基于51单片机的直流电机调速系统设计与实现+仿真图+流程图(2)
1. 研究方案
1.1 选题的目的和意义
直流电机由于其启动、制动性能良好，且在较大范围内能够平滑调速，因此在许多拖动领域都有应用。早期的直流电动机主要以模拟电路为基础进行控制，另外还采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路等，控制系统的硬件结构非常复杂、功能单一，而且系统非常不灵活，调试也很困难，在一定程度上制约了直流电机控制技术的发展和应用领域的推广。随着单片机控制技术日新月异的变化，加上传感技术的发展与应用，为直流电机的控制提供了更强的灵活性，并使系统能够达到更高的性能。本系统采用PID闭环控制算法和PWM信号的软件实现方法，可以节约人力资源和降低系统控制成本，从而有效的提高工作效率，达到智能控制的目的。
传统的控制系统往往采用模拟元件，虽说在一定程度上满足了生产要求，但是由于元件容易老化，在使用过程中又易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统运行的可靠性及准确性得不到保证，甚至在有些情况下系统会出现错误。
目前，直流电机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着数字电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化与高可靠性已成为它的发展趋势。
1.2 研究方法
本文主要研究了利用DS18B20温度传感器采集指定点的温度信号，采用PID闭环控制算法在AT89S51控制芯片的作用下产生PWM信号，通过PWM方式控制直流电机转速的方法。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的特点而成为电力电子技术当中应用比较广泛的一种控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论的思想或实现无谐振的软开关技术将会成为PWM控制技术的主要发展方向之一。本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比从而实现对直流电机转速的控制。
2. 总体设计框图
图1系统结构框图
本系统以单片机AT89S51为主控芯片，由DS18B20温度传感器采集指定点的温度，并用LCD1602液晶显示器显示测得的当前温度，在单片机内部进行PID闭环控制运算，输出PWM信号，在L298驱动下实现电机的调速控制。
3. 模块介绍
3.1 PID控制的原理和特点
PID(Proportional Integral Derivative)控制是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种控制方法，经过长期的工程实践，已经形成了一套完整的控制方法和典型的结构。它不仅适用于数学模型已知的控制系统，而且对于大多数数学模型难以确定的工业控制过程也可应用，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。PID是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法分别是：
(1) 比例- 来控制当前：误差值和一个负常数P(表示比例)相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器输出和系统的误差成比例的时候成立。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。
(2) 积分 – 来控制过去：误差值为过去某段时间的误差和，再乘以负常数I，最后加上预定值。I从之前的平均积累误差数值来找系统输出结果与预定数值的平均积累误差。简单的一个比例系统往往会振荡，可能会在预定数值的附近做来回的变化，由于系统无法去消除多余修正。通过加一个带负号的平均误差的比例值，系统的误差值就可以一直减少。所以，这个回路系统最终会稳定在预定值。
(3) 微分 - 来控制将来：计算误差的一阶导数，并和一个负数D相乘，再加上预定值。这个微分的控制会随系统的变化做出反应。微分计算结果越大，控制系统对输出的结果所做出的反应就会更快。参数D正是PID被称作“可预测控制器”的原因。
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