摘  要： 基于Matlab GUI（圖形用戶界面）設(shè)計了一種以單片機為控制核心的直流電機PID調(diào)速系統(tǒng)。利用GUI作為上位機對單片機采集的信息進行處理，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的波形顯示、存儲、PID控制等功能。由于該系統(tǒng)的PWM信號由專門PWM芯片產(chǎn)生，因此降低了單片機程序的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的可靠性和控制精度。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，界面的人機交互性好，操作簡單方便。在對PID參數(shù)的選定中可提高對PID算法和電機性能的直觀認(rèn)識，對自動控制、電機拖動等研究領(lǐng)域具有一定的現(xiàn)實意義。
關(guān)鍵詞： Matlab圖形用戶界面；直流電機；比例積分微分；閉環(huán)控制

    相對于其他類型的電機，直流電機具有很多優(yōu)點，包括速度的可控性，啟動、 制動的穩(wěn)定性，以及調(diào)速的平滑性和經(jīng)濟性等[1]。運用其中的一些優(yōu)點可以實現(xiàn)頻繁的無極快速起動、制動和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程中自動化系統(tǒng)各種不同的特殊要求[2]。其有很多不同的控制算法和手段，模擬PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，長期以來形成了典型的控制結(jié)構(gòu)。模擬PID參數(shù)整定方便，能夠滿足一般控制的要求，但是在實際中，現(xiàn)場的參數(shù)是易發(fā)生變化的(如溫度、濕度等)，而模擬PID控制系統(tǒng)一旦給定參數(shù)，則其在整個控制過程中是不能改變的，故其難以使系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制效果[3-4]。隨著計算機技術(shù)與現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，數(shù)字PID技術(shù)逐漸發(fā)展起來，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬PID所完成的控制任務(wù)，而且具備控制算法靈活、可靠性高等優(yōu)點，應(yīng)用面也越來越廣。Matlab具有強大的數(shù)值計算、可視化功能和系統(tǒng)建模仿真能力，在高校和科研機構(gòu)使用極為廣泛[5]。圖形用戶界面是目前計算機應(yīng)用程序界面的主要形式。Matlab為用戶提供了功能強大的集成圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（GUI），通過GUI，用戶可方便、快捷地設(shè)計圖形用戶界面，開發(fā)自己的應(yīng)用程序。并且GUI平臺界面友好、使用簡單，運用十分廣泛，能夠方便地進行某種技術(shù)或方法的演示，將GUI運用到控制系統(tǒng)中也為產(chǎn)品的演示與教學(xué)提供了新的途徑[6]。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    本設(shè)計中，單片機系統(tǒng)作為下位機進行數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行，而Matlab GUI作為上位機主要完成PID調(diào)控、命令的發(fā)送、數(shù)據(jù)的存儲、轉(zhuǎn)速波形顯示等工作。采用51單片機作為主控制器，通過控制D/A模塊產(chǎn)生模擬電壓來驅(qū)動PWM模塊產(chǎn)生相應(yīng)占空比PWM信號，從而實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制。單片機的外圍器件還包括電機驅(qū)動模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、LCD、鍵盤等。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

    該系統(tǒng)采用 STC89C52 單片機為控制核心，控制DA芯片TLC7528能夠產(chǎn)生0～5 V的模擬電壓。該模擬電壓驅(qū)動PWM芯片STC12C5608產(chǎn)生高精度占空比可調(diào)的PWM信號。PWM信號經(jīng)過驅(qū)動芯片BTS7960的功率放大形成了對直流電機的驅(qū)動電壓。依靠光電編碼器完成對電機轉(zhuǎn)速的獲取，上位機接收單片機發(fā)送的轉(zhuǎn)速信息，一方面根據(jù)PID參數(shù)，對電機的轉(zhuǎn)速進行進一步的調(diào)整更正；另一方面，在GUI界面繪制出電機的轉(zhuǎn)速波形。通過GUI界面，可以方便地改變PID參數(shù)，調(diào)整系統(tǒng)的動態(tài)特性，也可以將轉(zhuǎn)速信息保存下來以備后續(xù)分析。該系統(tǒng)采用12 V的電壓為驅(qū)動單獨供電，保證了系統(tǒng)的驅(qū)動能力供給充足，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。鍵盤主要用來復(fù)位單片機系統(tǒng)和選擇串口通信的波特率，LCD則為波特率的選擇和當(dāng)前轉(zhuǎn)速的顯示提供良好的交互界面。
2 系統(tǒng)硬件模塊介紹
2.1 DA轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計
    DA芯片采用雙路、8位數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器TLC7528，8位的分辨率可以為系統(tǒng)提供較高的轉(zhuǎn)換精度。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

    圖中，由單片機輸出的8位數(shù)字量經(jīng)由DA_0到DA_7輸入芯片。DA_CS為控制引腳，控制TLC7528進行轉(zhuǎn)換或者保持模擬量輸出。模擬電壓經(jīng)由DA_OUT輸出，用于控制PWM模塊產(chǎn)生PWM信號。
2.2 PWM模塊設(shè)計
    為了提高PWM信號分辨力，保證系統(tǒng)控制精度，該系統(tǒng)采用單獨的PWM模塊輸出PWM信號。STC12C5608是增強型的8051CPU，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度比傳統(tǒng)8051快8～12倍。針對電機控制、強干擾場合，其內(nèi)部集成了4路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，編程功能使其成為專用的PWM芯片，其高精度A/D轉(zhuǎn)換功能用來處理TLC7528產(chǎn)生的模擬信號，從而實現(xiàn)用模擬電壓來控制PWM信號占空比的功能。其構(gòu)成電路如圖3所示。

    圖3中，STC12C5608芯片從AD0引腳接收TLC7528產(chǎn)生的模擬電壓，芯片根據(jù)其內(nèi)部對應(yīng)的程序在PWM0引腳輸出相應(yīng)占空比的PWM信號。
2.3 驅(qū)動模塊設(shè)計
    直流電機的驅(qū)動芯片采用BTS7960，它是應(yīng)用于電機驅(qū)動的大電流半橋高集成芯片，通態(tài)電阻典型值為16 MΩ，驅(qū)動電流可達(dá)43 A，能夠為系統(tǒng)提供充足的驅(qū)動能力。由于BTS7960的芯片內(nèi)部只有一個半橋，故該模塊采用2片對電機進行驅(qū)動。電路如圖4所示。

    圖4中，IN1與IN2是PWM信號輸入端，ERO1和ERO2是電流檢測輸出引腳。PWM信號經(jīng)過功率放大后在J2兩端輸出，為直流電機提供驅(qū)動電壓。
3 GUI程序設(shè)計
    圖形用戶界面是指包括文本框、標(biāo)簽、按鈕、單選按鈕、復(fù)選框、圖片、菜單、對話框等組件的人機交互界面。在該界面中，通過單擊、雙擊、拖動鼠標(biāo)和簡單的文字輸入就可以輕松地操作計算機，完成所有任務(wù)。它既能嵌入已有的仿真程序，又能把仿真后的圖形化結(jié)果以人機交互的動態(tài)方式直觀呈現(xiàn)，使用者不需要知道代碼的具體內(nèi)容，只要了解操作步驟即可很方便地操作界面。對于熟悉Matlab而不想編寫大量VC代碼的科研人員來講，Matlab GUI無疑是一個最佳選擇[7]。
    圖5所示為該系統(tǒng)的GUI界面，大概包含以下幾個區(qū)域：端口設(shè)置區(qū)、DA轉(zhuǎn)換區(qū)、目的轉(zhuǎn)速設(shè)置區(qū)、開閉環(huán)控制區(qū)、轉(zhuǎn)速波形區(qū)以及理論驅(qū)動電壓波形區(qū)。端口設(shè)置區(qū)主要完成對端口的設(shè)置，如端口號的選擇、波特率的選擇以及Matlab串口中斷類型選擇等(本實驗中，端口號是COM3，波特率是19 200，中斷類型默認(rèn)設(shè)置為接收到特定字符‘Z’后觸發(fā))。DA轉(zhuǎn)換區(qū)可直接控制D/A模塊輸出模擬電壓，從而改變PWM占空比控制轉(zhuǎn)速，以供調(diào)試和測試之用。目的轉(zhuǎn)速設(shè)置區(qū)對期望轉(zhuǎn)速進行設(shè)置，開閉環(huán)控制區(qū)則可以根據(jù)當(dāng)前的控制策略選擇開環(huán)控制或者閉環(huán)控制，在閉環(huán)控制時，可以設(shè)置不同的PID參數(shù)改變系統(tǒng)的響應(yīng)特性。轉(zhuǎn)速波形區(qū)主要完成對實測轉(zhuǎn)速波形的顯示，能夠直觀地觀察到電機轉(zhuǎn)速的響應(yīng)波形。理論驅(qū)動電壓波形區(qū)用來顯示理論驅(qū)動電壓的波形，通過該波形可以基本了解驅(qū)動電壓的變化趨勢，以便與轉(zhuǎn)速波形形成對比。

3.1 Matlab 串口設(shè)置流程
    (1)用serial函數(shù)創(chuàng)建一個串口對象
    obj = serial('port')
　obj=serial('port','PropertyName',PropertyValue,...)
    (2)用fopen函數(shù)打開串口對象
    fileID = fopen(filename)
    fopen()函數(shù)括號中為串口對象，如果無法打開，返回-1。
    (3)用fread函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)
    A=fread(fileID)
    fread函數(shù)括號中為串口對象，返回讀取到的數(shù)據(jù)。
    (4)用fclose函數(shù)、free函數(shù)、delete函數(shù)和clear函數(shù)清除串口對象并釋放內(nèi)存空間。如：
    fclose(s);%關(guān)閉串口對象s
    free(s);%釋放s占用的內(nèi)存空間
    delete(s);%刪除串口對象s
    clear(s);%刪除工作空間變量，釋放內(nèi)存
3.2 串口中斷設(shè)置
3.2.1 選擇中斷模式
    (1)串口緩存區(qū)達(dá)到指定字節(jié)數(shù)時觸發(fā)中斷，如：
    s.BytesAvailableFcnMode='byte';%中斷類型
    s.BytesAvailableFcnCount=31;%指定中斷字節(jié)數(shù)
    s.BytesAvailableFcn={@serial_interrupt,handles};
%指定中斷函數(shù)為serial_interrupt
    (2)接收到特定字符時觸發(fā)中斷，如：
    s.BytesAvailableFcnMode='terminator';%中斷類型
    s.Terminator=′Z′;%當(dāng)接收到字符′Z′時觸發(fā)中斷
    s.BytesAvailableFcn={@serial_interrupt,handles};
%指定中斷函數(shù)為serial_interrupt
3.2.2 在.m文件中添加中斷函數(shù)
    function serial_interrupt(hObject,event,handles)
%定義中斷函數(shù)
3.3 波形繪制與串口數(shù)據(jù)存儲
3.3.1 波形繪制（電機轉(zhuǎn)速波形）
    轉(zhuǎn)速的波形繪制主要在串口中斷函數(shù)中完成，部分代碼如下：
    s_data=fread(s);%串口數(shù)據(jù)讀取
    display_length=600;%定義要繪制的點數(shù)
    time=linspace(0,60,display_length);%定義時間坐標(biāo)
    count=count+1;%計數(shù)變量加1用以繪制下一個點
    speed=(s_data(27)-48)*1000+(s_data(28)-48)*100+
(s_data(29)-48)*10+(s_data(30)-48);
%提取串口中的電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成整型
    rotspeed=[rotspeed,speed];%保存數(shù)據(jù)用于繪圖
    plot(handles.axes_speed,time(1:count),rotspeed(1:count));
%繪圖
    set(handles.axes_speed,'XLim',[time(1),time(end)]);
    if   count==600 %畫滿600點后重新開始畫圖
    count=0;
    rotspeed=speed;
    end
3.3.2 串口數(shù)據(jù)存儲
    本程序默認(rèn)把數(shù)據(jù)存儲到s_text.txt中。部分代碼如下：
    fid=fopen(get(handles.edit_save,'String'),'at');
%以添加文本方式打開文件
    s_text=fread(s);%讀串口數(shù)據(jù)
    fprintf(fid,'%s\n',s_text);%向文件寫入數(shù)據(jù)并換行
3.4 閉環(huán)控制算法
    PID控制是在經(jīng)典控制理論中技術(shù)最成熟、研究最廣泛和應(yīng)用最多的一種控制方式。圖6所示為整理后的閉環(huán)相應(yīng)曲線，其中P參數(shù)為0.5，I參數(shù)為0.05，D參數(shù)為0，目的轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。
    部分程序如下：
    current_speed=data.param;%得到當(dāng)前的轉(zhuǎn)速
    spect_speed=data.target;%得到目標(biāo)轉(zhuǎn)速
    error=spect_speed-current_speed; %求得誤差信號
    sum=sum+error;%誤差信號累加
    P=str2double(get(handles.edit_p,'String'));
%從GUI界面得到P參數(shù)
    I=str2double(get(handles.edit_i,'String'));
%從GUI界面得到I參數(shù)
    D=str2double(get(handles.edit_d,'String'));
%從GUI界面得到D參數(shù)
    result=P*error+I*sum+D*(error-error_1);%驅(qū)動信號
    基于Matlab GUI開發(fā)了一種具有友好用戶界面的PID直流電機調(diào)速系統(tǒng)。通過該界面，用戶能夠直觀地觀察到電機轉(zhuǎn)速變化的波形，并且可以對PID參數(shù)進行實時調(diào)整以觀察電機的動態(tài)響應(yīng)特性。同時GUI的數(shù)據(jù)保存功能能夠保存串口發(fā)送過來的所有數(shù)據(jù)以備后續(xù)的分析和研究。由于該系統(tǒng)的PWM信號由專門PWM芯片產(chǎn)生，降低了單片機程序的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性和控制精度。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡單方便，在自動控制、電機拖動等眾多領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值。
參考文獻
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