摘要：設(shè)計(jì)一種直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)板,方便人們對(duì)電機(jī)、PID閉環(huán)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)等方面的知識(shí)的深入綜合地學(xué)習(xí)和教學(xué)，也可為工程師提供設(shè)計(jì)參考。本文給出了一種基于菲利普公司      P87LPC768的軟硬件實(shí)現(xiàn)詳細(xì)方法。
      關(guān)鍵詞：P87LPC768，PID，直流電機(jī)
      ABSTRACT
      It is vitally significant to design a kind of DC motor experiment board. It will be advantageous for the people to make the scientific research and also to thoroughly and comprehensively study and teach the knowledges on DC machine, the PID algorithms, the motor-driven, the closed-loop control systems.Detail implementation based on P87LPC768 is also given.
Key words: P87LPC768，PID，DC motor
      運(yùn)動(dòng)控制是自動(dòng)化控制的一個(gè)分支，在自動(dòng)化生產(chǎn)和日常生活中無(wú)處不在。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的推廣與發(fā)展，對(duì)推動(dòng)生產(chǎn)力的發(fā)展有重要的意義。直流電動(dòng)機(jī)因其良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，良好的機(jī)械特性，使得其在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在教學(xué)中也占有重要的地位。該直流電機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)能提供詳細(xì)的相關(guān)知識(shí)，從電機(jī)到驅(qū)動(dòng)電路，從驅(qū)動(dòng)電路到控制算法，深入淺出、手把手地教會(huì)您相關(guān)電機(jī)的原理和控制應(yīng)用。適合教學(xué)和從事運(yùn)動(dòng)控制方面工作的人員使用。
      1.系統(tǒng)總體功能概述
      該系統(tǒng)以P87LPC768作為核心控制部件，外加一定的輔助電路來(lái)完成系統(tǒng)的預(yù)期任務(wù)，即電機(jī)的恒轉(zhuǎn)速控制并送顯示。利用上位機(jī)軟件作為電機(jī)的速度輸入端，通過(guò)上位機(jī)與P87LPC768的即時(shí)通訊，利用其內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器為電機(jī)輸入給定轉(zhuǎn)速，通過(guò)電位器電阻大小的改變來(lái)改變A/D采樣的結(jié)果，由A/D采樣結(jié)果來(lái)輸出與之相對(duì)應(yīng)的PWM波形。在負(fù)載一定的情況下，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和供電電壓成正比。本系統(tǒng)使用PWM方波驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)改變PWM的占空比，來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)兩端的平均電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。加以一定的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。利用光敏三極管和發(fā)光二極管的光電特性，設(shè)計(jì)一測(cè)速電路實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用P87LPC768的串口送電機(jī)的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速。設(shè)計(jì)一PID數(shù)字調(diào)節(jié)器，通過(guò)PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)速控制。

      PC上位機(jī)與P87LPC768實(shí)時(shí)通訊,來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定和動(dòng)態(tài)顯示，一旦輸入?yún)?shù)發(fā)生變化，則立即送出新得與相對(duì)應(yīng)的CPSW值，即輸出相應(yīng)占空比的PWM波形。因?yàn)橛蒔87LPC768 輸出的電壓高電平僅為+5V，輸出電流僅僅為2mA左右，因此要驅(qū)動(dòng)本系統(tǒng)中的7.2V的小電機(jī)，必須將電流、電壓加以放大，在本電路中采用芯片33886加以實(shí)現(xiàn)。測(cè)速電路是采用光敏三極管和發(fā)光二極管的光電特性來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速的。串行通信電路用到了P87LPC768的串行口和MAX232電路，由串行口送出電機(jī)的速度。在監(jiān)控程序中，將電機(jī)的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速與通過(guò)和上位機(jī)通訊所確定的電機(jī)應(yīng)具有的給定轉(zhuǎn)速比較，一旦二者之間有偏差，馬上調(diào)用PID算法進(jìn)行糾正，改變PWM波形的輸出占空比，使得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速相給定轉(zhuǎn)速靠攏，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)速控制。

      2.系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

      2.1核心芯片選擇

    （1）.芯片P87LPC768

      作為Philips公司小型封裝系列中的一員，P87LPC768是20腳封裝的單片機(jī)，可以在寬范圍的性能要求下實(shí)現(xiàn)高集成度、低成本的解決方案。P87LPC768基于80C51的加速處理器結(jié)構(gòu)使指令執(zhí)行速度為標(biāo)準(zhǔn)80C51MCU的兩倍。

      其主要特性如下：

      1.4通道10位脈寬調(diào)制器（PWM）。

      2.4通道多路8位A/D轉(zhuǎn)換器。在振蕩器頻率fosc=20MHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為9.3μs。

      3.4K字節(jié)OTP程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的RAM。32Byte用戶代碼區(qū)可用來(lái)存放序列碼及設(shè)置參數(shù)。

      4.全雙工通用異步接收/發(fā)送器（UART）及I2C通信接口。

      5.看門狗定時(shí)器利用片內(nèi)獨(dú)立振蕩器,無(wú)需外接元件,溢出時(shí)間有8種選擇。

      6.所有口線均有20mA的驅(qū)動(dòng)能力。

      7. 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，每一個(gè)定時(shí)器均可設(shè)置為溢出時(shí)觸發(fā)相應(yīng)端口輸出

      8.可編程I/O口輸出模式：準(zhǔn)雙向口,開(kāi)漏輸出,上拉和只有輸入功能?？蛇x擇施密特觸發(fā)輸入。

    （2）MC33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)

      電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)P87LPC768輸出的PWM波形進(jìn)行功率放大，本系統(tǒng)中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī).MC33886是一款用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高效單片集成芯片，能夠向負(fù)載電機(jī)提供高達(dá)5.0A的連續(xù)的直流感應(yīng)電流，最高可以處理10kHz頻率的PWM調(diào)制脈沖.

     （3）電機(jī)

      本系統(tǒng)中采用標(biāo)準(zhǔn)微型馬達(dá)有限公司生產(chǎn)的直流電機(jī),其型號(hào)為RS380-ST,在無(wú)負(fù)荷的條件下，其電流為0.49A，轉(zhuǎn)速為15300rpm。最大效率為64.6%，此時(shí)電流為2.85A，轉(zhuǎn)速13100rpm。最大功率26.68w時(shí)，電流8.61A，轉(zhuǎn)速7650rpm。停止時(shí)，電流為16.72A。

      其工作條件為：驅(qū)動(dòng)電壓7.2v，即馬達(dá)端子電壓為7.2v的直流恒壓。工作溫度范圍為10到30攝氏度，工作濕度范圍為30%-95%，無(wú)負(fù)荷最小轉(zhuǎn)速1200轉(zhuǎn)/分，無(wú)負(fù)荷最大電流630毫安培。

      則由上述參數(shù)可知,此種電機(jī)可滿足本系統(tǒng)所需。

      2.2 系統(tǒng)總電路圖：

      系統(tǒng)總電路如圖2.

      3.系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

      本系統(tǒng)中的程序設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。多個(gè)功能模塊的功能相互獨(dú)立，又能夠互相調(diào)用，修改非常的方便，具有較強(qiáng)的可讀性。

      3.1.軟件功能概述

      在系統(tǒng)的硬件確定以后，足夠強(qiáng)大的且功能完善的軟件能夠很好的指導(dǎo)和協(xié)調(diào)硬件的工作，可使系統(tǒng)發(fā)揮其最大的作用，并且便利以后的更新?lián)Q代升級(jí)。

      監(jiān)控程序選擇在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中，主程序完成的任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單，它只是完成初始化等工作而進(jìn)入等待方式。一個(gè)完整的系統(tǒng)都離不開(kāi)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控，為了更好的協(xié)調(diào)軟件、硬件各個(gè)部分正常工作，就必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控。為了防止系統(tǒng)死機(jī)，使系統(tǒng)能夠更好的工作，通過(guò)編程對(duì)EPROM的UCFG1寄存器的WDTE位啟動(dòng)，定時(shí)裝置必須定時(shí)得到軟件清除，以防止其溢出使MCU復(fù)位，但是定時(shí)裝置不能被關(guān)閉。定時(shí)器中斷服務(wù)程序擔(dān)任監(jiān)控任務(wù)，每隔一定的時(shí)間對(duì)電機(jī)測(cè)速裝置、A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行一次采樣，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，再經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)速控制。PID調(diào)節(jié)程序根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果用以控制輸出。

      3.2.主要程序模塊

      主程序完成的任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單。它只是完成初始化等工作而進(jìn)入等待方式。PWM不能工作在休眠狀態(tài)，當(dāng)工作在休眠狀態(tài)時(shí)，PWM輸出的電壓幾乎為0。

      串行通信子程序包括：P87LPC768發(fā)送數(shù)據(jù)程序和上位機(jī)接收數(shù)據(jù)程序。P87LPC768根據(jù)A/D輸入端電位器的電阻大小確定CPSW1即PWM1波形的輸出占空比，從而確定電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速。通過(guò)測(cè)速電路測(cè)出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，再經(jīng)過(guò)串行通信將轉(zhuǎn)速傳送給上位機(jī)軟件顯示出來(lái)。

      PID控制子程序采用增量型PID控制算法，其算式為：

     設(shè)

      所以,有

      即為離散化的增量型PID表達(dá)式.當(dāng)系數(shù)Kp,KI,KD求出后,分別存放在指定的RAM單元。在初始化程序中,將E(K-1),E(K-2),Pp(K)單元清零,若采用浮點(diǎn)運(yùn)算,當(dāng)Kp,KI,KD分別求出(并轉(zhuǎn)換成三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)),且存放在指定的內(nèi)部RAM單元中。
      本系統(tǒng)有定時(shí)器0中斷服務(wù)程序擔(dān)任監(jiān)控任務(wù)，監(jiān)控掃描時(shí)間間隔選擇0.5秒比較合適。即每0.5秒對(duì)電機(jī)測(cè)速裝置、A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行一次采樣，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，再經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)速控制。因?yàn)闀r(shí)鐘以每0.5秒為一個(gè)計(jì)數(shù)單元，定時(shí)器0為每1/8秒中斷一次，則4次中斷即為1/2秒，需做時(shí)間調(diào)整。
      4.結(jié)語(yǔ)
      本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易型的直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)板并給出了詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，方便人們對(duì)直流電機(jī)、PID控制算法、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、閉環(huán)控制等相關(guān)知識(shí)的綜合、深入學(xué)習(xí)和教學(xué)，也可以為工程師提供設(shè)計(jì)參考便于科研，解決了在電機(jī)控制等方法學(xué)習(xí)難，教學(xué)難的問(wèn)題，具有重要的意義。

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