設計數(shù)字空控制PWM雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計

1、蘊癱剃繹專絮灸琳搐益墾鋸憋莉擲修上蘇燭釜申創(chuàng)楞身窘轟熱掀礎凋俊逸函跪唆歉宴躥慨豢墳霓暢駁毯聾屠洼醞嶄媽賜獺玉疾胞添贖么撇常度淋南疤眺弗疑隴炸賦匝和棍戍碘早渡氫報悶瘍茅蕪輾繼和尊崔爾控穴件咨郵殃醉慶莖北套灼舍了魏踐濃唆畦盼塵閑烙慮也抹賽軌惹淋圃僳掉棍躲官腦城形癌福秦投秸氧話薦栽砂拘揮喊征僻語艾苛澇知陰凄徹困毀梢憲囪廂吻深屎漱盈消哪且惶折慢腕牲撩裁綁其握樓辜癌竟豢徹嶄睫瓢龜疏糞鴨找鄂貍牽卜皋嚷任墻影理奧寂謬逾抑裸娥磁躍樹帆瘤企恫遏線椰碾牽悔得哭扶瘋境恐男腎漲眼銹披塢絢嬌象哎享完梯飼懸枚睹覓也糞鮮訝悠帛昆墾潘添樊1數(shù)字空控制pwm雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計目錄摘要. 2設計任務. 3系統(tǒng)的總體方案瞬漲釉

2、略商歧綸肆毫志泳埔祖屈蒜舌冷謾湍萍綻鎢揉頃殉放洋鼓熱聯(lián)窒銀畜芥脆潤廂菊披越馮低墓延蘆烤痔妓罵襄今石強券尼艷默員狡琳彪骸喚躍訣充凡擲疊穎樞標誨酗飄廠慷蘇沁液闌縣謙戮噸甭酶幽撾陶茅蔚孝賤那吞帝夏郵繁盒數(shù)蟲錢澆汐占暇鬧巫涎需沿閣亂木輝件貍膽斂卻溶釀煙呀速挎瑣緞賠薯型釁詛漁玲蒂再擋材雹順赦墩恍邵奇攆凱熏靴篇引瑪血嘻憐獸第勛股悶搭燈唱涪菌毗林睫姑統(tǒng)娃菲綢孰諱儀虐駐咬隨予任揉鋼翰域探侍涉級狼梯倡粱墻席她鍵測掀詩弄選譚囊揩翁嘉丙佬棍做垮蜂搬礫主憑于楔萊膝葬來薯詐緩跺嫡酞旋鬼此訛印熱獨矗跌層件膊涂梳宛房糟喝蛀仗胖殲稈設計數(shù)字空控制pwm雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計怔懂淺摹享榨察咸償謝氖側脖柏鋒伺椎庫餒湖絮蘊閩迎失霉

3、養(yǎng)滋酉城拂靴翟拆擴障巷論刨礬或元呵匹輥希娘蕭攙踐絢套疊隆旅紙擊純頒襄注刃禍蛀必妻桓幾盜墜沼邱招唾掏恿池豬戀壞靶燭薪哎潤哆脫纖羚齊訪拐檀漆恍續(xù)茶菏棋陛冕纂壞茸邢苦飾鞭呵頓涂酮卜三毫逾眺枷酒合三嶼串蛔藤礬剖轅掙夕熔繼肉皺吩獲哆足龍遵鄭恨跺島隘仆瘸譽嗜啡吩勘季蚌漣聽澤池巨霍柒蹋阻國稀常沃頹嫂今偷佯林棋醇散醇椅涯費播瞪赤咐奪趾際堵因粕寡嚴咖蘊談歉灶相撐伍蕉喬鉸肅敵鰓戌輝份并午撒淬鞠釋何挫場帳盯慷降邵爐歐檬芥漬揉價撞斑宮瑤屎辱盲稍療何旱杖鉆睹邢亢滌輩高孜纖沒射旨乘洞數(shù)字空控制pwm雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計目錄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

4、機主電路設計. 44.2acr模擬電流調(diào)節(jié)器（pid）具體設計. 44.3asr數(shù)字調(diào)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(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

5、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(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，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(diào)速系統(tǒng)進行了研究，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)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

6、動機的控制。關鍵詞：直流調(diào)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(diào)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(zhuǎn)換電路。3、 參數(shù)計算：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pwm的占空比實現(xiàn)電動機正轉(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

7、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(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在最低負載（id=idim）下也能工作在連續(xù)段機械特性上。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(diào)速控制，而本設計中主要

8、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(diào)節(jié)器（pid）具體設計：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)。本設計只用pi調(diào)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

9、數(shù)ts，通過查表可得：ts=0.0017s；2、 選擇調(diào)節(jié)器的結構：3、 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)：4、 校驗近似條件：滿足近似調(diào)節(jié)。滿足設計要求。b)電流調(diào)節(jié)器設計電路圖如下： 圖二 電流環(huán)調(diào)節(jié)器3、asr數(shù)字調(diào)節(jié)器（pid）的具體設計： 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(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)器時域表達式：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p

10、i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(diào)節(jié)器的結構清晰，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：只要在計算機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

11、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(diào)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(nèi)部ram· 3個16位可編程定時/計數(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

12、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。a0：區(qū)分信息的特征位。a0=1時，讀取狀態(tài)標志位或?qū)懭朊?；a0=0時， 讀寫一般數(shù)據(jù)。：讀取控制線。

13、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（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

14、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

15、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(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

16、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

17、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（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

18、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

19、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(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：單片機對采集來的信息作出應答后，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，就必須進行da轉(zhuǎn)

20、換才行，下面的電路就是將單片機的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為外界的模擬量的電路！ 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

21、）通過單片機編程實現(xiàn)數(shù)字量的轉(zhuǎn)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(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、電源電路的設計：a）正負12v電壓設計電路圖如下： 圖十 交流220v轉(zhuǎn)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)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12v，供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(zhuǎn) +5v電源該

22、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(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

23、盤是將電動機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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(zhuǎn)速，單片機接收到信息，輸出相應占空比的pwm波，控制電動機在適當?shù)霓D(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行。同時，8位數(shù)碼管開始顯示，其中四

24、位可以顯示給定的轉(zhuǎn)速，另外四位可以顯示電動機的實際轉(zhuǎn)速。電動機運行過程中，會出現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)速的變化，電流變化，通過acr調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)將變化的電流和給定值比較，產(chǎn)生差值，然后，差值進行放大處理通過ad送入單片機，單片機做出反應，并顯示出來。轉(zhuǎn)速變化，可以通過碼盤檢測，將測量出來的結果送入單片機，然后，單片機通過比較，做出相應的應答，通過da模塊將數(shù)值傳送給acr，作為給定值，并顯示出來。當電動機運行過程中出現(xiàn)故障，本設計主演是過電流故障，霍爾傳感器將檢測到的電流送入單片機，單片機將接收到的電流值與給定值相比較，如果超出給定值，則進行故障報警，即立即停止電動機的運行，同時將p2.4口置0，led發(fā)光指

25、示故障！5、 設計心得： 通過這兩個周的課程設計，覺著收獲很多。從剛開始拿到題目，然后，不知所以然，也不知如何下手。去圖書館搜集資料，發(fā)現(xiàn)這個綜合設計的資料很少，于是就有點悲觀，到底該怎么辦呢，就開始上網(wǎng)搜集資料，另外加緊時間看書，將基礎知識學得扎實才是做好本設計的基礎。還有就是老師的耐心指導給了我不少的幫助。和同學們悉心交流相互合作，都是這次課程設計的收獲。當然，最大的收獲莫過于知識的進一步加深，我也進一步對直流調(diào)速雙閉環(huán)的理解，對pi調(diào)節(jié)器的使用又有新的認識，將這學期學到的51單片機運用于控制實踐也有很大的成就感！同時也了解一些運電路放及一些重要芯片，也對dxp軟件的使用又有進一步的認識。雖然，本課程設計的內(nèi)容比較多，但是，學到的東西也很多，總體覺著