數(shù)字空控制PWM雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計

1、目錄1、 摘要. 22、 設計任務. 33、 系統(tǒng)的總體方案. 34、 單元電路的設計. 44.1電動機主電路設計. 44.2ACR模擬電流調節(jié)器（PID）具體設計. 44.3ASR數(shù)字調節(jié)器（PID）的具體設計. 74.4單片機及其接口電路的設計. 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單片機產(chǎn)生PWM. 14 4.4.4 AD/DA設計. 15 4.5電源電路的設計. 175、 系統(tǒng)的運行過程簡介. 196、 設計心得. 207、 參考文獻. 21摘要 當今，自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應用和發(fā)展，而直流調速控

2、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。長期以來，直流電動機因其具有調節(jié)轉速比較靈活、方法簡單、易于大范圍內平滑調速、控制性能好等特點，在傳動領域占有統(tǒng)治地位。 微機技術的快速發(fā)展，在控制領域得到廣泛應用。本文對基于微機控制的閉環(huán)可逆直流PWM調速系統(tǒng)進行了研究，從直流調速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，用微機硬件和軟件編程實現(xiàn)電動機的準確控制，試圖通過單片機來實現(xiàn)對電動機的控制，從而實現(xiàn)電氣自動化，本文主要以89C52單片機為基礎研究，實現(xiàn)

3、鍵盤輸入、數(shù)碼管顯示、PWM生成等多種功能，還可以實現(xiàn)對碼盤測速、DA的處理，通過一些外電路，實現(xiàn)對電動機的控制。關鍵詞：直流調速，數(shù)字控制，PWM, 雙閉環(huán)，89C52單片機，8279鍵盤顯示1、 設計任務1、 設計目的：實現(xiàn)數(shù)字控制PWM雙閉環(huán)直流調速2、 設計的主要電路：電動機運行主電路、雙閉環(huán)控制器、89C52單片機最小系統(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轉換電路。3、 參數(shù)計算：電路中的電阻、電容的數(shù)值，電流調節(jié)器ACR中Ki和Ci的確定。4、 設計要求：直流電動機的基本數(shù)據(jù)如下：2、 系統(tǒng)設計的總體方案： 以電動機運行主電路為基礎，通過控制P

4、WM的占空比實現(xiàn)電動機正轉、翻轉、速度的控制。雙閉環(huán)包括電流環(huán)和轉速環(huán)，通過不斷的檢測電流和轉速，然后進行與給定值比較，實現(xiàn)對電動機的控制。單片機作為系統(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，做出相應的應答。本設計主要是對89C52單片機的設計，雙閉環(huán)的設計，電動機主電路的設計。三、單元電路的設計：1、 電動機的主電路的設計： 圖一 電動機運行主電路 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在最低負載（Id=Idim）下也能工作在連續(xù)段機械特

5、性上。G1、G2、G3、G4為IGBT開關器件，通過對其的控制，實現(xiàn)對電動機的調速控制，而本設計中主要是用PWM實現(xiàn)對其的控制。其中，D7D10四個二極管為續(xù)流二極管，其作用為防止負載電流突變，起到平滑電流以及續(xù)流的作用。設計中選的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模擬電流調節(jié)器（PID）具體設計：模擬調節(jié)器的控制規(guī)律：u(t)為調節(jié)器輸出，e(t)為調節(jié)器誤差輸入，KP為調節(jié)器比例增為調節(jié)器的積分時間常數(shù)，為微分時間常

6、數(shù)。本設計只用PI調節(jié)器就能滿足要求。A）電流環(huán)參數(shù)計算 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、 選擇調節(jié)器的結構：3、 計算電流調節(jié)器參數(shù)：4、 校驗近似條件：滿足近似調節(jié)。滿足設計要求。B)電流調節(jié)器設計電路圖如下： 圖二 電流環(huán)調節(jié)器3、ASR數(shù)字調節(jié)器（PID）的具體設計： PI調節(jié)器是電力拖動自動控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，當采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設計方法設計調節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調節(jié)器的數(shù)字化。 PI調節(jié)器時域表達式：其中 Kp= Kpi 為比例系數(shù) ，

7、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，算法特點是：比例部分只與當前的偏差有關，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。位置式PI調節(jié)器的結構清晰，P和I兩部分作用分明，參數(shù)調整簡單明了，但需要存儲的數(shù)據(jù)較多。 增量式PI調節(jié)器算法：PI調節(jié)器的輸出可由下式求得：只要在計算機中多保存上一拍的輸出值就可以了。 與模擬調節(jié)器相似，在數(shù)字控制算法中，需要對 u 限幅，這里，只須在程序內設置限幅值Um，當 u(k) >Um 時，便以限幅值 Um作為輸出。不考慮限幅

8、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調節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式算法必須同時設積分限幅和輸出限幅，缺一不可。 算法流程： 圖三 數(shù)字PI調節(jié)器程序框圖 4、單片機及其接口電路的設計（1）89C52簡介 ：本設計使用89C52單片機作為控制芯片，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可反復擦寫(>1000次）Flash ROM· 32個雙向I/O口 · 256x8bit內部RAM· 3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷 · 時鐘頻率0-24MHz· 2

9、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：復位信號，輸入線，當RESET=1時，8279復位，其復位狀態(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。A

10、0：區(qū)分信息的特征位。A0=1時，讀取狀態(tài)標志位或寫入命令；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=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”，當矩陣結點上有鍵

11、（開關）閉合時變?yōu)椤?”。SHIFT：移位信號輸入線，高電平有效。通常用來擴充鍵開關的功能，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。CNTL/STB：控制/選通輸入線，高電平有效。通常用來擴充鍵開關的控制功能，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89

12、C52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）直接連接。89C52的地址鎖存信號ALE接8279的CLK，在內部分頻后產(chǎn)生其內部時鐘信號。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，當選通端（G1、G2）均為低電

13、平時，可將地址端（ABCD）的二進制編碼在一個對應的輸出端，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，通過掃描的方式進行判斷鍵的按下與否，當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?，從而確定S1被按下，其他鍵的確

14、認也是一樣。當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：本設計使用的是共陰極數(shù)碼管，當電路中的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中接入相應的高電平，相應的二極管會亮，不同的組合會形成不同的顯示模式。當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（

15、A，B）可控制數(shù)據(jù)。當 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A、B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(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單片機產(chǎn)生PWM： 圖六 單片機產(chǎn)生PWM及光電隔離電路 通過89C52單片機中的定時器，設定好時間間隔，不斷的高低電平的取反形成PWM波，引腳P2.0為PWM波。然后，通過光電隔離器實現(xiàn)絕緣隔離。隨后，通過OP07放大電路進行放大，此電路放大三倍左右就

16、能滿足電動機主電路中的IGBT的導通，從而實現(xiàn)對電機的控制。PWM1可以接到圖一的G1，G4，PWM2可以接到圖一的G2,G3，通過單片機對PWM的控制實現(xiàn)對電動機轉速的控制。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)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。使用光耦，不僅實現(xiàn)了電氣隔離和絕緣，而且還減小了電動機運行時對單片機的影響，有利于單片機對電動機的精確控制。（4） AD/DA設計：A)DA設計

17、：單片機對采集來的信息作出應答后，需要將數(shù)字量轉化為模擬量才能被外界的電路接收，此時，就必須進行DA轉換才行，下面的電路就是將單片機的數(shù)字量轉換為外界的模擬量的電路！ 圖七 DA轉換電路TLV5638：TLV5638是TI公司的12位D/A轉換器，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)。本設計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

18、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）通過單片機編程實現(xiàn)數(shù)字量的轉換，輸出Ui*的范圍為0-5V。B）AD設計：外電路的模擬量要想被計算機接收，必須轉換為數(shù)字量。這是就需要AD轉換電路，下面就是將外電路中的模擬量轉化為數(shù)字量的電路： 圖九 AD轉換電路5、電源電路的設計：A）正負12V電壓設計電路圖如下： 圖十 交流220V轉正負12V電源 上述電路實現(xiàn)AC220V變?yōu)?正負DC12V電源的電路，首先是降壓變壓器，將AC220V變?yōu)锳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12V，供

19、其他一些運算放大器或者芯片使用。B) +5V電源電壓設計電路圖： 圖十一 交流220V轉 +5V電源該電路的設計原理和正負12V的設計原理基本相同，唯一不同的就是三端穩(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)脈沖計數(shù)來測量轉速的方法有以下三種：（1）在規(guī)定時間內測量所產(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

20、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。碼盤是將電動機的轉速直流換算成數(shù)字量輸入89C52單片機中進行處理，此處使用的是P2.3口，來接收碼盤發(fā)送過來的信號！以此來進行判斷和處理信息，并做出相應的應答！ 報警指示：通過霍爾傳感器，進行對電流不斷的的檢測，然后將轉換的結果送入單片機，單片機通過計算比較，若數(shù)值在規(guī)定值內，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，則單片機發(fā)出命令，電動機停止運行，LED發(fā)光，指示故障，讓工作人員進行維修！4、 系統(tǒng)的運行過程簡介: 首先，給系統(tǒng)上電，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。通過按鍵設定轉速，單片機接收到信息，輸出相應占空比的PWM波，控制電