一种工业缝纫机速度伺服控制方法.pdf

本发明公开了一种工业缝纫机速度伺服控制方法，涉及工业缝纫机控制领域，包括工业缝纫机本体，其特征在于：所述工业缝纫机本体内设有单片机控制模块、控制面板模块、显示模块、电机驱动模块、直流电机和测速模块，所述控制面板模块连接有所述单片机控制模块，单片机控制模块连接有所述显示模块，单片机控制模块还连接有所述电机驱动模块，电机驱动模块连接有所述直流电机，直流电机连接有所述测速模块，测速模块再与所述单片机控制模块连接。

1.一种工业缝纫机速度伺服控制方法，包括工业缝纫机本体，其特征在于：所述工业缝
纫机本体内设有单片机控制模块、控制面板模块、显示模块、电机驱动模块、直流电机和测
速模块，所述控制面板模块连接有所述单片机控制模块，单片机控制模块连接有所述显示
模块，单片机控制模块还连接有所述电机驱动模块，电机驱动模块连接有所述直流电机，直
流电机连接有所述测速模块，测速模块再与所述单片机控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种工业缝纫机速度伺服控制方法，其特征在于，所述单片控
制模块的单片机采用AT89S51单片机作为主控芯片。
3.根据权利要求1所述的一种工业缝纫机速度伺服控制方法,其特征在于，所述工业缝
纫机内设有电源模块，所述电源模块为工业缝纫机内的各模块进行供电，电源模块采用
7805或7812三端稳压集成电路。
4.根据权利要求1所述的一种工业缝纫机速度伺服控制方法,其特征在于，所述直流电
机采用永磁无刷直流电机。
5.根据权利要求1所述的一种工业缝纫机速度伺服控制方法，其特征在于，所述控制面
板模块采用矩阵式键盘。
6.根据权利要求1所述的一种工业缝纫机速度伺服控制方法，其特征在于，所述电机驱
动模块采用单片机Ⅰ和单片机Ⅱ相互并联，所述单片机Ⅰ上设有开关Ⅰ和开关Ⅱ，所述开关1
和开关2均连接有所述直流电机，所述单片机Ⅱ上设有开关Ⅲ和开关Ⅳ，所述开关Ⅲ和开关
Ⅳ均连接有所述直流电机。
7.根据权利要求1所述的一种工业缝纫机速度伺服控制方法，其特征在于，所述测速模
块包括圆盘、发光二极管和光敏三极管，所述圆盘套设在所述直流电机的电机轴上，所述圆
盘上设有多个凹槽，在圆盘的一侧设有所述发光二极管，在另一侧和发光二极光平行的位
置上设有所述光敏三极管，所述测速模块与单片机控制模块制建设有电压比较器。

一种工业缝纫机速度伺服控制方法

技术领域

本发明涉及工业缝纫机控制领域，特别涉及一种工业缝纫机速度伺服控制方法。

背景技术

随着纺织业的发展，自动化控制技术的提高，缝纫机对自动化设备的需求也愈来
愈高，这对缝纫机设备的自动化控制提出了更高的要求。工业缝纫机是缝纫行业典型的自
动化设备，工业缝纫机是相对于机械式缝纫机而言,其含义概要地说就是缝纫机的挑线、钩
线、送料等执行部件仍沿用原机械机构,而控制方面则采用电子或微电脑系统控制“。产品
一般可分为两种一是含有编程和处理控制系统的称为“微机控制”或“电脑控制系统”二是
无编程和处理的称为“电子控制系统”,其中电子控制技术较为简单。从控制内容的广度来
区分又可分为”单机电脑控制”和”缝纫单元缝纫组合电脑控制两大类,后者智能化、自动化
程度更高。相对于机械式缝纫机而言,工业缝纫机在多个方面有显著的优势。例如,机械式
缝纫机无法完成的自动停针位、自动线迹技术、自动加固缝、自动缝绣等操作,工业缝纫机
都可以轻松地完成,还可以根据缝制过程中工作条件的变化,在自动检测和信息反馈后自
动重新设定缝制工作的数据,并继续正常工作其优点还有诸如减少机械零部件的应用、操
作省力、使用伺服马达系统可以节省能源消耗等。伺服控制系统是工业缝纫机的动力源和
控制器，它的技术水平直接决定了工业缝纫机的自动化控制水平。由于国内大部分缝纫机
设备不具有自主知识产权，我国缝纫机制造业长期处于被动局面，因此研究并开发具有自
主知识产权的工业缝纫机伺服控制系统对我国缝纫行业具有非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种器实时监控及可视化展示系统，以 解决
现有技术中导致的上述多项缺陷。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：一种工业缝纫机速度伺服控制方
法，包括工业缝纫机本体，所述工业缝纫机本体内设有单片机控制模块、控制面板模块、显
示模块、电机驱动模块、直流电机和测速模块，所述控制面板模块连接有所述单片机控制模
块，单片机控制模块连接有所述显示模块，单片机控制模块还连接有所述电机驱动模块，电
机驱动模块连接有所述直流电机，直流电机连接有所述测速模块，测速模块再与所述单片
机控制模块连接。

优选的，所述单片控制模块的单片机采用AT89S51单片机作为主控芯片。

优选的，所述工业缝纫机内设有电源模块，所述电源模块为工业缝纫机内的各模
块进行供电，电源模块采用7805或7812三端稳压集成电路。

优选的，所述直流电机采用永磁无刷直流电机。

优选的，所述控制面板模块采用矩阵式键盘。

优选的，所述电机驱动模块采用单片机Ⅰ和单片机Ⅱ相互并联，所述单片机Ⅰ上设
有开关Ⅰ和开关Ⅱ，所述开关1和开关2均连接有所述直流电机，所述单片机Ⅱ上设有开关Ⅲ
和开关Ⅳ，所述开关Ⅲ和开关Ⅳ均连接有所述直流电机。

优选的，所述测速模块包括圆盘、发光二极管和光敏三极管，所述圆盘套设在所述
直流电机的电机轴上，所述圆盘上设有多个凹槽，在圆盘的一侧设有所述发光二极管，在另
一侧和发光二极光平行的位置上设有所述光敏三极管，所述测速模块和单片机控制模块之
间设有电压比较器。

采用以上技术方案的有益效果是：本发明工业缝纫机速度伺服控制方法，采用单
片机作为控制核心,对无刷直流伺服电机进行全过程精确控制；缝纫机的机头的转动是通
过无刷直流电机驱动来完成，还可以通过操作面板实现与控制系统的信息交换,信息设置,
并有液晶显示器来显示系统当前的状态。整个控 制系统结合运用了光、机、电力电子、数字
控制。采用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。通过设置PWM波的占
空比来控制直流电机的转速，占空比越大，转速越快，越小转速越低。采用了计数器产生PWM
信号，然后通过专门的驱动电机芯片来驱动电机。利用光电传感器将电机速度转换成脉冲
频率反馈到单片机中进行PID运算，实现转速闭环控制，实现电机的调速控制。设计的工业
缝纫机速度伺服系统应具有以下功能：电机的自动调速；电机的正反转的控制；电机转速的
动态显示；电机的加减速的控制。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明电机驱动模块的结构示意图。

图3是本发明测速模块的结构框图。

图4是本发明系统软件的主要流程图。

图5是本发明按键扫描流程图。

图6是本发明PID运算流程图

图7是本发明显示模块的显示流程图。

图8是常规PID控制系统原理框图。

图9是PWM方波图。

其中，1-单片机控制模块，2-控制面板模块，3-显示模块，4-电机驱动模块，5-直流
电机，6-测速模块，7-单片机Ⅰ，8-单片机Ⅱ，9-开关Ⅰ，10-开关Ⅱ，11-开关Ⅲ，12-开关Ⅳ，
13-圆盘，14-凹槽，15-发光二极管，16-光敏三极管，17-电机轴，18-电压比较器。

具体实施方式

下面结合具体实施例来阐述本发明工业缝纫机速度伺服控制方法。

图1-图7出示本发明工业缝纫机速度伺服控制方法的具体实施方式：一种工业缝
纫机速度伺服控制方法，包括工业缝纫机本体，所述工业缝纫机本体 内设有单片机控制模
块1、控制面板模块2、显示模块3、电机驱动模块4、直流电机5和测速模块6，所述控制面板模
块2连接有所述单片机控制模块1，单片机控制模块1连接有所述显示模块3，单片机控制模
块1还连接有所述电机驱动模块4，电机驱动模块4连接有所述直流电机5，直流电机5连接有
所述测速模块6，测速模块6再与所述单片机控制模块1连接。

在本实施例中，所述单片控制模块1的单片机采用AT89S51单片机作为主控芯片，
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-system
programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密
度.非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通
用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛
应用，性能特点：1.4kBytes Flash片内程序存储器；2.128Bytes的随机存取数据存储器
(RAM)；3.32个外部双向输入/输出(I/O)口；4.2个中断优先级，2层中断嵌套中断；5.5个中
断源；6.2个16位可编程定时器/计数器；7.2个全双工串行通信口；8.看门狗(WDT)电路；9.
片内振荡器和时钟电路；10.与MCS-51其他系列单片机兼容；11.全静态工作：0Hz-33MHz；
12.三级程序存储器保密锁定；13.可编程串行通道；14.低功耗的闲置和掉电模式。AT89S51
单片机还连接有T0定时器、T1定时器和外部存储器，具体的为，P3.4引脚计入T0定时器(T0
定时器的外部计数输入)，P3.5引脚接入T1(T1定时器的外部计数输入)P3.6/WR(外部数据
存储器的写选通)，P3.7/RD(外部数据存储器的读选通)。

在本实施例中，所述工业缝纫机内设有电源模块，所述电源模块为工业缝纫机内
的各模块进行供电，电源模块是确保整个系统是否能正常工作的能量来源，所以电源模块
的设计在整个系统中是不可缺少的，根据本发明的要求，此次设计需要两种不同的电压，分
别是提供给直流电机的12V电压，和除电机以外的其他模块所使用的5V电压。电源模块采用
7805或7812三端稳压集成电 路，通过固定芯片对整流后的电压进行降压.稳压处理(如
7812，7805三端稳压集成电路等)，此种方案可靠性安全性高，对能源的利用率高，并且电路
简单容易实现。

在本实施例中，所述直流电机采用永磁无刷直流电机，永磁无刷直流电机具有以
下几方面优点：

1)无刷直流电机驱动电流为方波，输去转矩比较高，与永磁同步电机相比，相同条
件下输去的转矩大15％，可更好的适应厚布多层缝制的需要；

2)无刷直流电机结构相对简单，制造成本低；

3)对于永磁同步电机，控制系统需要高分辨率的位置传感器，成本比较高。而对于
缝纫机这类调速精度要求不高的使用场合，选用无刷直流电机更经济；

4)产生驱动直流无刷电机的方波电压和电流比产生驱动永磁同步电机的正弦波
电压和电流，控制要简单得多，控制器成本低。

因此在满足缝纫机伺服控制要求的前提下，特别是在速度方面的伺服控制，无刷
直流电机控制器成本低，控制方式相对方便，简单，系统也更加可靠。

本发明以深圳市正科电机有限公司生产的正科无刷直流电机BLDC—50S为例，使
用单片机对此进行设计。

在本实施例中，所述控制面板模块2采用矩阵式键盘，这种键盘的特点是行线，列
线分别接输入线，输出线。按键设置在行，列线的交叉点上，利用这种矩阵结构只需m根行线
和n根列线就可组成n*m个按键的键盘，因此矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。考虑
实现电机功能需要多个按键，采用矩阵式键盘。

在本实施例中，所述电机驱动模块4采用单片机Ⅰ8和单片机Ⅱ9相互并联，所述单
片机Ⅰ8上设有开关Ⅰ10和开关Ⅱ11，所述开关110和开关Ⅱ11均连接有所述直流电机5，所述
单片机Ⅱ9上设有开关Ⅲ12和开关Ⅳ13，所述 开关Ⅲ12和开关Ⅳ13均连接有所述直流电机
5。

本发明的主要目的是控制电机的转速，且单片机无法直接驱动直流电机，因此就
需要采用电机驱动模块。采用专门的电机驱动芯片，例如L298N，IR2110等电机驱动芯片，由
于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力，安全，可靠行，所以我们在应用时只需考虑到芯
片的硬件连接，驱动能力等问题就可以了，所以此种方案的电路设计简单，抗干扰能力强，
可靠性好。设计者不需要对硬件电路设计考虑很多，可将重点放在算法实现和软件设计中，
大大的提高了工作效率。在此次直流电机的驱动电机模块设计中采用飞思卡尔公司的5A集
成H桥芯片MC33886。MC33886芯片内置了控制逻辑，电荷泵，门驱动电路以及低导通电阻的
MOSFET输出电路，适合用来控制感性直流负载，可以提供连续的5A电流，并且集成了过流保
护，过热保护，欠压保护。

通过控制MC33886的四根输入线可以方便的实现电机正反转，当开关Ⅰ10，开关Ⅳ
13导通且开关Ⅱ11，开关Ⅲ12截止时，电流正向流过电机，电机正转；开关Ⅱ11，开关Ⅲ12导
通开关Ⅰ10，开关Ⅳ13截止时，电流反向流过电机，适当利用这个过程可以使电机处于反接
制动的状态，迅速降低电机转速；当开关Ⅲ12，开关Ⅳ13导通且开关Ⅰ10，开关Ⅱ11截止时，
没有电源加在电机上，电机两端相当于短接在一起。由于电机轴在外力作用下旋转时，电机
可以产生电能，此时可以把直流电动机看作一个带了很重负载的发电机，电机上会产生一
个阻碍输出轴运动的力，这个力的大小与负荷的大小成正比，此时电机处于能耗制动状态。
本设计中使用两片MC33886并联，一方面减小导通电阻对电机特性的影响，另一方面减小
MC33886内部的过流保护电路对电机启动及制动时的影响。

在本实施例中，所述测速模块6包括圆盘13、发光二极管15和光敏三极管16，所述
圆盘13套设在所述直流电机5的电机轴17上，所述圆盘13上设有多个凹槽14，在圆盘13的一
侧设有所述发光二极管15，在另一侧和发光二 极光15平行的位置上设有所述光敏三极管
16。如果直流电机5带到圆盘13的凹槽14转到恰好发光二极管15对准凹槽14时，发光二极管
15通过凹槽14将光照射到光敏三极管16上，光敏三极管16导通，反之光敏三极管16截止，直
流电机5每转一圈在所述单片机控制模块1的输出端就会产生n个低电平。这样就可根据低
电平的数量来计算电机此时转速了。为了优化整体电路，所述测速模块6与单片机控制模块
1之间连接有电压比较器18，LM358和电阻R6、R7组成电压比较器18，起滤波整形的作用。

计算公式为：

$V=\frac{n}{N\×t}\×60r/min$

n为在t时间内采样次数，N为圆盘凹槽数目，t为采样时间。从这里可以看出速度V
的误差主要是由圆盘边缘上的凹槽数的多少决定的，为了减少系统误差应尽量提高凹槽的
数量，在本发明中取凹槽数N为10，采样时间t为0.5s。

在电机转速控制系统中，系统需要对参数以及电机当前运行状态的显示，因此在
整个系统中必须设计一个显示模块，本发明采用1602LCD液晶显示器，该显示器控制方法简
单，功率低，硬件电路简单，可对字符进行显示。

控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控
制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行的
控制，称为PID控制。实际经验和理论分析都表明，PID控制能够满足相当多工业对象的控制
要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。下面分别介绍模拟PID、数字PID及其参
数整定方法。2.1.1模拟PID在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是PID控制，常规
PID控制系统原理框图如图8所示，系统由模拟PID调节器、执行机构及控制对象组成。

PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成的控制
偏差：

e(t)＝r(t)-c(t) (1.1)

将偏差的比例,积分,微分通过线性组合构成控制量,对控制对象进行控制,故称
为PID调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将P,I,D基本控制规律进行适
当组合,以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P调节器，PI调节器，PID调节器等。

模拟PID调节器的控制规律为：

$u\left(t\right)=K_p\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(t\right)d\left(t\right)+T_d\frac{de\left(t\right)}{e\left(t\right)}\]---\left(1.2\right)$

Kp为比例系数，TI为积分时间常数，Td为微分时间常数。

各校正环节的作用是：

(1)比例环节：在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差
一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取
决于比例系数Kp，比例系数越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也
就越小；但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数Kp选择必须恰
当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。

(2)积分环节：从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作
用就不断的增加；只有在偏差e(t)＝0时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不
会增加的常数。可见，积分部分可以消除系统的偏差。

积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系
统的超调量。积分常数TI越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡；但
是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所 需的时间也较长，但可以减少超
调量，提高系统的稳定性。当TI较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产
生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定TI。

(3)微分环节：实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。
在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应(比例环节的作
用)，而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在PI控制器
的基础上加入微分环节，形成PID控制器。

微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势(变化速度)进行控
制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作
用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它
加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统
一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。

微分部分的作用由微分时间常数Td决定。Td越大时，则它抑制偏差变化的作用越
强；Td越小时，则它反抗偏差变化的作用越弱。微分部分显然对系统稳定有很大的作用。适
当地选择微分常数Td，可以使微分作用达到最优由式2.2可得，模拟PID调节器的传递函数
为：

$D\left(s\right)=\frac{U\left(s\right)}{E\left(s\right)}=K_p(1+\frac{1}{T_{t}S}+T_{d}S)---\left(1.3\right)$

由于计算机的出现，计算机进入了控制领域。人们将模拟PID控制规律引入到计算
机中来。对(式1.3)的PID控制规律进行适当的变换，就可以用软件实现PID控制，即数字PID
控制。

数字PID

用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现由计算机软件来完成的。因此，系统中
数字控制的设计，实际上是计算机算法的设计。由于计算机只能识别数 字量，不能对连续
的控制算式直接进行运算，故在计算机控制系统中，首先必须对控制规律进行离散化的算
法设计。

为将模拟PID控制规律按式(1.2)离散化，我们把r(t),e(t)u(t),c(t)在第n次采
样的数据分别用r(n),e(n),u(n),c(n)表示，于是式(1.1)变为：

e(n)＝r(n)-c(n) (1.4)

当采样周期T很小时dt可以用T近似代替，de(t)可用e(n)-e(n-1)近似代替,“积
分”用“求和”近似代替,即可作如下近似：

$\frac{de\left(t\right)}{dt}\≈\frac{e\left(n\right)-e(n-1)}{T}---\left(1.5\right)$

${\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt\≈\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}e\left(i\right)T---\left(1.6\right)$

这样式(1.2)便可离散化以下差分方程：

$u\left(n\right)=K_p\{e\left(n\right)+\frac{T}{T_t}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}e\left(i\right)+\frac{T_d}{T}\[e\left(n\right)-e(n-1)\]\}+u_0---\left(1.7\right)$

上式中u0是偏差为零时的初值。

第一项起比例控制作用,称为比例(P)项up(n)即：

up(n)＝Kpe(n)

(1.8)

第二项起积分控制作用,称为积分(I)项uI(n)即：

$u_I\left(n\right)=K_p\frac{T}{T_t}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}e\left(i\right)---\left(1.9\right)$

第三项起微分控制作用,称为微分(D)项ud(n)即：

$u_d\left(n\right)=K_p\frac{T_d}{T}\[e\left(n\right)-e(n-1)\]---\left(1.10\right)$

这三种可单独使用也可合并使用，常用的有以下四种组合方式：

P控制：

u(n)＝up(n)+u0 (1.11)

PI控制：

u(n)＝up(n)+uI(n)+u0 (1.12)

PD控制：

u(n)＝up(n)+ud(n)+u0 (1.13)

PID控制：

u(n)＝up(n)+uI(n)+ud(n)+u0 (1.14)

式(1.7)的输出量u(n)为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应
达到的位置。因此,式(1.7)又称为位置型PID算式。

这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对
e(n)进行累加，工作量大，并且因为计算机输出的u(n)对应的是执行机构的实际位置，如果
计算机出现故障，输出的u(n)将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造
成严重的生产事故，这在实生产际中是不允许的。由此可看出，位置型控制算式不够方便，
这是因为要累加偏差e(i),不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此对式
(1.7)进行改进。

$u(n-1)=K_p\{e(n-1)+\frac{T}{T_t}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Σ}}e\left(i\right)+\frac{T_d}{T}\[e(n-1)-e(n-2)\]\}+u_0---\left(1.15\right)$

式(1.7)和式(1.15)相减：

＝Kp[e(n)-e(n-1)]+Kte(n)+Kd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)] (1.16)

由此可得出数字PID增量式控制算式：

u(n)＝Kp[e(n)-e(n-1)]+Kte(n)+Kd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]+u0 (1.17)

式中：Kp为比例增益；

为积分系数；

为微分系数。

数字PID参数

控制器参数整定：指决定调节器的比例系数、积分时间TI、微分时间Td和采样周期T
的具体数值。整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系
统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。

系统的控制效果往往是由控制器的参数决定，只有当控制器的参数调整到一定合
适的值时，系统才能既保持着良好的稳定性，又具有较高的准确性。

无刷直流电机控制器有效的参数整定步骤为：先进行内环电流环控制器参数的整
定，再进行外环速度环控制器参数的整定。每个环参数的整定应按照先整定比例系数，再整
定积分参数，最后整定微分参数的顺序进行。增量PID参数的整定可按连续性PID参数整定
的方法。

PID控制器参数整定方法主要有两种。一是理论计算整定法。它主要是以系统的数
学模型为基础，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据通常没有实用
性，必须通过工程实验进行调整和修改。二是经验整定方法，它主要依靠人们的经验，直接
进行参数的整定，其方法简单、易于掌握，由于实际中无刷直流电机的数学模型很难精确的
知道，故在实际的应用中，常根据经验来凑试确定PID的参数。

(1)凑试法：

按照先比例(P)、再积分(I)、最后微分(D)的顺序。

置调节器积分时间TI＝∞，微分时间Td＝0，在比例系数Kp按经验设置的初 值条件
下，将系统投入运行，由小到大整定比例系数Kp。求得满意的1/4衰减度过渡过程曲线。

引入积分作用(此时应将上述比例系数Kp设置为5/6Kp)。将TI由大到小进行整定。

若需引入微分作用时，则将Td按经验值或按Td＝(1/3～1/4)设置，并由小到大加
入。

用凑试法确定PID参数需要经过多次反复的实验，为了减少凑试次数，提高工作效
率，可以借鉴他人的经验，并根据一定的要求，事先作少量的实验，以得到若干基准参数，然
后按照经验公式，用这些基准参数导出PID控制参数，这就是经验法。

(2)临界比例法

临界比例法就是一种经验法。这种方法首先将控制器选为纯比例控制器，并形成
闭环，改变比例系数，是系统对阶跃输入的响应达到临界状态，这时记下比例系数Kp、临界
振荡周期为Tu，根据临界比例法确认的模拟控制器参数，就可以由两个基准参数得到不同
类型控制器的参数。

下表为临界比例法确认的模拟控制器参数：

控制器类型
Kp
TI
Td
P
0.5Ku


PI
0.45Ku
0.85Tu

PID
0.6Ku
0.5Tu
Tu

在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比
例系数，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例系数称为临界比例系数，相邻两个波峰间的
时间间隔，称为临界振荡周期Tu。

临界比例度法步骤：

1、将调节器的积分时间TI置于最大(TI＝∞)，微分时间Td置零(Td＝0)， 比例系数
Kp适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。

2、将比例系数Kp逐渐增大，得到等幅振荡过程，记下临界比例系数Ku和临界振荡
周期Tu值。

3、根据Ku和Tu值，采用经验公式，计算出调节器各个参数，即Kp、TI和Td的值。

按“先P再I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。若还不够满意，可
再作进一步调整。

这种临界比例法使针对模拟PID控制器，对于数字PID控制器，只要采样周期取的
较小，原则上也同样使用。在电动机的控制中，可以先采用临界比例法，然后在采用临界比
例法求得结果的基础上，用凑试法进一步完善。

脉宽调制(PWM)基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使
输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在
输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平
滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的
大小，也可改变输出频率。

其具体过程：脉冲宽度调制(PWM)是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通
过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟幅值的直流供电要么
完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列
被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电
被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

在本发明中，PWM控制直流电机，是按一个国定的频率来接通和断开电源，并且根
据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占
空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。图9为PWM方波：设电机
始终接通电源时，电机转速最大为Vmax， 设占空比为D＝t1/T，则电机的平均速度为Va＝
Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D＝t1/T是
指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比D＝t1/T时，就可以得到不同的电机平均
速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是
在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。

在整个单片机系统的设计中，软件部分的设计作为系统的重要组成部分，软件编
写的是否合理，语句的使用是否简单易懂直接关系到单片机的工作效率的工作人员的使用
和调制。此次的设计将软件部分设计成若干部分的相对独立的功能模块，通过画出各个模
块的流程图，并根据流程图编写程序，最后根据软件设计的总体结构框图将各个模块联系
在一起，组成能满足设计需要的程序。

系统软件部分由初始化程序，键盘扫描，液晶显示程序，PWM方波，PID算法等组成。

初始化程序主要是配置系统工作环境，如定时器初始化，液晶初始化等。键盘扫描
实现按键识别，消抖和处理，用于设置单机转动状态。液晶显示实现对电机状态的实时显示
机状态。PWM和PID算法实现电机的调速功能。

本发明软件部分设计主要流程为：单片机通过扫描按键得到电动机的初始速度，
利用编写的程序从单片机控制模块的点偏激的P2.0和P2.1口产生PWM信号，经驱动电路输
出给直流电机，电机的转速信息由光电传感器反馈给单片机进行PID运算，通过改变输出脉
冲的的持续时间，改变电动机的转速，实现直流电机的速度伺服控制，转速信息送给LCD显
示。

主程序是一个循环程序，其主要思路是：先设定好速度初始值，这个初始值与测速
电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用PID算法输出控制系数给PWM发生电路改变波
形的占空比，进而控制电机的转速。通过控制Z/F按键控制P2.0和P2.1口的高低电平来控制
电机正反转。当P2.0为高电平P2.1 为低电平时实现电机正转，反之，电机反转。软件流程图
如4-1所示。

键盘扫描主要有数字按键0-9，功能按键加减速按键，启停按键，正反转按键和设
置键组成。数字按键0-9用于实现设置电机转速的初始值。功能按键用于设定电机的正反
转，加减速，启停。键盘扫描原理：首先，给P1赋值0xf0，这时P1.4，P1.5，P1.6，P1.7为高电
平，P1.0，P1.1，P1.2，P1.3为低电平。如果这时候有按键按下那么P1.4，P1.5，P1.6，P1.7就
有一个会变成低电平。因此P1的值就不等于0xf0，这是就可以判断有按键按下。延时一段时
间去抖动后给P1赋值0xfe，也就是P1.0为低电平，其他为高电平，这时如果有在P1.0线上的
P1.4，P1.5，P1.6，P1.7有按键按下，那么就会出现低电平，从而判断哪个按键按下。如果没
有那么就给P1赋值0xfd，也就是P1.1为低电平，其他为高电平。相同方法判断是否有按键按
下，如果没有那么就给P1赋值0xfb......如此类推，一共四次检测。

本发明设计的核心算法为PID算法，它根据本次采样的数据与设定值进行比较得
出偏差e(n)，对偏差进行PID运算最终利用运算结果控制PWM脉冲的占空比来实现对加在电
机两端电压的调节，进而控制电机转速。运算公式为:

u(n)＝Kp[e(n)-e(n-1)]+Kte(n)+Kd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]+u0

因此要想实现PID控制在单片机就必须存在上述算法。

转速的测量和循环采样的实现

脉冲计数函数源程序：

初始化函数调用后，计数器开启，当计数值达到最大65536时，T1溢出，硬件自动使
中断触发位置位，中断允许条件下，CPU响应中断，进入中断服务函数，函数中首先进行定时
器初值重置，保证了再次进入该函数，实现循环，同时进行一次采样和执行PID算法，但是软
件延时又决定采样周期为0.5s。每秒进行一次转速计算，其中pulse_count为脉冲计数，利
用0.5s产生的脉冲数进行速度计算；realspeed＝pulse_count/(10*0.5)；这就是速度计算
公式。

基于上述，本发明工业缝纫机速度伺服控制方法，采用单片机作为控制核心,对无
刷直流伺服电机进行全过程精确控制；缝纫机的机头的转动是通过无刷直流电机驱动来完
成，还可以通过操作面板实现与控制系统的信息交换,信息设置,并有液晶显示器来显示系
统当前的状态。整个控制系统结合运用了光、机、电力电子、数字控制。采用MCS-51系列单片
机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。通过设置PWM波的占空比来控制直流电机的转
速，占空比越 大，转速越快，越小转速越低。采用了计数器产生PWM信号，然后通过专门的驱
动电机芯片来驱动电机。利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中进行
PID运算，实现转速闭环控制，实现电机的调速控制。设计的工业缝纫机速度伺服系统应具
有以下功能：电机的自动调速；电机的正反转的控制；电机转速的动态显示；电机的加减速
的控制。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明
的保护范围。