基于单片机的运动控制系统(5)

第四章 软件设计

本次设计的软件部分包括主程序、参数设定、PWM程序、PID调速程序、中断处理程序和上位机VB显示程序。

STC52单片机的内部资源分配为：定时器T0工作于方式1，用于在P1^6和P1^7引脚输出PWM波；若设定定时器工作于方式2，当定时器溢出时，定时器能够自动重装初值，从而减少计时误差，可以采用定时器T1工作于方式2，进行串口通信；定时器T2工作于计数方式，可用于测定电机转速；利用P0口向LCD1602写入显示内容，P3^6和P3^7用于LCD1602的控制；利用P2口进行键盘扫描并利用外部中断1进行参数的重新设定。

4.1 系统主程序设计

主程序主要包括系统初始化、参数设定、开外部中断1和PID调速程序。在系统初始化程序中，主要进行LCD1602初始化串口工作方式、定时器工作方式和中断触发方式设置，并进行中断优先级设置，由于系统需要在不停车的情况下重新设定转速，因此应当将外部中断1设置为低优先级。其中在电机运行之前通过键盘设定参数时，并未开外部中断1，采用扫描方式处理按键。系统主程序流程图如图4.1

开始初始化PID调节参数设定转速显示开外部中断1向上位机发送转速值

图4.1主程序流程图

4.2 数字PID控制算法

在模拟控制系统中，PID控制器的控制规律为：

?1tde?t????u?t??KP*?e?t??etdt?TD??u0 ?0TIdt??式中 Kp—比例系数；Ti—积分常数；TD—微分常数u0—系统初值；ut—系统输出。

将模拟控制器进行离散化即可得到数字控制器，离散化处理的方法为：以T为

PID

控制器表达式为：

采样周期，k为采样序号，则离散采样时间对应连续时间t，用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分，则数字

kuk?KP*ek?Ki*?ej?Kd?ek?ek?1??u0 式中 Ki—积分系数；Kd—微分系数；ek—

第k次采样时刻偏差值。

此表达式给出了全部控制量的大小，被称为位置式PID控制算法，但是这种算法的工作量很大，在实际控制中多采用增量式算法，增量式PID表达式可由位置式算法推导得到即：?uk?uk?uk?1=KP*(ek?ek?1)?Ki*ek?Kd(ek?2*ek?1)?ek?2

目前应用最广泛的位置式与增量式的结合形成的数字递推PID控制算法即

uk?uk?1??uk。本次设计采用递推式控制算法，PID程序流程图如图4.2所示：

j?0本次设计中控制器输出限幅值为min=50，max=450。

PID调节程序如下： e1=key_speed-speed;

duk=Kp*(e1-e2)+Ki*e1+Kd*(e1-2*e2+e3); uk=uk+duk;

if(uk>=450) uk=450; if(uk<=50) uk=50; e3=e2; e2=e1;

Y开始计算当前误差e1计算UkYUk≧最大值？NUk≦最小值？NUk=最大值Uk=最小值更新e2、e3返回图4.2 PID程序流程图

4.3 矩阵键盘设计

矩阵键盘原理图如图3.5所示，按键设置在行、列线的交点上，行线通过上拉电阻接+5V电压，当按键未按下时，行线呈现高电平。当某键按下后，该行线的电平由被短接的列线电平决定。判断键盘有无按键按下以及按下的是哪一个键的方法如下：

(1)判断有无按键按下

将所有列线置低电平，然后读取行线状态，若行线均为高电平，则没有按键按下；

若行线状态不全为高电平，则有按键按下。

(2)判断哪个键按下

若有键按下，则列线依次置低，然后读取行线状态，如果全为高电平，则按下的键不在此列；如果不全为高电平，则按键一定在此列，而且是在与低电平行线的交点上的那个键。

在给按键赋值的方法较多，本次设计中采用键值=所在列号*4+所在行号（行号、列号分别为0,1,2,3），另外为了消除按键误动作需要通过软件延时消除按键抖动。

本设计中参数设定步骤为：设置转速值，按下确定键后再设置转速方向，然后启动电机。参数设定流程图见4.3

开始正转键是否按下按键是否按下Y确认按键值转速值清零NNN反转键是否按下Y向上位机发送转向信息清除方向显示YY显示按键值删除键是否按下NN确认键是否按下YY删除键是否按下N启动键是否按下Y返回

图4.3参数设定流程图

4.4 中断处理程序

本系统软件中断部分由定时器T0中断和外部中断1组成，前者用于产生PWM波，后者则用于电机运行时重新设定参数。

4.4.1 PWM波生成程序

由于本系统需要控制电机的正转和反转，因此应该采用双极性PWM波驱动电机，利用单片机生成PWM波有两种方法。

（1）软件延时法：在软件中设计一个基准延时程序，并在延时程序中改变输出单片机端口输出电平，通过反复调用延时程序，从而得到不同占空比可调的PWM波，但是在

本系统中单片机要执行不同的功能程序，若采用软件延时法，则误差较大。

（2）定时器法：利用定时器初值设定PWM波频率，，在中断处理程序中确定高低电平的持续时间，此方法准确性较好。

本设计采用定时器法生成PWM波，PWM波周期为1ms,P1口的第6、7引脚输出PWM波，T0L和T0H分别为低、高电平持续时间。 PWM波生成程序如下：

void T0_timer() interrupt 1 {if(P1_6==1)

{TL0=T0L_L; TH0=T0L_H; P1_6=0; P1_7=1; }

} else

{TL0=T0H_L; TH0=T0H_H; P1_6=1; P1_7=0; }

由于本次设计中PID调节器的输出只能确定电机正转时的PWM占空比，为实现电机反转必须对调节器输出进行处理 D=500+uk;

if(flag1==1) {D=1000-D;} 其中flag1为反转标志位 因此对PWM波生成程序中的变量进行如下操作： T0L_L=(64536+D)%6; T0L_H=(64536+D)/256; T0H_L=(65536-D)%6; T0H_H=(65536-D)/256; 4.4.2 重设参数程序

在本次设计中当电机运行时可以通过键盘重新设定运行参数，包括在维持电机转速

基本不变的情况下改变电机转向，控制电机启停以及重新设定转速。利用外部中断1进行重设参数。 外部中断1的处理程序流程如图4.4所示：

开始关外部中断1保存高低电平持续时间正转键是否按下N反转键是否按下NYY显示并发送转向信息Y关定时器0停车键是否按下N启动键是否按下NN是否重设转速Y参数设定Y开定时器0开外部中断1返回 图4.4 外部中断1处理程序流程图

4.5 转速测量及数字滤波

4.5.1 转速测量

直流电机转速的测量主要有两种方法：定时法（M法）和间隔法（T法）。定时法是在一定的时间内检测光电码盘输出的脉冲个数，再通过计算得出电机的转速；间隔法是检测光电码盘输出的前后两个上升沿（或下降沿）的间隔即脉冲宽度，通过这个时间得到电机转速。本系统中电机转速在1000rpm~3000rpm,转速相对较高，因此采用定时法测速误差较小。

采用定时法进行程序设计时需要考虑采样时间间隔，这可以根据采样定理选择，但也应该考虑控制量的时间间隔，从单片机本身的精度和一个采样周期内要完成的工作量来考虑，过短的采样周期是不实际的；如果间隔时间过长，会造成电机无法正常运行。

本系统中光电码盘每圈输出334个脉冲，经过计算当采用170ms作为时间间隔时，定时器T2所累计的脉冲数即为电机转速，又因为单片机执行程序造成延迟，因此选择160ms作为采样间隔。

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