畢業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)字空控制PWM雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、數(shù)字空控制pwm雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄1、 摘要. 22、 設(shè)計(jì)任務(wù). 33、 系統(tǒng)的總體方案. 34、 單元電路的設(shè)計(jì). 44.1電動機(jī)主電路設(shè)計(jì). 44.2acr模擬電流調(diào)節(jié)器（pid）具體設(shè)計(jì). 44.3asr數(shù)字調(diào)節(jié)器（pid）的具體設(shè)計(jì). 74.4單片機(jī)及其接口電路的設(shè)計(jì). 9 4.4.1 89c52簡介. 9 4.4.2 8279鍵盤及其顯示電路 . 9 4.4.3 89c52單片機(jī)產(chǎn)生pwm. 14 4.4.4 ad/da設(shè)計(jì). 15 4.5電源電路的設(shè)計(jì). 175、 系統(tǒng)的運(yùn)行過程簡介. 196、 設(shè)計(jì)心得. 207、 參考文獻(xiàn). 21摘要 當(dāng)今，自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各

2、業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。本文主要研究基于數(shù)字控制的pwm雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分（89c52）、栓閉環(huán)、直流電動機(jī)。長期以來，直流電動機(jī)因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡單、易于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速、控制性能好等特點(diǎn)，在傳動領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。 微機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文對基于微機(jī)控制的閉環(huán)可逆直流pwm調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了閉環(huán)直流pwm調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用微機(jī)硬件和軟件編程實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的準(zhǔn)確控制，試圖通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)電氣自動化，本文

3、主要以89c52單片機(jī)為基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入、數(shù)碼管顯示、pwm生成等多種功能，還可以實(shí)現(xiàn)對碼盤測速、da的處理，通過一些外電路，實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的控制。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速，數(shù)字控制，pwm, 雙閉環(huán)，89c52單片機(jī)，8279鍵盤顯示1、 設(shè)計(jì)任務(wù)1、 設(shè)計(jì)目的：實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制pwm雙閉環(huán)直流調(diào)速2、 設(shè)計(jì)的主要電路：電動機(jī)運(yùn)行主電路、雙閉環(huán)控制器、89c52單片機(jī)最小系統(tǒng)及pwm產(chǎn)生電路、8279鍵盤及其顯示電路、測速及其報警電路、ad/da轉(zhuǎn)換電路。3、 參數(shù)計(jì)算：電路中的電阻、電容的數(shù)值，電流調(diào)節(jié)器acr中ki和ci的確定。4、 設(shè)計(jì)要求：直流電動機(jī)的基本數(shù)據(jù)如下：2、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案：

4、 以電動機(jī)運(yùn)行主電路為基礎(chǔ)，通過控制pwm的占空比實(shí)現(xiàn)電動機(jī)正轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、速度的控制。雙閉環(huán)包括電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，通過不斷的檢測電流和轉(zhuǎn)速，然后進(jìn)行與給定值比較，實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的控制。單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，主要是對采集ad反饋過來的信息，還有就是碼盤輸入的信息以及按鍵的信息。然后，做出相應(yīng)的應(yīng)答。本設(shè)計(jì)主要是對89c52單片機(jī)的設(shè)計(jì)，雙閉環(huán)的設(shè)計(jì)，電動機(jī)主電路的設(shè)計(jì)。三、單元電路的設(shè)計(jì)：1、 電動機(jī)的主電路的設(shè)計(jì)： 圖一 電動機(jī)運(yùn)行主電路 此電路為三相橋式不可控整流電路，輸入為三相交流ac1，ac2,ac3。通過橋式整流，轉(zhuǎn)化為直流電，電路中的平波電抗器和電容主要起濾波作用以及電機(jī)在最低負(fù)載（i

5、d=idim）下也能工作在連續(xù)段機(jī)械特性上。g1、g2、g3、g4為igbt開關(guān)器件，通過對其的控制，實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的調(diào)速控制，而本設(shè)計(jì)中主要是用pwm實(shí)現(xiàn)對其的控制。其中，d7d10四個二極管為續(xù)流二極管，其作用為防止負(fù)載電流突變，起到平滑電流以及續(xù)流的作用。設(shè)計(jì)中選的igbt管的型號是sgh80n60ufd,它的參數(shù)如下：管子類型：nmos場效應(yīng)管 極限電壓vm：600v；極限電流im：80 a；耗散功率p：195 w ；額定電壓u：220v；額定電流i：45a2、 acr模擬電流調(diào)節(jié)器（pid）具體設(shè)計(jì)：模擬調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律：u(t)為調(diào)節(jié)器輸出，e(t)為調(diào)節(jié)器誤差輸入，kp為調(diào)節(jié)器比例

6、增為調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。本設(shè)計(jì)只用pi調(diào)節(jié)器就能滿足要求。a）電流環(huán)參數(shù)計(jì)算 1、 確定時間常數(shù)： 1）整流裝置之后時間常數(shù)ts，通過查表可得：ts=0.0017s；2、 選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)：3、 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)：4、 校驗(yàn)近似條件：滿足近似調(diào)節(jié)。滿足設(shè)計(jì)要求。b)電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)電路圖如下： 圖二 電流環(huán)調(diào)節(jié)器3、asr數(shù)字調(diào)節(jié)器（pid）的具體設(shè)計(jì)： pi調(diào)節(jié)器是電力拖動自動控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。 pi調(diào)節(jié)器時域表達(dá)式

7、：其中 kp= kpi 為比例系數(shù) ，ki =為積分系數(shù) 將上式離散化成差分方程，其第 k 拍輸出為：（*）式中 tsam為采樣周期 數(shù)字pi調(diào)節(jié)器有位置式和增量式兩種算法： 位置式算法即為式(*)表述的差分方程，算法特點(diǎn)是：比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。位置式pi調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰，p和i兩部分作用分明，參數(shù)調(diào)整簡單明了，但需要存儲的數(shù)據(jù)較多。 增量式pi調(diào)節(jié)器算法：pi調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得：只要在計(jì)算機(jī)中多保存上一拍的輸出值就可以了。 與模擬調(diào)節(jié)器相似，在數(shù)字控制算法中，需要對 u 限幅，這里，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值um，當(dāng) u(k) um 時，便以限

8、幅值 um作為輸出。不考慮限幅時，位置式和增量式兩種算法完全等同，考慮限幅則兩者略有差異。增量式pi調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式算法必須同時設(shè)積分限幅和輸出限幅，缺一不可。 算法流程： 圖三 數(shù)字pi調(diào)節(jié)器程序框圖 4、單片機(jī)及其接口電路的設(shè)計(jì)（1）89c52簡介 ：本設(shè)計(jì)使用89c52單片機(jī)作為控制芯片，其功能豐富，且使用簡單，具體功能如下： 兼容mcs51指令系統(tǒng) 8k可反復(fù)擦寫(1000次）flash rom 32個雙向i/o口 256x8bit內(nèi)部ram 3個16位可編程定時/計(jì)數(shù)器中斷 時鐘頻率0-24mhz 2個串行中斷 可編程uart串行通道 2個外部中斷源 共6個中斷源 2

9、個讀寫中斷口線 3級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能（2）8279鍵盤及其顯示電路： 圖四 8279鍵盤及其顯示電路a）8279的功能：db0db7：雙向數(shù)據(jù)總線。在cpu與8279間做數(shù)據(jù)與命令的傳送。clk：8279的系統(tǒng)時鐘，100khz為最佳選擇。reset：復(fù)位信號，輸入線，當(dāng)reset=1時，8279復(fù)位，其復(fù)位狀態(tài)為：16字符顯示，編碼掃描鍵盤雙鍵鎖定，程序時鐘編碼1。cs：芯片選擇信號，低電平有效。a0：區(qū)分信息的特征位。a0=1時，讀取狀態(tài)標(biāo)志位或?qū)懭朊?；a0=0時， 讀寫一般數(shù)據(jù)。：讀取控制線。rd=0，8279會送數(shù)據(jù)至外部總線。：寫入控制線。wr=

10、0，8279會從外部總線捕捉數(shù)據(jù)。irq：中斷請求輸出線，高電平有效。在鍵盤工作方式中，當(dāng)fifo傳感器ram中有數(shù)據(jù)時為“1”，cpu每讀一次就變?yōu)?，如果ram中仍有數(shù)據(jù)則irq又變?yōu)椤?”。在傳感器工作方式中，傳感器矩陣無論哪里發(fā)生變化都會使irq為“1”。sl0sl3：掃描按鍵開關(guān)或傳感器矩陣及顯示器，可以是編碼模式或解碼模式。rl0rl7：回復(fù)輸入線，它們是鍵盤或傳感器的列（或行）信號輸入線；平時保持為“1”，當(dāng)矩陣結(jié)點(diǎn)上有鍵（開關(guān)）閉合時變?yōu)椤?”。shift：移位信號輸入線，高電平有效。通常用來擴(kuò)充鍵開關(guān)的功能，可以用作鍵盤上、下檔功能鍵。在傳感器方式和選通方式中，shift無效

11、。cntl/stb：控制/選通輸入線，高電平有效。通常用來擴(kuò)充鍵開關(guān)的控制功能，作為控制功能鍵用。在選通輸入方式時，該信號的上升沿可把來自rl0rl7的數(shù)據(jù)存入fifo/ram中；在傳感器方式下，該信號無效。outa0outa3：動態(tài)掃描顯示的輸出口（高四位）。outb0outb3：動態(tài)掃描顯示的輸出口（低四位）。bd：消隱輸出線,低電平有效，當(dāng)顯示器切換或使用顯示消隱命 令時，將顯示器消隱。b）8279與89c52的連接8279與89c52的許多信號是兼容的，可直接連接，十分方便。8279的8位數(shù)據(jù)線（db0db7）直接接89c52的p0口。rd、wr與89c52的讀寫信號（rd、wr）直接

12、連接。89c52的地址鎖存信號ale接8279的clk，在內(nèi)部分頻后產(chǎn)生其內(nèi)部時鐘信號。8279的中斷請求信號（irq）經(jīng)一個反相器反相后接89c52的 。8279的三個可尋址的寄存器只需兩個地址，即：命令/狀態(tài)寄存器地址和數(shù)據(jù)寄存器地址。8279中與地址有關(guān)的信號為a0和cs，它們的連接情況直接決定著寄存器的地址，一旦硬件電路確定，寄存器的地址也就確定下來了。c)74ls154：為 4 線16 線譯碼器，當(dāng)選通端（g1、g2）均為低電平時，可將地址端（abcd）的二進(jìn)制編碼在一個對應(yīng)的輸出端，以低電平譯出。 如果將g1和g2中的一個作為數(shù)據(jù)輸入端，由abcd對輸出尋址，74ls154還可作1

13、線-16線數(shù)據(jù)分配器。引腳功能介紹：a、b、c、d 譯碼地址輸入端(低電平有效)g1、g2 選通端(低電平有效)015 輸出端(低電平有效)74ls154對應(yīng)真值表： 圖五 74ls154真值表d）鍵盤工作原理：鍵盤采用的是行列式鍵盤，通過掃描的方式進(jìn)行判斷鍵的按下與否，當(dāng)cba=000，此時，key1為低電平，電路中的s1，s3，.s5.s15鍵的右端為低電平，若s1被按下，則rl0則有高電平變?yōu)榈碗娖剑瑥亩_定s1被按下，其他鍵的確認(rèn)也是一樣。當(dāng)cba=001時，key2為低電平，s2，s4，s6.s16鍵的右端為低電平，檢測原理和key1為低電平時相同。e)數(shù)碼管顯示原理：本設(shè)計(jì)使用的是

14、共陰極數(shù)碼管，當(dāng)電路中的cs1，cs2，cs3.cs8為低電平時，數(shù)碼管才開始工作，數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g,h中接入相應(yīng)的高電平，相應(yīng)的二極管會亮，不同的組合會形成不同的顯示模式。當(dāng)cs1，cs2，cs3.cs8分別給其低電平，并且有短暫的延時（肉眼不能分辨的延時），就可以形成數(shù)碼管的動態(tài)顯示。 74ls164：74ls164為8位移位寄存器，當(dāng)清除端（clear）為低電平時，輸出端（qaqh）均為低電平。 串行數(shù)據(jù)輸入端（a，b）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) a、b任意一個為 低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端（clock）脈沖上升沿作用下q0 為低電平。當(dāng)a、b 有一個為高電平，則另一個就允

15、許輸入數(shù)據(jù)，并在clock 上升沿作用下決定q0 的狀態(tài)。clock ：時鐘輸入端clear： 同步清除輸入端（低電平有效） a，b ：串行數(shù)據(jù)輸入端qaqh： 輸出端（3） 89c52單片機(jī)產(chǎn)生pwm： 圖六 單片機(jī)產(chǎn)生pwm及光電隔離電路 通過89c52單片機(jī)中的定時器，設(shè)定好時間間隔，不斷的高低電平的取反形成pwm波，引腳p2.0為pwm波。然后，通過光電隔離器實(shí)現(xiàn)絕緣隔離。隨后，通過op07放大電路進(jìn)行放大，此電路放大三倍左右就能滿足電動機(jī)主電路中的igbt的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。pwm1可以接到圖一的g1，g4，pwm2可以接到圖一的g2,g3，通過單片機(jī)對pwm的控制實(shí)現(xiàn)對電

16、動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。光電耦合器（optical coupler，英文縮寫為oc）簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。其主要優(yōu)點(diǎn)是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高。使用光耦，不僅實(shí)現(xiàn)了電氣隔離和絕緣，而且還減小了電動機(jī)運(yùn)行時對單片機(jī)的影響，有利于單片機(jī)對電動機(jī)的精確控制。（4） ad/da設(shè)計(jì)：a)da設(shè)計(jì)：單片機(jī)對采集來的信息作出應(yīng)答后，需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量才能被外界的電路接收，此時，就必須進(jìn)行da轉(zhuǎn)換才行，下面的電路就是將單片機(jī)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為外界的模擬量的

17、電路！ 圖七 da轉(zhuǎn)換電路tlv5638：tlv5638是ti公司的12位d/a轉(zhuǎn)換器，具有兩個輸出通道，數(shù)據(jù)傳輸接口為3線的串行接口，該接口能夠與常用的微控制器或者微處理器直接相連。每次傳輸數(shù)據(jù)由16位的數(shù)據(jù)組成一幀，其中4位控制命令字，12位輸出數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)僅需一個通道就足夠！tlv5638的引腳功能說明： din：串行數(shù)據(jù)輸入 sclk：串行接口時鐘輸入 /cs：片選信號輸入，低電平有效 outa：a通道模擬電壓輸出 agnd：模擬地 ref：模擬電壓參考輸入/輸出 outb：b通道模擬電壓輸出 vdd：供電電源（2.7v5.5v）通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，輸出ui*的范圍為0-5

18、v。b）ad設(shè)計(jì)：外電路的模擬量要想被計(jì)算機(jī)接收，必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。這是就需要ad轉(zhuǎn)換電路，下面就是將外電路中的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的電路： 圖九 ad轉(zhuǎn)換電路5、電源電路的設(shè)計(jì)：a）正負(fù)12v電壓設(shè)計(jì)電路圖如下： 圖十 交流220v轉(zhuǎn)正負(fù)12v電源 上述電路實(shí)現(xiàn)ac220v變?yōu)?正負(fù)dc12v電源的電路，首先是降壓變壓器，將ac220v變?yōu)閍c16v，然后，通過橋式整流，變?yōu)橹绷鳌Ｈ缓鬄V波，通過三端集成穩(wěn)壓塊，降電壓穩(wěn)定在正負(fù)12v，供其他一些運(yùn)算放大器或者芯片使用。b) +5v電源電壓設(shè)計(jì)電路圖： 圖十一 交流220v轉(zhuǎn) +5v電源該電路的設(shè)計(jì)原理和正負(fù)12v的設(shè)計(jì)原理基本相同，唯一不同的就

19、是三端穩(wěn)壓器lm7805。（5） m/t法測速以及報警指示：碼盤接入電路以及報警指示簡圖： 圖十二 測速電路以及報警電路 在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來測量轉(zhuǎn)速的方法有以下三種：（1）在規(guī)定時間內(nèi)測量所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)來獲得被測速度，稱為m法測速；（2）測量相鄰兩個脈沖的時間來測量速度，稱為t法測速；（3）同時測量檢測時間和在此時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖個數(shù)來測量速度，稱為m/t法測速。以上三中測速方法中，m法適合于測量較高的速度，能獲得較高分辨率；t法適合于測量較低的速度，這時能獲得較高的分辨率；而m/t法則無論高速低速都適合測量。碼盤是將電動機(jī)的轉(zhuǎn)速直流換算成數(shù)字量輸入89c52單片機(jī)中進(jìn)行處理，此處使用的是p2.3口，來接收碼盤發(fā)送過來的信號！以此來進(jìn)行判斷和處理信息，并做出相應(yīng)的應(yīng)答！ 報警指示：通過霍爾傳感器，進(jìn)行對電流不斷的的檢測，然后將轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入單片機(jī)，單片機(jī)通過計(jì)算比較，若數(shù)值在規(guī)定值內(nèi)，則電路中的一切均正常，如果數(shù)值超出規(guī)定值，即為過電流，則單片機(jī)發(fā)出命令，電動機(jī)停止運(yùn)行，led發(fā)光，指示故障，讓工作人員進(jìn)行維修！4、 系統(tǒng)的運(yùn)行過程簡介: 首先，給系統(tǒng)上電，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。通過按鍵設(shè)定轉(zhuǎn)速，單片機(jī)接收到信息，輸出相應(yīng)占空比的pwm波，控制電動機(jī)在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)