直流电机PWM调速测试程序

本次设计主要研究的是PID控制技术在运动控制领域中的使用，纵所周知运动控制系统最主要的控制对象是电机，在不同的生产过程中，电机的运行状态要满足生产要求，其中电机速度的控制在占有至关重要的作用，因此本次设计主要是利用PID 控制技术对直流电机转速的控制。

其设计思路为：以AT89S51单片机为控制核心，产生占空比受PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。

同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，构成转速闭环控制系统，达到转速无静差调节的目的。

在系统中采128×64LCD显示器作为显示部件，通过4×4键盘设置P、I、D、V四个参数和正反转控制，启动后通过显示部件了解电机当前的转速和运行时间。

因此该系统在硬件方面包括：电源模块、电机驱动模块、控制模块、速度检测模块、人机交互模块。

软件部分采用C语言进行程序设计，其优点为：可移植性强、算法容易实现、修改及调试方便、易读等。

本次设计系统的主要特点：（1）优化的软件算法，智能化的自动控制，误差补偿；（2）使用光电传感器将电机转速转换为脉冲频率，比较精确的反映出电机的转速，从而和设定值进行比较产生偏差，实现比例、积分、微分的控制，达到转速无静差调节的目的；（3）使用光电耦合器将主电路和控制电路利用光隔开，使系统更加安全可靠；（4）128×64LCD显示模块提供一个人机对话界面，并实时显示电机运行速度和运行时间；（5）利用Proteus软件进行系统整体仿真，从而进一步验证电路和程序的正确性，避免不必要的损失；（6）采用数字PID算法，利用软件实现控制，具有更改灵活，节约硬件等优点；（7）系统性能指标：超调量≤8％；调节时间≤4s；转速误差≤±1r/min。

1PID算法及PWM控制技术简介1.1PID算法控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。

目前提出的控制算法有很多。

具有使能控制和方向逻辑的H桥电路采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIR-L信号为0，DIR-R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如上图所示）；如果DIR-L信号变为1，而DIR-R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。
8
GND
地
9
VSS
逻辑控制地
10,12
Input 3 Input4
桥式电路B的控制端
13,14
Out3 Out4
桥式电路B的的输出端，接电机
－
NC
不接
将上面的PWM例程产生的波形作用于电机的使能端上，就可以实现电机的调速。至于方向的控制，只需两个IO接于控制端即可。
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。通俗的说PWM是采用数字量对模拟量进行合成的方法。
直流电机调速的PWM实现方法
PWM在控制中使用非常广泛，可以以数字量对模拟电路进行控制。这里对PWM的原理进行讲述，并举例说明PWM的重要应用。
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱPWM简介
采样控制理论中有一个重要结论：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，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，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。

无刷直流电机调速--C语言源程序附录1. C语言源程序：#include"stdio.h"#include"myapp.h"#include"ICETEK-VC5502-EDU.h"#include"scancode.h"#include"lcd.h"#define CTRSTATUS (*(unsigned int * )0x608000) //port8000 #define CTRLED (*(unsigned int * )0x608004) //port8004#define MCTRKEY (*(unsigned int * )0x608005) //port8005 #define CTRCLKEY (*(unsigned int * )0x608006) //port8006 #define CTRMOTORBSPEED (*(unsigned int * )0x608003)void InitMcBSP();void INTR_init( void );void InitForMotorB( void );void showparameters();void LCDPutString(unsigned int * pData,int x,int y,unsigned int nCharNumber,unsigned color);void PIDControl(int rk,int yk);void PrintParameters();//定时器分频参数#define T100 99 // 100个时钟周期中断一次#define T2Hz 20000 // 20000个时钟周期读取速度一次//工作变量usigned int uWork,uN,nCount,nCount1,nCount2,nCount3,nCount4;int nSSS,nJSSpeed,pwm1;int md,wc;unsigned int nScreenBuffer[30*128];float a=0.6f,b=0.2f,c=0.1f,duk;int ek,ek1,ek2,tz;int nInput;unsigned int *www=(unsigned int *)0x608003;Int m_nSpeed,m_bPCSet;// 主函数main(){unsigned char ccc;int speed[100],sp,lj;float ljh;int i,w1,w2,w3;unsigned int uWork1;unsigned int bWork1,*pWork;int breakflage;// 初始化工作变量for ( sp=0;sp<100;sp++ )speed[sp]=0;for ( sp=0;sp<1024;sp++ ) nScreenBuffer[sp]=0;sp=nSSS=nCount=nCount1=nCount2=nCount3=nCount4= nJSSpeed=0;nInput=tz=wc =0;ek=ek1=ek2=0;uN=40;md=70;pwm1=60;m_nSpeed=70;m_bPCSet=0;inputspeed=0;uWork1=0;breakflage=0;initemif();CLK_init();*(int*)0x400001=1;CREG=1; //使能外部总线接口InitCTR();CTRGR=0x80;CTRGR=0;CTRGR=0x80;LCDTurnoff();// 设置显示参数和内容LCDSetDelay(1); //设置延时等待参数LCDSetScreenBuffer(nScreenBuffer); // 显示缓冲区for (bWork=0,pWork=nScreenBuffer;bWork＜30*128；bWork++,pWork++) (*pWork=0)LCDTurnOn();//打开显示LCDCLS();//清除显示内存LCDPutCString(str1,0,127,8,0);LCDPutCString(str2,0,111,2,1);LCDPutCString(str3,68,111,2,1);LCDPutCString(str4,68,79,2,1);LCDPutCString(str5,68,95,2,1);LCDPutCString(str6,0,95,2,1);LCDPutCString(str7,0,79,3,1);ShowParamctors();//参数显示InitMcBSP();INTR-init();InitForMotorB();While(!breakflage)｛if(nCount==0) //读取键盘标志｛uWork=MCTRKEY;CTRCLKEY=0;Switch(uWork1)｛Casc 128;if(inputspecd!=0)｛Md=inputspecd;Inputspecd=0;LCDPutCString(numbers+104,104,79,1,1); LCDPutCString(numbers+104,112,79,1,1); LCDPutCString(numbers+104,120,79,1,1); LCDRefreshScreen();｝break;case 64;breakflage=1;case 1;inputspeed=inputspeed+1break;case 2;inputspeed=inputspeed-1;break;case 4;inputspeed=inputspeed+10;break;case 8;inputspeed=inputspeed-10;break;｝if(inputspeed＞90)｛inputspeed=90;｝if(inputspeed＜0)｛inputspeed=0;｝w1=inputspeed%1000/100;w2=inputspeed%100/10;w3=in putspeed%10; LCDPutString(numbers+w1*8,104,79,1,1);LCDPutString(numbers+w2*8,112,79,1,1);LCDPutString(numbers+w3*8,120,79,1,1);LCDRefreshScreen();｝if(m-bPCSet)｛m-bPCSst=0;if (m-nSpeed＞=0&&m-nSpeed＜256)｛md=m-nSpeed;LCDPutCString(numbers+104,104,79,1,1); LCDPutCString(numbers+104,112,79,1,1);LCDPutCString(numbers+104,120,79,1,1); LCDRefreshScreen();printparameters();｝｝if(nJSSpeed==0) //读取速度标志｛LED=1;nJSSpeed=0;ccc=CTRMOTORBSPEED; //读取端口速度计数ccc=ccc&0xff;nSSS=ccc;if(nSSS＞=0 && nSSS＜400) //合法性检测｛speed（sp）=Nssssp++;sp%=33;｝if(sp==0) //读取实际速度｛lj=0;ljh=0;for(i=0;i＜33;i++)｛if(speed(i)＞=0&&speed(i)<400)｛ljh+=speed(i);lj++;｝｝nCount3++;nCount3%=3；if(nCount3==2)｛PIDControl(md,wc); //调用PID算法控制程序uN=100-pwml; //利用占空比调整控制Showparameters(); //显示各参数到LCD ｝CloseCTR();exit(0);｝//PID算法控制子程序void PIDControl(int rk,int yk)｛ek=rk-yk;duk=a*ek+b*ek1+c*ek2; //计算控制输出ek2=ek1; ek1=ek;tz=(int)duk;pwm1+=tz; //计算当前占空比if(pwml<0) pwml=0;else if(pwml>99) pwml=99;｝void interrupt Timer()｛uWork=PCR1; //pwml输出if(nCont1>u N)｛uWork=4; //根据占空比设置FSR状态｝else｛uWork&=0x0fffb;｝PCR1=uWork;//设置中断控制寄存器void INTR-init(void)｛asm(“BSET INTM”);IVPD=0x01;IVPH=0x01;IERO=0x10;DBIERO=0x10;IFRO=0xffff;asm(“BCLR INTM”);｝void InitForMotorB(void)ioport unsigned int *GPTCTL1-0;ioport unsigned int *GPTPRD1-0;ioport unsigned int *GPTGCTL1-0;*GPTCTL1-0=0;*GPTPRD1-0=0x1d8;*GPTGCTL1-0=0x3;｝//显示参数到LCDvoid ShowParameters()｛int w1,w2,w3;w1=md%1000/100;w2=md%100/10,w3=md%10; LCDPutString(numbers+w1*8,36,111,1,1); LCDPutString(numbers+w2*8,44,111,1,1); LCDPutString(numbers+w3*8,52,111,1,1);if (ek>=0)｛LCDPutString(numbers+88,36,95,1,1);w3=((int)ek)%100;｝else｛LCDPutString(numbers+96,36,95,1,1);w3=((int)(-ek))%100;｝for (j=0;j<16;j++,k<<=1)｛if (color==2) mcolor=2;elsemcolor=(pData(1*8+i)&k)(1)：（0）；if(color==0) mcolor=1-mcolor;｝LCDPutPixel(x+1*8+I,y-j,mcolor);｝int wwss;void PrintParameters()｛wwcc=wc-md;printf(“测速(%3d) 设置(%3d) 误差(%+4d) PID调整量(%+3d) 占空比(%3d%%)＼n”,wc,md,wwcc,tz,pwm1);｝。

PWM电机调速程序*******************************************************************/ /* 程序名：PWM直流电机调速 *//* 晶振：11.00592 MHz CPU型号：AT89C51 *//* 直流电机的PWM波控制，可以直接的调速从0到20级的调速 *//*****************************************************************/ #include<reg51.h>#define TH0_TL0 (65536-1000)//设定中断的间隔时长unsigned char count0 = 50;//低电平的占空比unsigned char count1 = 0;//高电平的占空比bit Flag = 1;//电机正反转标志位,1正转，0反转sbit Key_add=P2 ^ 0; //电机减速sbit Key_dec=P2 ^ 1; //电机加速sbit Key_turn=P2 ^ 2; //电机换向sbit PWM1=P2^6;//PWM 通道 1，反转脉冲sbit PWM2=P2^7;//PWM 通道 2，正转脉冲unsigned char Time_delay;/************函数声明**************/void Delay(unsigned char x);void Motor_speed_high(void);void Motor_speed_low(void);void Motor_turn(void);void Timer0_init(void);/****************延时处理**********************/void Delay(unsigned char x){Time_delay = x;while(Time_delay != 0);//等待中断，可减少PWM输出时间间隔}/*******按键处理加pwm占空比，电机加速**********/void Motor_speed_high(void)//{if(Key_add==0)Delay(10);if(Key_add==0){count0 += 5;if(count0 >= 100){count0 = 100;}}while(!Key_add);//等待键松开}}/******按键处理减pwm占空比，电机减速*****/ void Motor_speed_low(void){if(Key_dec==0){Delay(10);if(Key_dec==0){count0 -= 5;if(count0 <= 0){count0 = 0;}}while(!Key_dec );}}/************电机正反向控制**************/ void Motor_turn(void){if(Key_turn == 0){Delay(10);if(Key_turn == 0){Flag = ~Flag;}while(!Key_turn);}/***********定时器0初始化***********/void Timer0_init(void){TMOD=0x01; //定时器0工作于方式1TH0=TH0_TL0/256;TL0=TH0_TL0%256;TR0=1;ET0=1;EA=1;}/*********主函数********************/void main(void){Timer0_init();while(1){Motor_turn();Motor_speed_high();Motor_speed_low();}}/**************定时0中断处理******************/ void Timer0_int(void) interrupt 1 using 1{TR0 = 0;//设置定时器初值期间，关闭定时器TL0 = TH0_TL0 % 256;TH0 = TH0_TL0 / 256 ;//定时器装初值TR0 = 1;if(Time_delay != 0)//延时函数用{Time_delay--;}if(Flag == 1)//电机正转{PWM1 = 0;if(++count1 < count0)PWM2 = 1;}elsePWM2 = 0;if(count1 >= 100){count1=0;}}else //电机反转{PWM2 = 0;if(++count1 < count0){PWM1 = 1;}elsePWM1 = 0;if(count1 >= 100){count1=0;}}}//-----------------------------------------------------------------------------#include <c8051f330.h> // SFR declarations#include <math.h>// Function Prototypes//-----------------------------------------------------------------------------#define CMD_RESET 0xA4 //HD7279复位#define DECODE1 0xc8 //方式0译码sbit cs=P1^3;sbit clk=P1^2;sbit dat=P1^1;sbit key=P1^0;sbit led_D1003=P0^7;sbit sw1=P1^7;sbit sw2=P1^6;sbit sw3=P1^5;sbit sw4=P1^4;void long_delay(void); //延时函数void short_delay(void);void delay10ms(unsigned char);void write7279(unsigned char,unsigned char); //HD7279写指令void send_byte(unsigned char);void delay(unsigned char);void disp1(unsigned int);void OSCILLATOR_Init (void);void PORT_Init (void);void PCA0_Init (void);void Timer0_Init(void);void Ext_Interrupt_Init (void);//-----------------------------------------------------------------------------// Global Variables//-----------------------------------------------------------------------------//-----------------------------------------------------------------------------// main() Routine//-----------------------------------------------------------------------------unsigned int CEX0_Compare_Value; // Holds current PCA compare valueunsigned int tmr,Speed_evaluate;unsigned char num,num1,num2,num3,a;unsigned int Speed,pi,Speed2;unsigned int Speed1[10];typedef struct {double SetPoint; /* 设定目标Desired Value */double Proportion; /* 比例常数Proportional Const */double Integral; /* 积分常数Integral Const */double Derivative; /* 微分常数Derivative Const */double LastError; /* 前一项误差*/double PrevError; /* 前第二项误差*/double SumError; /* 误差和*/} PID;double PIDCalc( PID *pp, double NextPoint ){double dError,Error,Pout;Error = pp->SetPoint - NextPoint; /* */pp->SumError += Error; /* /dError = pp->LastError - pp->PrevError; /* */pp->PrevError = pp->LastError;pp->LastError = Error; /* */Pout= pp->Proportion * Error + pp->Integral * pp->SumError +pp->Derivative * dError ;if(Pout>1100)Pout=1000;if(Pout<100)Pout=100;return (Pout);}PID sPID; //定义PID结构体变量double rOut; //PID响应输出unsigned char rIn; //设置PID反馈值double x;double sumout;unsigned char dd;//设置PID输出void main (void){sPID.Proportion = 0.44; //设置PsPID.Integral = 0.70; //设置IsPID.Derivative = 0.0; //设置D//sPID.SetPoint = CEX0_Compare_Value;//sPID.SetPoint = CEX0_Compare_Value; //设置PID输出PCA0MD = 0x00; // Disable watchdog timerled_D1003=0;PORT_Init (); // Initialize crossbar and GPIOOSCILLATOR_Init (); // Initialize oscillatorPCA0_Init (); // Initialize PCA0IP=0x82; //定时器中断0高于外部中断0Timer0_Init();Ext_Interrupt_Init ();for (tmr=0;tmr<0x2000;tmr++);send_byte(CMD_RESET);//HD7279复位// Globally enable interruptsEA = 1;sPID.SetPoint=70;while (1){delay10ms(100);//键盘程序 -------------------------------------------------------------if(sw1==0) //按键1是否按下{if(sw1==0)//再次检查按键{num++; //若按键按下，num加1if(num==1) //到9归0{num=0;}while(sw1==0);//按键释放}// delay10ms(100);}write7279(DECODE1+4,num); //将num写入HD7279第1位 delay10ms(1);if(sw2==0){if(sw2==0){num1++;if(num1==2){num1=0;}while(!sw2);}// delay10ms(100);}write7279(DECODE1+5,num1);//将num1写入HD7279第2位delay10ms(1);if(sw3==0){if(sw3==0){num2++;if(num2==10){num2=0;}while(!sw3);}// delay10ms(100);}write7279(DECODE1+6,num2);//将num1写入HD7279第2位delay10ms(1);if(sw4==0){if(sw4==0){num3++;if(num3==10){num3=0;}while(!sw4);}// delay10ms(100);}write7279(DECODE1+7,num3);//将num1写入HD7279第2位delay10ms(1);Speed_evaluate=num*1000+num1*100+num2*10+num3;sPID.SetPoint=Speed_evaluate;//控制程序-----------------------------------------------------------------//---------------------------------------------------------------------------}}void OSCILLATOR_Init (void){OSCICN = 0x83; // Set internal oscillator torun// at its maximum frequencyCLKSEL = 0x00;}void PORT_Init (void){XBR0 = 0x00;XBR1 = 0x41;// Enable crossbar and weak pull-upsP0MDOUT |= 0x10; // Set CEX0 (P0.4) to push-pull P0SKIP |=0x0F; //P1SKIP = 0x00;P1MDOUT= 0x0f;}void PCA0_Init (void){PCA0CN = 0x00; // Stop counter; clear allflagsPCA0MD = 0x01; // Use Ettern ime basePCA0CPM0 = 0xCB; // Module 0 = 16-bit PWM modeand// enable Module 0 Match and Interrupt// Flags// Configure initial PWM duty cycle = 50%CEX0_Compare_Value = 65536 - (65536 * 0.15);PCA0CPL0 = (CEX0_Compare_Value & 0x00FF);PCA0CPH0 = (CEX0_Compare_Value & 0xFF00)>>8;EIE1 |= 0x10; // Enable PCA interrupts// Start PCA counterCR = 1;}void Ext_Interrupt_Init (void){TCON |= 0x05; // /INT 0 and /INT 1 are edge triggeredIT01CF = 0x10; // /INT0 active low; /INT0 on P0.0;// /INT1 active low; /INT1 on P0.1EX0 = 1; // Enable /INT0 interrupts}void Timer0_Init(void){TH0 = 0 ; // Init Timer0 High registerTL0 = 0 ; // Init Timer0 Low registerTMOD |= 0x01; // Timer0 in 16-bit mode方式1CKCON |= 0x02; // Timer0 uses a 1:48 prescalerET0 = 1; // Timer0 interrupt enabledTCON|=0x10;// Timer0 ON}// PCA0_ISR//-----------------------------------------------------------------------------void PCA0_ISR (void) interrupt 11{CCF0 = 0; // Clear module 0 interrupt flag.PCA0CPL0 = (CEX0_Compare_Value & 0x00FF);PCA0CPH0 = (CEX0_Compare_Value & 0xFF00)>>8;}void Timer0_ISR (void) interrupt 1{int j,sum;TF0=0;// Clear interrupt flag.a++;if (a==4){Speed1[pi]=Speed;if(pi>=3){ EX0 = 0;for(j=0;j<=3;j++){sum=sum+Speed1[j];Speed2=sum/4;disp1(Speed2);Speed=0;pi=0;EX0 = 1;}a=0;sum=0;if(pi>=3)pi=0;elsepi++;TH0 = 0; // Reinit Timer0 High register TL0 = 0; // Reinit Timer0 Low registerif(abs( sPID.SetPoint-Speed2)<=5) {CEX0_Compare_Value=CEX0_Compare_Value;}else{rIn =Speed2;for(dd=0;dd<50;dd++)x=rIn;//x = 5.0 * (double)rIn / 256.0;rOut = PIDCalc ( &sPID,x );// sumout=rOut*256/5;if(rOut==100)sumout=0;elsesumout= (0.85/1000.0)*rOut;//CEX0_Compare_Value=CEX0_Compare_Value-sumout;CEX0_Compare_Value = 65536 - (65536 * ( sumout+0.15));}}else{TH0 = 0; // Reinit Timer0 High registerTL0 = 0; // Reinit Timer0 Low register}}void INT0_ISR (void) interrupt 0{IE0=0; // // Clear interrupt flag.Speed++;}void write7279(unsigned char cmd, unsigned char dta) {send_byte(cmd);send_byte(dta);}void send_byte( unsigned char out_byte){unsigned char i;cs=0;long_delay();for (i=0;i<8;i++){if (out_byte&0x80){dat=1;}else{dat=0;}clk=1;short_delay();clk=0;short_delay();out_byte=out_byte*2; }dat=0;}void long_delay(void){unsigned char i;for (i=0;i<0x30;i++);}void short_delay(void){unsigned char i;for (i=0;i<8;i++);}void delay10ms(unsigned char time) {unsigned char i;unsigned int j;for (i=0;i<time;i++){for (j=0;j<0x390;j++);}}void disp1(unsigned int date){unsigned char d0, d1, d2 , d3; d0=date / 1000;d1=(date-d0*1000)/100;d2=(date-d0*1000-d1*100)/10 ;d3= date-d0*1000-d1*100-d2*10;write7279(DECODE1,d0);delay10ms(1);write7279(DECODE1+1,d1);delay10ms(1);write7279(DECODE1+2,d2);delay10ms(1);write7279(DECODE1+3,d3);delay10ms(1);}。