數(shù)字PID調(diào)節(jié)雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計.doc

運動控制系統(tǒng)期中試題08級數(shù)字PI調(diào)節(jié)雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 自動化 數(shù)字PID調(diào)節(jié)雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘要：以雙極式可逆PWM直流調(diào)速系統(tǒng)為目標(biāo)，采用STC89C51控制器PID算法實現(xiàn)兩個PI調(diào)節(jié)器，分別構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)，采用TL094（PWM）脈寬調(diào)制器產(chǎn)生PWM波，再經(jīng)過TPS2812 MOSFET驅(qū)動器放大，最終實現(xiàn)調(diào)節(jié)給定改變PWM占空比進而調(diào)節(jié)電機的運行狀態(tài)。關(guān)鍵字： 雙閉環(huán) 數(shù)字PI 調(diào)節(jié)器 PWM 調(diào)速 1引言直流電動機因其可以方便地通過改變電樞電壓和勵磁電流實現(xiàn)寬范圍的調(diào)速而得到廣泛的應(yīng)用，而PWM調(diào)速系統(tǒng)又因其優(yōu)點，應(yīng)用日益廣泛。本文采用數(shù)字PID算法的雙極式可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)的方法及實現(xiàn)過程。2 方案選擇與論證2.1 概述PWM直流調(diào)速系統(tǒng)可分為微機控制的數(shù)字系統(tǒng)和模擬器件電路組成的模擬系統(tǒng)。具體實現(xiàn)則又分為PID調(diào)節(jié)器和PWM脈寬調(diào)制的數(shù)字與模擬實現(xiàn)，而不同的方法其實現(xiàn)的難易程度及側(cè)重點各不相同。2.2方案選擇2.1.1脈寬調(diào)制的方法多諧振蕩器或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的脈寬調(diào)制器。用比較器產(chǎn)生鋸齒波或三角波統(tǒng)同可調(diào)的基準(zhǔn)比較獲得脈寬調(diào)制。開關(guān)芯片TL494基本組成原理便屬于這一種。數(shù)字脈寬調(diào)制。采用微機控制系統(tǒng)，直接采用IO獲得PWM波形，程序繁瑣，通常采用帶片上PWM資源的處理器，如C8051F040的PCA很容易產(chǎn)生PWM波形。2.1.2 PI調(diào)節(jié)器模擬PID特別容易實現(xiàn)，只需要用運算放大器構(gòu)成比例、積分和微分電路即可，應(yīng)用的意義已不太大。數(shù)字PID算法。其使用已越來越廣泛，而且更容易實現(xiàn)微機的數(shù)字控制，因此已成為主流。2.1.3最終選擇綜合以上，本文選擇數(shù)字PID算法實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，用有固定頻率的開關(guān)芯片的TL494，實現(xiàn)PWM波調(diào)制。通過模擬與數(shù)字結(jié)合，最終完成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。圖1.2 系統(tǒng)原理框圖3參數(shù)計算3.1直接參數(shù)3.2電流環(huán)：3.2.1時間常數(shù)失控時間，即滯后時間：電流反饋濾波時間常數(shù)按小時間常數(shù)近似處理3.2.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求：,而且因此可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。電流調(diào)節(jié)器選用PI 型,其傳遞函數(shù)為：電流環(huán)開環(huán)增益:要求,按表2-2,應(yīng)取, 因 此 于是ACR比例系數(shù)為：3.2.3檢驗近似條件：電流環(huán)截止頻率 脈寬調(diào)制器傳遞函數(shù)的近似條件： 現(xiàn)在，滿足近似條件。忽略反電動勢變化對對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：現(xiàn)在，滿足近似條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：現(xiàn)在，3.2.4計算調(diào)節(jié)器電阻電容，取，取，取按照上述參數(shù),電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為 圖3-1 電壓調(diào)節(jié)器3.3轉(zhuǎn)速環(huán)：3.3.1 確定時間常數(shù) 電流環(huán)等效時間常數(shù)為：= 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) .根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況,取 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)按小時間常數(shù)近似處理,取3.3.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，又根據(jù)動態(tài)要求，應(yīng)該按典型II型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3.3.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益于是，ASR的比例系數(shù)為：3.3.4檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：現(xiàn)在，滿足簡化條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：現(xiàn)在，滿足近似條件。3.3.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理如下圖所示，取，則，取，取，取3.3.5校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，；而，因此圖3-2 電流調(diào)節(jié)器4數(shù)字PI4.1程序算法： 算法是程序的核心，因此PID算法的實現(xiàn)至關(guān)重要。 圖4-1 PID算法框圖 圖4-2主程序流程框圖在電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計中，我選擇的是PI調(diào)節(jié)器，我設(shè)計的是一個PID所有參數(shù)均可調(diào)的函數(shù)，所以使用時只要改變相應(yīng)的參數(shù)即可得到所要的PI控制器，具體設(shè)置方法請參考主程序。4.1.1 PID算法#include #include#includePID.H/*功能：定義結(jié)構(gòu)體變量*/struct _pid int pv; /*integer that contains the process value*/int sp; /*integer that contains the set point*/float integral;float pgain;float igain;float dgain;int deadband;int last_error;struct _pid warm,*pid;int process_point, set_point,dead_band; float p_gain, i_gain, d_gain, integral_val,new_integ;/* 函數(shù)名：pid_init 功能描述： PID初始化，通過設(shè)定*pv 、*sp賦值修改日期：20011.05.24*/void pid_init(struct _pid *warm, int process_point, int set_point) struct _pid *pid; pid = warm; pid-pv = process_point; pid-sp = set_point; /* 函數(shù)名：pid_tune 功能描述：結(jié)構(gòu)體變量一致.修改日期：20011.05.24*/void pid_tune(struct _pid *pid, float p_gain, float i_gain, float d_gain, int dead_band) pid-pgain = p_gain; pid-igain = i_gain; pid-dgain = d_gain; pid-deadband = dead_band; pid-integral= integral_val; pid-last_error=0; /* 函數(shù)名：pid_setinteg功能描述：/PID結(jié)構(gòu)體中的偏差成員更新修改日期：20011.05.24*/void pid_setinteg(struct _pid *pid,float new_integ) pid-integral = new_integ; pid-last_error = 0; /* 函數(shù)名：pid_bumpless 功能描述：修改日期：20011.05.24*/void pid_bumpless(struct _pid *pid) pid-last_error = (pid-sp)-(pid-pv);/* 函數(shù)名：pid_calc 功能描述：PID核心計算 修改日期：20011.05.24*/float pid_calc(struct _pid *pid)int err;float pterm, dterm, result, ferror; err = (pid-sp) - (pid-pv); if (abs(err) pid-deadband)ferror = (float) err; /*do integer to float conversion only once*/ pterm = pid-pgain * ferror; if (pterm 100 | pterm integral = 0.0;elsepid-integral += pid-igain * ferror; if (pid-integral 100.0) /抗積分飽和，防最大溢出pid-integral = 100.0;else if (pid-integral integral = 0.0; /防最小溢出dterm = (float)(err - pid-last_error) * pid-dgain;/微分值result = pterm + pid-integral + dterm;else result = pid-integral; pid-last_error = err; return (result/p_gain);4.1.1 AD0809.c文件#includeADC0809.h#includereg51.hsbit START=P34;/ATART，ALE接口。0-1-0:啟動AD轉(zhuǎn)換。sbit EOC=P33;/轉(zhuǎn)換完畢由0變1.unsigned int uiADTransform()unsigned int uiResult;START=1; /啟動AD轉(zhuǎn)換。START=0;while(EOC=0); /等待轉(zhuǎn)換結(jié)束。uiResult=OUTPORT; /出入轉(zhuǎn)換結(jié)果。/uiResult=uiResult; /需做處理，則處理結(jié)果。return uiResult;4.1.1 主函數(shù)main.c文件#includereg51.h#includePID.H#includeADC0809.h#define DAC0832_on P2#define uchar unsigned charextern struct _pid Speed,Circuent,*pid;extern int process_point, set_point,dead_band; extern float p_gain, i_gain, d_gain, integral_val,new_integ;bit sample;/* 函數(shù)名：定時器初始化 功能描述：采樣時間的初始化設(shè)置 250us采樣一次修改日期：20011.05.24*/void Timer_Init(void) TCON = 0x50; TMOD = 0x22;/定時器0、1均方式2自動重載 TL0 = 0x6;/ TH0 = 0x6;/TL0 = 0x6;/ TH0 = 0x6;/IE |= 0x82;void PID_Pramt(float p,i,d)p_gain = p;i_gain = i;d_gain = 0;float Un_value=0;float Ue_value=0;void main(void) int count=0; pid = &Speed;Timer_Init();/定時器初始化dead_band = 1;integral_val =(float)(0.01);while(count=200|process_point=set_point)/pid_init(&Speed, process_point,set_point);pid_tune(&Speed, p_gain,i_gain,d_gain,dead_band);pid_setinteg(&Speed,0.0);pid_bumpless(&Speed);if(sample)sample=0;PID_Pramt(5.4,120);Un_value = pid_calc(&Speed);PID_Pramt(4.625,154.1);Ue_value = pid_calc(&Circuent); count+;process_point=Ue_value;void t0() interrupt 1 uiADTransform();sample=1;void t1() interrupt 3 DAC0832_on=(Ue_value*256);4.2硬件基礎(chǔ)： 數(shù)字部分主要功能實現(xiàn)數(shù)字PID算法，故此其需要主控制器、AD采集模塊、DA輸出模塊。這里分別用我們都很熟悉的STC89C51的最小系統(tǒng)、ADC0809、DAC0832.ADC0809 的INT0通道接電流環(huán)的輸出，上面用到的都是我們單片機課學(xué)過和經(jīng)常使用的，因此其功能不作多的介紹了。圖4-2 STC89C51最小系統(tǒng)圖4-2 AD0809采集模塊 圖4-2 DA0832輸出模塊5模擬部分 5.1 系統(tǒng)主電路 變壓器將AC220V變到AC30V,再經(jīng)整流后供系統(tǒng)的主電路H橋，以及基準(zhǔn)電壓的12、5V輸出。圖5-1 主電源圖5-2 H橋及測速、電流檢測模塊圖5-2 基準(zhǔn)電壓模塊5.2 PWM調(diào)制波產(chǎn)生 前述確定了采用TL494開關(guān)控制芯片，需外接R、C提供振蕩電路，振蕩頻率為TL494 的內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、 振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、 兩個誤差放大器、 脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。13腳與14腳基準(zhǔn)相接，構(gòu)成推挽輸出，可以方便構(gòu)成兩路互補的PWM調(diào)制波。TL49其輸出頻率可在1KHZ至200KHZ間雖外界電阻電容值變化，我們接10uf電阻和100K電位器方便改變開關(guān)頻率做他用，其頻率近似公式： 我們選擇推挽輸出方式，則頻率再降為原來一半，,算得電阻R=55K，則可產(chǎn)生1K調(diào)制波。 誤差放大器反相端接12V基準(zhǔn)電源經(jīng)可調(diào)電位器調(diào)節(jié)，同相端接PI調(diào)節(jié)器輸出，單片機的DA輸出。經(jīng)單片機的PI調(diào)節(jié)后的電壓調(diào)整電壓輸出。圖5-1 PWM芯片TL4945.3 PWM波驅(qū)動TPS2812是TI公司生產(chǎn)的雙路高速MOS管驅(qū)動，其驅(qū)動電流峰值可達2A,內(nèi)部含14至40v穩(wěn)壓器。其接法簡單，如圖示。經(jīng)過驅(qū)動后得到Ug1、Ug2兩路互補的PWM波供H橋主電路用。圖5-2 TPS28126設(shè)計總結(jié)這次設(shè)計中，我加深了對直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的理解，特別是對于工程設(shè)計方法的理解。對一學(xué)期所學(xué)的知識得到綜合應(yīng)用，這使我獲益匪淺。本次期中考試不同以往的考試，更加強調(diào)實際能力的綜合，用到我們大學(xué)以來學(xué)到的很多課程和實踐，因此這次設(shè)計是對大學(xué)來整個知識體系的綜合體現(xiàn)?？傊敬握n程設(shè)計，我學(xué)習(xí)了閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)字控制方法的實現(xiàn)方法，加深了對控制系統(tǒng)的理解，也體會到控制思想！最后感謝大學(xué)以來各位老師的辛勤付出，教會我們不僅有知識，更有一種分析解決問題的思想！參考文獻：1 王兆安等.電力電子技術(shù). 北京.機械工業(yè)出版社，2000.2 陳伯時.運動控制系統(tǒng). 北京.機械工業(yè)出版社，2003.附錄：1、MATLAB仿真圖6-1 MATLAB 仿真2、設(shè)