摘要：設計一種直流電機實驗板,方便人們對電機、PID閉環(huán)控制、電機驅(qū)動、單片機等方面的知識的深入綜合地學習和教學，也可為工程師提供設計參考。本文給出了一種基于菲利普公司      P87LPC768的軟硬件實現(xiàn)詳細方法。
      關(guān)鍵詞：P87LPC768，PID，直流電機
      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
      運動控制是自動化控制的一個分支，在自動化生產(chǎn)和日常生活中無處不在。運動控制技術(shù)的推廣與發(fā)展，對推動生產(chǎn)力的發(fā)展有重要的意義。直流電動機因其良好的啟動、制動性能，良好的機械特性，使得其在現(xiàn)代工業(yè)控制領域得到了廣泛的應用，在教學中也占有重要的地位。該直流電機開發(fā)平臺能提供詳細的相關(guān)知識，從電機到驅(qū)動電路，從驅(qū)動電路到控制算法，深入淺出、手把手地教會您相關(guān)電機的原理和控制應用。適合教學和從事運動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完成系統(tǒng)的預期任務，即電機的恒轉(zhuǎn)速控制并送顯示。利用上位機軟件作為電機的速度輸入端，通過上位機與P87LPC768的即時通訊，利用其內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器為電機輸入給定轉(zhuǎn)速，通過電位器電阻大小的改變來改變A/D采樣的結(jié)果，由A/D采樣結(jié)果來輸出與之相對應的PWM波形。在負載一定的情況下，直流電機的轉(zhuǎn)速和供電電壓成正比。本系統(tǒng)使用PWM方波驅(qū)動電機，通過改變PWM的占空比，來調(diào)節(jié)電機兩端的平均電壓，實現(xiàn)調(diào)速。加以一定的驅(qū)動電路來驅(qū)動電機。利用光敏三極管和發(fā)光二極管的光電特性，設計一測速電路實時測量電機的轉(zhuǎn)速，利用P87LPC768的串口送電機的實測轉(zhuǎn)速。設計一PID數(shù)字調(diào)節(jié)器，通過PID算法實現(xiàn)對電機的恒轉(zhuǎn)速控制。

      PC上位機與P87LPC768實時通訊,來實現(xiàn)參數(shù)的設定和動態(tài)顯示，一旦輸入?yún)?shù)發(fā)生變化，則立即送出新得與相對應的CPSW值，即輸出相應占空比的PWM波形。因為由P87LPC768 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)動本系統(tǒng)中的7.2V的小電機，必須將電流、電壓加以放大，在本電路中采用芯片33886加以實現(xiàn)。測速電路是采用光敏三極管和發(fā)光二極管的光電特性來測量電機的轉(zhuǎn)速的。串行通信電路用到了P87LPC768的串行口和MAX232電路，由串行口送出電機的速度。在監(jiān)控程序中，將電機的實測轉(zhuǎn)速與通過和上位機通訊所確定的電機應具有的給定轉(zhuǎn)速比較，一旦二者之間有偏差，馬上調(diào)用PID算法進行糾正，改變PWM波形的輸出占空比，使得電機的實際轉(zhuǎn)速相給定轉(zhuǎn)速靠攏，從而實現(xiàn)電機的恒轉(zhuǎn)速控制。

      2.系統(tǒng)硬件實現(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，可以在寬范圍的性能要求下實現(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)行速度為標準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，轉(zhuǎn)換時間為9.3μs。

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

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

      5.看門狗定時器利用片內(nèi)獨立振蕩器,無需外接元件,溢出時間有8種選擇。

      6.所有口線均有20mA的驅(qū)動能力。

      7. 2個16位定時/計數(shù)器，每一個定時器均可設置為溢出時觸發(fā)相應端口輸出

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

    （2）MC33886電機驅(qū)動

      電機驅(qū)動電路主要是對P87LPC768輸出的PWM波形進行功率放大，本系統(tǒng)中采用電機驅(qū)動芯片MC33886來驅(qū)動電機.MC33886是一款用于電機驅(qū)動的高效單片集成芯片，能夠向負載電機提供高達5.0A的連續(xù)的直流感應電流，最高可以處理10kHz頻率的PWM調(diào)制脈沖.

     （3）電機

      本系統(tǒng)中采用標準微型馬達有限公司生產(chǎn)的直流電機,其型號為RS380-ST,在無負荷的條件下，其電流為0.49A，轉(zhuǎn)速為15300rpm。最大效率為64.6%，此時電流為2.85A，轉(zhuǎn)速13100rpm。最大功率26.68w時，電流8.61A，轉(zhuǎn)速7650rpm。停止時，電流為16.72A。

      其工作條件為：驅(qū)動電壓7.2v，即馬達端子電壓為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%，無負荷最小轉(zhuǎn)速1200轉(zhuǎn)/分，無負荷最大電流630毫安培。

      則由上述參數(shù)可知,此種電機可滿足本系統(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)軟件實現(xiàn)

      本系統(tǒng)中的程序設計采用模塊化的設計方法。多個功能模塊的功能相互獨立，又能夠互相調(diào)用，修改非常的方便，具有較強的可讀性。

      3.1.軟件功能概述

      在系統(tǒng)的硬件確定以后，足夠強大的且功能完善的軟件能夠很好的指導和協(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。

      監(jiān)控程序選擇在定時器中斷服務程序中，主程序完成的任務相對簡單，它只是完成初始化等工作而進入等待方式。一個完整的系統(tǒng)都離不開對系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控，為了更好的協(xié)調(diào)軟件、硬件各個部分正常工作，就必須對整個系統(tǒng)進行嚴密監(jiān)控。為了防止系統(tǒng)死機，使系統(tǒng)能夠更好的工作，通過編程對EPROM的UCFG1寄存器的WDTE位啟動，定時裝置必須定時得到軟件清除，以防止其溢出使MCU復位，但是定時裝置不能被關(guān)閉。定時器中斷服務程序擔任監(jiān)控任務，每隔一定的時間對電機測速裝置、A/D轉(zhuǎn)換進行一次采樣，并進行相應的處理，再經(jīng)過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)來實現(xiàn)電機的恒轉(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)系進行運算，運算結(jié)果用以控制輸出。

      3.2.主要程序模塊

      主程序完成的任務相對簡單。它只是完成初始化等工作而進入等待方式。PWM不能工作在休眠狀態(tài)，當工作在休眠狀態(tài)時，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，從而確定電機的給定轉(zhuǎn)速。通過測速電路測出電機的實際轉(zhuǎn)速，再經(jīng)過串行通信將轉(zhuǎn)速傳送給上位機軟件顯示出來。

      PID控制子程序采用增量型PID控制算法，其算式為：

     設

      所以,有

      即為離散化的增量型PID表達式.當系數(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,若采用浮點運算,當Kp,KI,KD分別求出(并轉(zhuǎn)換成三字節(jié)浮點數(shù)),且存放在指定的內(nèi)部RAM單元中。
      本系統(tǒng)有定時器0中斷服務程序擔任監(jiān)控任務，監(jiān)控掃描時間間隔選擇0.5秒比較合適。即每0.5秒對電機測速裝置、A/D轉(zhuǎn)換進行一次采樣，并進行相應的處理，再經(jīng)過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)來實現(xiàn)電機的恒轉(zhuǎn)速控制。因為時鐘以每0.5秒為一個計數(shù)單元，定時器0為每1/8秒中斷一次，則4次中斷即為1/2秒，需做時間調(diào)整。
      4.結(jié)語
      本文設計了一種簡易型的直流電機實驗板并給出了詳細的軟硬件設計方案，方便人們對直流電機、PID控制算法、電機驅(qū)動、閉環(huán)控制等相關(guān)知識的綜合、深入學習和教學，也可以為工程師提供設計參考便于科研，解決了在電機控制等方法學習難，教學難的問題，具有重要的意義。

      參考文獻：
      [1] 孫育才，MCS-51系列單片微型計算機及其應用，第4版，東南大學出版社，2000
      [2] 周航慈，單片機應用程序設計，北京航空航天大學出版社,2002
      [3] 周航慈等，PHILIPS51LPC系列單片機原理及應用，北京航空航天大學出版社,2001
      [4] 康華光，電子技術(shù)基礎模擬部分，第5版，高等教育出版社,2006
      [5] 吳浩烈，電機及電力拖動基礎，重慶大學出版社,2005
      [6] RABGLEH DIGITAL CONTROL SYSTEM ANLLYSIS
      [7] 秦繼榮，現(xiàn)代直流飼服控制系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社,1993
      [8] MC33886 TECHNICAL DATA，F(xiàn)REESCALE SEMICONDUCTOR，2005
      [9] 胡燁，Protel 99 SE電路設計與仿真教程，機械工業(yè)出版社，2006