直流电机问世已有一百四十多年的历史[5]。作为生活和工业上各种工具的主要动力源，在工农业生产、交通运输、国防、航空航天以及人们日常生活中有着及其广泛的应用，全球大约60%的电能消耗在电机驱动上[6]。直流电机相比于其他类型电动机具有更好的调速性能[7]，并且调速范围大、调速过程平稳，启动转矩较大等优点，使得直流电机同样能够适用在对运动过程要求比较高的场合[8]。
在20世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，PID控制是唯一的控制方式[9]，主流的两种控制方式：模拟PID控制和数字PID控制。
模拟PID算法基于精确的数学模型，在PID进行调节的过程中存在滞后、时变、积分饱和、超调大等特点而容易导致系统的失稳[10]，特别是近年来，随着计算机技术的飞速发展以及对易操作性的追求，人们研究的中心逐渐从模拟PID控制向数字PID控制方式转变[11]，微机控制采用的是数字式控制方式[12]。
考虑到PID控制精度高，稳态性能好和模糊控制易于实现又不依赖于对象模型[13]的特点，许多人尝试将模糊控制与常规PID相结合，在融合二者各自优势的基础上，创造性的提出基于模糊PID算法的智能调节系统。研究表明，模糊PID控制算法在机械换向器本身受到噪音、电磁以及火花等等因素的干扰时，有着顽强的抵抗力。其不再完全依赖于数学模型，更是在一定程度上，对系统设计进行了简化，全面提升了系统的性能[14]。
最近，一种更加新型的控制方法逐渐应用在系统的控制中：基于自调整因子模糊PID控制。仿真结果表明，这种控制方式在直流电机速度控制上具有更好的鲁棒性、抗干扰能力，能得到更好的控制效果[15]。
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