計算機控制技術課程設計--數字雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　成績： </b></p><p><b>　　《計算機控制技術》</b></p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　題目：數字雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計</p><p>　　學 院： 計算機與電子信息學院

2、 </p><p>　　班 級： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　起止日期：

3、2011年12月19日～2011年12月25日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　數字雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是在經典控制理論的基礎上設計完成的。本系統(tǒng)以帶有AD轉換器的8051系列單片機為控制器芯片，對電機進行電流、轉速雙閉環(huán)PWM可逆直流調速系統(tǒng)設計。利用單片機為核心的數字控制系統(tǒng)使其硬件電路的標準化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移影響

4、。而且其穩(wěn)定性好，可靠性高，提高了控制性能。在軟件方面，文章中介紹了PI運算程序，初始化程序等的編寫思路和具體的程序實現。</p><p>　　關鍵字： 數字 雙閉環(huán) 單片機 調速 </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Digital DC double loop speed control syst

5、em in the classical control theory based on the design completed. The system with a AD converter 8051 series SCM as the controller chip, motor current, speed double closed loop reversible DC speed control system design o

6、f PWM. Using single chip as the core digital control system the hardware circuit of high standardization degree, low manufacturing cost, and is not affected by temperature drift effect. And its good stability, high relia

7、bility, improves th</p><p>　　Key Words: Digital Double Closed-Loop Single chip Adjust speed</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>

8、　　ABSTRACTII</p><p><b>　　目 錄III</b></p><p>　　計算機控制技術課程設計任務書IV</p><p>　　第一章數字雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)總體設計1</p><p>　　第二章 數字雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)硬件設計4</p><p>　　2.1主電路

9、設計4</p><p>　　2.2硬件電路結構圖4</p><p>　　2.3控制電路的設計5</p><p>　　2.3.1 調節(jié)器的設計5</p><p>　　2.3.2 計算機控制單元7</p><p>　　第三章 數字雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)軟件設計10</p><p>　　3.

10、1系統(tǒng)軟件程序設計10</p><p>　　3.2 算法實現13</p><p><b>　　心得體會15</b></p><p><b>　　參考書目16</b></p><p><b>　　附錄17</b></p><p>　　計算機控制技

11、術課程設計任務書</p><p>　　題目：數字雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計</p><p>　　使用班級：電氣081、082</p><p><b>　　設計內容</b></p><p>　　采用帶有AD轉換器的8051系列單片機為控制器芯片，對直流電機進行電流、轉速雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計。</p><p&g

12、t;　　A、硬件系統(tǒng)設計。包括控制電路系統(tǒng)與主電路系統(tǒng)；控制電路主要包括：單片機選型、單片機外圍電路、三相電源過零檢測電路、前向通道電路、反饋通道電路、人機接口電路；主電路主要包括：UPE及保護電路、功率驅動放大電路，電機接口電路。</p><p>　　B、軟件系統(tǒng)設計。主要包括：電流環(huán)采樣、轉速環(huán)采樣、電流環(huán)控制器算法、轉速環(huán)算法、中斷控制、故障報警等。</p><p><b>

13、;　　設計步驟</b></p><p><b>　　一、總體方案設計</b></p><p>　　二、控制系統(tǒng)的建模和數字控制器設計</p><p>　　三、硬件的設計和實現</p><p>　　1、選擇計算機機型（采用51內核的單片機）；</p><p>　　2、 設計支持計算機工作

14、的外圍電路（ EPROM , RAM 、I/O 端口 、鍵盤、顯示接口電路等）</p><p>　　3、設計輸入信號接口電路；</p><p>　　4、設計A/D 轉換和電機驅動接口電路；</p><p>　　5、其它相關電路的設計或方案（電源、通信等）</p><p><b>　　四、軟件設計</b></p>

15、;<p>　　1、分配系統(tǒng)資源，編寫系統(tǒng)初始化和主程序模塊框圖；</p><p>　　2、編寫A/D轉換和速度、電流檢測子程序框圖；</p><p>　　3、編寫控制程序和功率驅動子程序模塊粗圖；</p><p>　　4、其它程序模塊（顯示與鍵盤等處理程序）框圖。</p><p>　　五、編寫課程設計說明書，繪制完整的系統(tǒng)電路圖

16、（ A3 幅面）。</p><p><b>　　課程設計說明書要求</b></p><p>　　1 ．課程設計說明書應書寫認真．字跡工稚，論文格式參考國家正式出版的書籍和論文編排。 2 ．論理正確、邏輯性強、文理通顧、層次分明、表達確切，并提出自己的見解和觀點。</p><p>　　3 ．課程設計說明書應有目錄、摘要、序言、主干內容（按章節(jié)編寫

17、）、主要結論和參考書，附錄應有系統(tǒng)方樞圖和電路原理圖。</p><p>　　4 ．課程設計說明書應包括按上述設計步驟進行設計的分析和思考內容和引用的相關知識．</p><p>　　數字雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)總體設計</p><p>　　目前，需要高性能可控調速系統(tǒng)的領域多數都采用直流調速系統(tǒng)。轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)（簡稱雙閉環(huán)調速系統(tǒng)）是由單閉環(huán)調速系統(tǒng)發(fā)展而來的。單

18、閉環(huán)調速系統(tǒng)可以實現轉速調節(jié)無靜差，但單閉環(huán)調速系統(tǒng)中用一個調節(jié)器綜合多種信號，各參數間相互影響，難于進行調節(jié)器動態(tài)參數的調整，而用兩個調節(jié)器分別調節(jié)轉速和電流，構成轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，則可以獲得近似理想的過渡過程。對于直流調速系統(tǒng), 要獲得優(yōu)良的性能指標, 須對電動機的兩個基本狀態(tài)變量, 即電樞電流和轉速進行檢測, 并實行有效控制. 電流和轉速兩個狀態(tài)變量的檢測, 是實現系統(tǒng)閉環(huán)控制的必要條件。</p><p

19、>　　為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖1-1所示。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。</p><p>　　由圖1-2雙閉環(huán)直流調速

20、系統(tǒng)電路原理圖可看出，兩個調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。</p><p>　　以微處理器為核心的數字控制系統(tǒng)硬件電路的標準化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復雜運算，可以實現不同于一般線性調節(jié)的最優(yōu)化、自適應、非線性、智能化等控制

21、規(guī)律，而且更改起來靈活方便。數字控制直流調速系統(tǒng)的組成方式大致可分為三種：1. 數?；旌峡刂葡到y(tǒng) 2. 數字電路控制系統(tǒng) 3. 計算機控制系統(tǒng)</p><p>　　第二章 數字雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)硬件設計</p><p><b>　　2.1主電路設計</b></p><p>　　中小功率的可逆直流調速系統(tǒng)多采用橋式可逆PWM變換器，圖4-1為調速

22、系統(tǒng)的主電路的原理圖，圖中的左半部分是由6個二極管組成的整流器，采用不可控整流，把電網提供的交流電整流成直流電；中間部分是大電容濾波；右半部分是橋式PWM變換器。</p><p>　　圖2-1 橋式可逆直流脈寬調速系統(tǒng)主電路的原理圖</p><p>　　2.2硬件電路結構圖</p><p>　　微機數字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)硬件結構如圖2-2所示，系統(tǒng)由主電路、檢

23、測電路、控制電路、給定電路和顯示電路組成。 三相交流電源經不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經過直流PWM變換器的到可調的直流電壓，給直流電動機供電；檢測回路包括電壓、電流溫度和轉速檢測，其中電壓、電流和溫度檢測由 A/D 轉換通道變?yōu)閿底至克腿胛C，轉速檢測用數字測速。微機控制還具備故障檢測功能，對電壓、電流、溫度等信號進行實時監(jiān)測和分析比較，若發(fā)生故障立即采取措施，避免故障進一步擴大，并同時報警，以便人工處理。數字控制器是系統(tǒng)

24、的核心，一般選用專為電機控制設計的單片微機，配以顯示、鍵盤等外圍電路，通過通信接口與上位機或其他外設交換數據。這中微機芯片本身都帶有A/D轉換器、通用I/O和通信接口，還帶有一般微機并不具備的故障保護、數字測速和PWM生成功能，可大大簡化數字控制系統(tǒng)的硬件電路。</p><p>　　圖2-2 微機數字控制雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)硬件結構圖</p><p>　　2.3控制電路的設計</

25、p><p>　　2.3.1 調節(jié)器的設計</p><p><b>　　電流調節(jié)器的設計：</b></p><p>　　根據設計要求并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節(jié)器，其傳遞函數為</p><p>　　WACR（S）=Ki（τis +1）/τis</

26、p><p>　　Ki-------電流調節(jié)器的比例系數； τi------電流調節(jié)器的超前時間常數。</p><p><b>　　轉速調節(jié)器的設計：</b></p><p>　　轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型II系統(tǒng)，系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。ASR也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數為：</p>

27、<p>　　WASR（s）= Kn（τns +1）/τns</p><p>　　Kn-------轉速調節(jié)器的比例系數； τn------轉速調節(jié)器的超前時間常數。</p><p>　　2.3.2 計算機控制單元</p><p><b>　　三相過零檢測電路：</b></p><p>　　為了達到與電源電壓

28、同步的目的，除了可以使用鎖相同步電路外，還可以實時檢測電源電壓的過零點和頻率，根據過零點和頻率就可以跟蹤輸入的電源電壓的相位，實現同步輸入。</p><p>　　PWM信號發(fā)生電路設計：</p><p>　　鐘電路是用來產生AT89C51單片機工作時所必須的時鐘信號，AT89C51本身就是一個復雜的同步時序電路，為保證工作方式的實現，AT89C51在唯一的時鐘信號的控制下嚴格的按時序執(zhí)行指

29、令進行工作 ，時鐘的頻率影響單片機的速度和穩(wěn)定性。</p><p>　　A/D 轉換接口電路:</p><p>　　ADC0809是8位逐次逼近性A/D轉換器。帶8個模擬量輸入通道，有通道地址譯碼鎖存器，輸出帶三態(tài)數據鎖存器。啟動信號為脈沖啟動形式。ADC0809內部設有時鐘電路，故CLK時鐘需外部輸入，允許范圍500KHz～1MHz,典型值為640KHZ.每一通道的轉換需66～73個脈沖

30、，大約100～110 μs。</p><p><b>　　電機驅動接口電路:</b></p><p>　　采用L298N驅動器，接受單片機的輸入信號并放大，驅動電機運轉。</p><p><b>　　電源電路圖：</b></p><p>　　用78系列的芯片產生5V電壓供給單片機使用，給單片機供電。

31、</p><p>　　UPE及保護電路設計：</p><p>　　對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器。</p><p><b>　　鍵盤電路設計：</b></p><p>　　運行方式的設置主要有P1口外接鍵盤來完成，判斷鍵盤是否按下的方法：首先設置P1口為高電平，然后從P1.0到P

32、1.4逐個檢測引腳的電平，如果某個引腳為低電平表示該鍵按下，此時不需要做相應的處理實現鍵盤功能，如果引腳為高電平則不做處理。采用5個獨立的開關主要控制電機的正反轉，急停，加減速。</p><p>　　第三章 數字雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　3.1系統(tǒng)軟件程序設計</p><p>　　數字控制系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件來實現的，所有的硬件也必須由軟件實

33、施管理。單片機數字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的軟件有主程序、初始化子程序、中斷服務子程序等。</p><p>　　主程序流程圖如圖3-1所示。在主程序中，主要完成對各個可編程芯片進行初始化和鍵盤參數設置的處理。鍵盤參數設置的處理主程序中的重要部分，這部分程序設計采用程序的模塊化，有效的解決了復雜的多重分支問題。啟動功能鍵按下時，系統(tǒng)開始啟動采樣定時并進入實時控制階段，每次中斷返回時若有復位鍵和新的參數設置鍵按下則返回

34、鍵處理程序。</p><p>　　如圖2-2，系統(tǒng)初始化包括中斷始化、各存儲單元賦初值、鍵盤顯示器的各數據程序表賦常數、各種限定值裝入數據存儲器、設定堆棧指針、給主程序標志寄存器送初始值、控制器設定初值等。</p><p><b>　　主程序：</b></p><p>　　0000 AJMP START</p><p

35、>　　START：CLR PSW.4</p><p>　　CLR PSW.3 ；選中工作寄存器0組</p><p><b>　　CLR C</b></p><p>　　MOV R0 ，4FH</p><p>　　MOV A ，30H</p><p>　　C

36、LEAR1：CLR A</p><p><b>　　INC A</b></p><p>　　DJNZ R0 ，CLEAR1 ；清零30-7FH</p><p>　　SETB TR0 ；定時器/計數器0工作</p><p>　　MOV TMODE ，#01H

37、 ；定時器/計數器工作在方式1</p><p>　　SETB EA ；總中斷開放</p><p>　　SETB IT0 ；置INTO為降沿觸發(fā)</p><p>　　SETB IT1 ；置INT1為降沿觸發(fā)</p><p>

38、　　LJMP MAIN</p><p>　　LJMP CTCO</p><p>　　LCALL SAMPLE</p><p>　　Fosc=12MHZ，用一個定時器/計數器定時50ms，用R2作計數器，置初值14H，到定時時間后產生中斷，每執(zhí)行一次中斷服務程序，讓計數器內容減1，當計數器內容減為0時，則到1s。</p>

39、<p>　　中斷服務子程序完成實時性強的功能，如故障保護、PWM生成、狀態(tài)檢測和數字PI調節(jié)等,中斷服務子程序由相應的中斷源提出申請，CPU實時響應。</p><p>　　（a）圖轉速調節(jié)中斷服務子程序（b）圖電流調節(jié)中斷服務子程序</p><p>　?。╟）圖故障保護中斷服務子程序</p><p>　　PI控制子程序設計:</p>&l

40、t;p><b>　　PI程序：</b></p><p>　　SETB EX1 ；開放中斷1</p><p>　　MOV R0，90H ；P1口（W）送R0,預設</p><p>　　MOV R1，80H

41、 ；P0口（Y）送R1，實測</p><p>　　MOV A，R0 ；W給A</p><p>　　MOV B，R1 ；Y給B</p><p>　　SUBB A，B ；ei給A</p><p>　　M

42、OV 7FH，A ；ei 給7FH</p><p>　　MOV 7EH，#00H ；ei-1=0給7EH</p><p>　　MOV 7BH，Umax</p><p>　　MOV 7AH, Umin</p><p>　　AJMP IN

43、 ；積分項</p><p>　　AJMP P ；比例項</p><p>　　MOV A，R2 ；Pi給A</p><p>　　ADD A，R3 ；Pi+Pp給

44、A</p><p>　　MOV 7DH，#00H ；Ui-1=0給7DH</p><p>　　ADD A，7DH ；Ui-1+Pi+Pp=Ui給A</p><p>　　MOV 7CH,A ；Ui給7CH</p>

45、<p>　　MOV 7DH，7CH ；Ui給Ui-1</p><p>　　MOV A，7BH ；Umax給A</p><p>　　CJNE A，#Ui，LOOP2 ；Ui〉Umax轉移</p><p>　　MOV A

46、，#Ui</p><p>　　CJNE A，7AH，LOOP3 ；Ui<Umin轉移</p><p>　　MOV 90H，7CH ；輸出Ui到P1口</p><p>　　LOOP2：MOV A，7CH ；Ui給A</p><p&

47、gt;<b>　　CLR C</b></p><p>　　SUBB A，#Umax</p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　LOOP3：MOV A，7CH ；Ui給A</p><p><b>　　CLR C<

48、/b></p><p>　　SUBB A，#Umin</p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　IN：MOV 6FH，#I</p><p>　　MOV A，6FH ；I給A</p><p>　　MOV B，7FH

49、 ；ei給B</p><p>　　MUL AB ；Pi=I*ei給A</p><p>　　MOV R2，A ；Pi給R2</p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　P：MOV 6EH

50、，#P</p><p><b>　　CLR C</b></p><p>　　MOV A，7FH ；ei給A</p><p>　　SUBB A，7EH ；ei-ei-1給A</p><p>　　MOV 7EH，7FH

51、 ；ei給ei-1</p><p>　　MOV B，6EH</p><p>　　MUL AB ；（ei-ei-1）*P給A</p><p>　　MOV R3，A ；Pp給R3</p><p><b>　　RETI</b>&l

52、t;/p><p><b>　　3.2 算法實現</b></p><p>　　數字控制器采用PI調節(jié)算法，不僅可以對系統(tǒng)偏差進行比例調節(jié)，而且可對偏差進行積分，因而提高了系統(tǒng)的控制精度和抗外界干擾能力。模擬調節(jié)的PI算式為:</p><p>　　式中---t時刻調節(jié)器輸出信號;</p><p>　　---比例系數; --

53、-時刻偏差，為測量值和給定值之差;</p><p>　　---積分時間常數;</p><p>　　在數字式控制中，由于采用數字計算，要對給定值和反饋量進行采樣，因此要對上述PI算式進行離散化，得到適用于數字控制的PI算式:</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　---第n次采樣后算得的調節(jié)器輸出;

54、---第n次次采樣算得的偏差;</p><p>　　T---采樣周期; n---采樣序號，n=l，2，3，…</p><p>　　上述算式計算出的是第n次采樣后，控制器輸出的數字量，叫做位置式算式。從式中可以看出，想要計算，不僅擊要本次與上次偏差信號和，而且還要在積分項中把歷次偏差信號進行相加，即求取。這樣不僅計算繁瑣，而且保留要占用很大的內存空間，使用非常不方便。為此，又有

55、了在實際應用中的數字化增量式算式:</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　---第n次輸出的地量; ---第n次采樣后偏差值;</p><p>　　---第n-1次采樣后偏差值; ---積分系數:</p><p>　　在位置式算式中，由于采用全量輸出，每次輸出均與原來位置有關，會使輸

56、出產生較大變化。在增量式中，每次只輸出控制增量，對系統(tǒng)影響較小，且具有以下優(yōu)點：</p><p>　　①由于增量輸出，出現誤動作時影響小，必要時可以用限幅辦法去掉。</p><p>　?、谑謩?自動切換時沖擊較小。</p><p>　?、鄄粫a生積分失控，易于獲得較好的積分效果。</p><p><b>　　心得體會</b&g

57、t;</p><p>　　通過本次的課程設計，我對于數字雙閉環(huán)直流電動機的控制系統(tǒng)有了進一步的了解，這是一個具有極好運行和控制性能的控制系統(tǒng)。這次的課程設計難度比較大，它設計到的知識面比較廣，對于我們的來說，具有比較高的的挑戰(zhàn)性。在這次的課程設計中，我通過不斷地查閱不同的書籍，以得取更多的資料來完成這個課程設計。本次的課程設計主要是以8051系列單片機為控制器芯片，對直流電機進行電流、轉速雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計。它不

58、僅要求我們對電機知識的掌握，還同時要求我們具有編程能力。它對于我的大學生涯是一次突破，將我們所學的理論知識應用到實踐中去，提高了我的動手能力好、獨立思考能力和解決問題的能力。我相信這次具有如此大意義的課程設計對我以后的學習和工作能夠起到推動的作用。</p><p><b>　　參考書目</b></p><p>　　[1] 李廣第．單片機基礎．北京：北京航天航空大學出版

59、社，2001．</p><p>　　[2] 李朝春．單片機原理及接口技術．北京：北京航天航空大學出版社，1994．</p><p>　　[3] 阮毅, 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)（第4版）. 機械工業(yè)出版社</p><p>　　[4] 王建華. 計算機控制技術（第2版）. 高等教育出版社</p><p>　　[5] 謝維成

60、、楊加國. 單片機原理與應用及c51程序設計（第2版）. 清華大學出版社 </p><p>　　[6] 譚浩強. C程序設計（第二版）[M]. 北京: 清華大學出版社</p><p>　　[7] 程耕國，張國棟.PWM直流可逆調速微機控制系統(tǒng).電氣時代[J]，2004.</p><p><b>　　附錄</b></p><p