论文总字数：19470字

摘 要

本课题以实现对直流电机的调速为目标，以单片机控制为基础，采用PID控制技术，研究PID控制算法，开展上位机与单片机的通信测试。实现调速系统对直流电机转速的精准调节。

本文以电机的实际转速和给定转速存在偏差，如果偏差较大，会对生产过程带来严重的后果为课题背景，引入直流电机调速控制系统的开发研究。在现有的电机调速系统中，主要完成了PID算法设计和上位机的设计。首先介绍了直流电动机，直流电动机调速的研究，ATmega16单片机和调速系统中的主要电路部分。其次介绍了PID控制原理，PID的数字实现，VB6.0软件的应用和上位机的设计。另外，本文还介绍了霍尔传感器的应用和485通信的应用。本文最后完成了对上位机的简单调试。论文结尾附有原理图。

关键词：ATmega16 PID 上位机 485通信 直流电机调速

design of DC Motor Speed Control Based on PID Algorithm

Abstract

This subject in order to achieve the target of DC motor speed control, with MCU control as the basis, using PID control technology, research PID control algorithm, and carry out communication test between PC and microcontroller. Speed adjustment of DC motor by speed control system.

Based on the actual motor speed and the given speed deviation, if the deviation is large, it will the production process bring serious consequences as the topic background, the introduction of DC motor speed control system research and development. In the existing motor speed control system, the design of the PID algorithm and the upper computer are mainly accomplished.. Firstly, the research of DC motor, DC motor speed regulation, the main circuit of ATmega16 and speed control system are introduced.. Secondly, the principle of PID control, the realization of PID, the application of VB6.0 software and the design of PC are introduced.. In addition, the application of Holzer sensor and the application of 485 communication are also introduced in this paper.. This paper finally completes the simple debugging of the upper computer.. The paper ends with a schematic diagram..

Keywords:ATmega16; PID; Upper computer; 485 communication; DC motor speed control.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1概述 1

1.2 直流电动机介绍 2

1.2.1 直流电机简介 2

1.2.2 直流电机工作原理 2

1.3 直流电机常用调速方法 3

1.4直流调速系统的研究现状 4

第二章 直流电机调速系统介绍 6

2.1 系统组成 6

2.2 各组分简介 7

2.2.1 ATmega16 7

2.2.2 转换电路 8

2.2.3 放大电路 8

2.2.4 驱动电路 9

2.2.5 检测电路 10

2.2.6 电源电路 10

2.2.7 485通信 11

第三章 系统软件设计 12

3.1 PID原理 12

3.2 PID控制算法 13

3.3 数字PID 14

3.3.1 模拟PID控制规律的离散化 14

3.3.2 数字PID的两种类型 15

3.3.3 PID算法的数字实现 15

3.4 PID的参数整定 17

3.4.1 采样周期的选择 17

3.4.2 PID参数选择 17

3.5 PID控制程序设计 18

3.5.1 PID程序设计思路 18

3.5.2 PID程序设计流程 18

3.6 上位机设计 19

3.6.1 VB简介及主要特点 19

3.6.2 VB6.0基本操作 20

3.6.3 上位机界面 22

3.6.4 上位机主要程序编写 23

3.7 485通信设计 25

3.7.1 MAX485引脚 25

3.7.2 MAX485工作原理 25

3.7.3 485通信工作流程 25

第四章 系统调试 27

4.1 上位机调试 27

4.2 USB转485模块 28

第五章 结语 30

参考文献 31

致谢 32

附录：主控板的电路原理图 33

第一章 绪论

1.1概述

当前，电气传动的主要方向之一是微处理器控制的电机调速系统，达到数字化的控制。近几年，技术的提升，直流电机的使用越来越广泛，直流电机有优良的调速特性，有调速平滑、方便、调速范围广的特点，并且过载能力强，能承受频繁的冲击响应负载，可实现频繁的无级快速启动^[1]。在生产过程系统中，需要的直流电机是可以满足不同的要求的，所以对直流电机有比较高的要求，改变电枢回路电阻来进行调速和改变电压来进行调速的这些技术，已经远远不能满足当代技术对直流电机的要求。随着现代的生产规模在一直扩大，每个行业对直流电机的需要也越来越大，而且对它的性能有了一些更高的要求。所以，开发和研制优质性能和较高可靠性的直流电机控制系统有相当重要的意义。本课题正是以此为出发点，利用微处理器单片机来实现对直流电机转速的控制。

微型计算机的产生是计算机史上的一个新的里程碑。近年来，随着技术的成熟、市场对产品功能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛化。直流电动机的启动、调速、过载能力等特点是十分重要的，为了能够达到不断发展的要求，直流电动机的调速控制系统也得到了很大的发展。而且，作为系统的核心，单片机，也朝着多选择、多功能、高速度、低价格和较强的I/O功能这些方向进行发展。随着计算机水平的不断提高，功能越来越完善，单片机越来越广泛地使用在较多项目的控制和自动化方面，特别是使用在直流电动机的调速控制系统中。这也是由于单片机有功能全、体积小、可靠性高、抗干扰能力强、指令丰富、结构合理、控制功能优良、价格低等众多优点。

微控制器技术的发展，在控制领域得到了大面积的使用。本文基于PID控制的直流电机调速系统进行了研究，从直流调速系统出发，介绍了直流电机调速系统，简单了解了各部分硬件组成，掌握了各个部分的功能。本文重点对PID控制部分展开研究，介绍了PID算法，设计PID控制的软件程序。还设计了上位机，与单片机实现通信，辅助控制直流电机的转速。以软件和硬件相结合为前提，进行软件设计编写，实现对调速系统的控制。

1.2 直流电动机介绍

1.2.1 直流电机简介

电动机将电能转换成机械能，所以，直流电动机就是把直流电能转换成机械能。把通有电流的导体放在磁场中就会产生磁感应效应。直流电动机运用磁感应效应，其转子和定子分别由绕组和永久磁铁组成。直流电动机有调速性能好和起动转矩比较大的优点。直流调速技术已广泛运用于工业等各个领域^[2]。PID算法的直流调速控制技术,它有调速精度高、响应速度快、调速范围广等特点。

1.2.2 直流电机工作原理

如图1-1，在直流电动机中，外加的电压不是直接加在线圈两端，而是通过电刷和换向器再加到线圈上。由于电刷是固定不动的，电流从电刷1流入，从电刷2流出。所以当转子旋转时，两个导体轮流交替地处于N极和S极下时，导体中的电流将随其受到磁极极性的改变而同时改变方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变，使电动机持续旋转^[3]。此时换向器是将外面电路的直流改变成线圈内交流的作用。

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