計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計--數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、成績:guangdong university of petrochemical technology計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計報告題目：數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 院：計算機(jī)與電子信息學(xué)院班 級:學(xué) 號：指導(dǎo)教師：張友斌起止日期：2011年12月19日20h年12月25日摘要數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上設(shè)計完成的。本系統(tǒng) 以帶有ad轉(zhuǎn)換器的8051系列單片機(jī)為控制器芯片，對電機(jī)進(jìn)行電流、轉(zhuǎn)速雙 閉環(huán)pwm可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。利用單片機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)使其硬件 電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，口不受器件溫度漂移影響。而口其穩(wěn)定性好, 可靠性高，提高了控制性能。在軟件方面，

2、文章中介紹了 pi運(yùn)算程序，初始化 程序等的編寫思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn)。關(guān)鍵字：數(shù)字雙閉環(huán)單片機(jī)調(diào)速abstractdigital dc double loop speed control system 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 contr

3、ol system design of 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 reliability, improves the control performance. on the software side

4、, the article introduced the pi computing procedures, such as initialization procedures for the preparation of ideas and specific procedures to achievekey words: digital double closed-loop single chip adjust speed摘要iabstractii目錄iii計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書iv第一章 數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計1第二章數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計42.1主電路設(shè)計42.2硬件

5、電路結(jié)構(gòu)圖42.3控制電路的設(shè)計52.3.1調(diào)節(jié)器的設(shè)計.52.3.2計算機(jī)控制單元7第三章 數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計103.1系統(tǒng)軟件程序設(shè)計103.2算法實(shí)現(xiàn)13心得體會15參考書目16附錄17計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書題目：數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計使用班級：電氣081、082設(shè)計內(nèi)容采用帶有ad轉(zhuǎn)換器的8051系列單片機(jī)為控制器芯片，對直流電機(jī)進(jìn)行電流、轉(zhuǎn)速雙閉 壞調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。八、硬件系統(tǒng)設(shè)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(jī)選型、 單片機(jī)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(jī)接口電路; 主電路主要包括：upe及保護(hù)電路、功率驅(qū)

6、動放大電路，電機(jī)接口電路。b、軟件系統(tǒng)設(shè)計。主要包扌舌：電流環(huán)采樣、轉(zhuǎn)速環(huán)采樣、電流環(huán)控制器算法、轉(zhuǎn)速環(huán) 算法、中斷控制、故障報警等。設(shè)計步驟一、總體方案設(shè)計二、控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計三、硬件的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)1、選擇計算機(jī)機(jī)型（采用51內(nèi)核的單片機(jī)）；2、設(shè)計支持計算機(jī)工作的外圍電路（eprom , ram、i/o端口、鍵盤、顯示接口電路 等）3、設(shè)計輸入信號接口電路；4、設(shè)計a/d轉(zhuǎn)換和電機(jī)驅(qū)動接口電路；5、其它相關(guān)電路的設(shè)計或方案（電源、通信等）四、軟件設(shè)計1、分配系統(tǒng)資源，編寫系統(tǒng)初始化和主程序模塊框圖；2、編寫a/d轉(zhuǎn)換和速度、電流檢測子程序框圖；3、編寫控制程序和功率驅(qū)動子程序模

7、塊粗圖；4、其它程序模塊（顯示與鍵盤等處理程序）框圖。五、編寫課程設(shè)計說明書，繪制完整的系統(tǒng)電路圖（a3幅面）。課程設(shè)計說明書要求1 .課程設(shè)計說明書應(yīng)書寫認(rèn)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(qiáng)、文理通顧、層次分明、表達(dá)確切，并提出自己的見解和觀點(diǎn)。3課程設(shè)計說明書應(yīng)有目錄、摘要、序言、主干內(nèi)容（按章節(jié)編寫）、主要結(jié)論和參考書, 附錄應(yīng)有系統(tǒng)方樞圖和電路原理圖。4 .課程設(shè)計說明書應(yīng)包括按上述設(shè)計步驟進(jìn)行設(shè)計的分析和思考內(nèi)容和引用的相關(guān)知識.第一章數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計目前，需要高性能可控調(diào)速系統(tǒng)的領(lǐng)域多數(shù)都釆用直流調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電 流雙閉環(huán)

8、調(diào)速系統(tǒng)（簡稱雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)）是由單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來的。單 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，但單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個調(diào)節(jié)器綜合 多種信號，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動態(tài)參數(shù)的調(diào)整，而用兩個調(diào)節(jié) 器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以獲得近似理想 的過渡過程。對于直流調(diào)速系統(tǒng)，要獲得優(yōu)良的性能指標(biāo)，須對電動機(jī)的兩個基 本狀態(tài)變量，即電樞電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，并實(shí)行有效控制.電流和轉(zhuǎn)速兩個 狀態(tài)變量的檢測，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制的必要條件。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器， 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)

9、行嵌套 （或稱串級）聯(lián)接如下圖11所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入, 再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器upe。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán) 在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào) 速系統(tǒng)。40 > ta圖1-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)+由圖12雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖可看出，兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶 限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出限幅電壓t/*im決定了電流給定電壓的最 大值；電流調(diào)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（7dm o以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)碩件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低， 且

10、不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí) 現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更 改起來靈活方便。數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成方式大致可分為三種：1.數(shù)模 混合控制系統(tǒng)2.數(shù)字電路控制系統(tǒng)3.計算機(jī)控制系統(tǒng)ac圖1-3數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)acg l pp/d圖1-4數(shù)字電路控制系統(tǒng)ac圖1-5微機(jī)電路控制系統(tǒng)第二章數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1主電路設(shè)計屮小功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用橋式可逆pwm變換器，圖41為調(diào)速系 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(wǎng)提供的交流電整流成直流電；中

11、間部分是大電容濾波；右半部分 是橋式pwm變換器。2.2硬件電路結(jié)構(gòu)圖微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)碩件結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，系統(tǒng)由主電路、 檢測電路、控制電路、給定電路和顯示電路組成。三相交流電源經(jīng)不可控整流 器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流pwm變換器的到可調(diào)的直流電壓， 給直流電動機(jī)供電；檢測回路包括電壓、電流溫度和轉(zhuǎn)速檢測，其中電壓、電流 和溫度檢測由a/d轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)，轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速。微機(jī) 控制述具備故障檢測功能，對電壓、電流、溫度等信號進(jìn)行實(shí)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(jìn)一步擴(kuò)大，并同時報警，以便人工處理。 數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，一般

12、選用專為電機(jī)控制設(shè)計的單片微機(jī)，配以顯示、鍵盤等外圍電路，通過通信接口與上位機(jī)或其他外設(shè)交換數(shù)據(jù)。這中微機(jī)芯片本 身都帶有a/d轉(zhuǎn)換器、通用i/o和通信接口，還帶有一般微機(jī)并不具備的故障保 護(hù)、數(shù)字測速和pwm生成功能，可大大簡化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。圖2-2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流pwm調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖2.3控制電路的設(shè)計2.3.1調(diào)節(jié)器的設(shè)計圖23雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計：根據(jù)設(shè)計要求并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型i型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)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(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為wacr 二ki ( t is +1) / t iski電流調(diào)節(jié)器的

13、比例系數(shù)； t i電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。圖2-4電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡化圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計：轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)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(yīng)該采用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞 函數(shù)為：wasr (s) = kn( t ns +1 )/ t nskn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；tn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。cc&畑+1)刃(s)r，(£s + l)圖2-5轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡化圖2.3.2計算機(jī)控制單元三相過零檢測電路：為了達(dá)到與電源電壓同步的目的，除了可以使用鎖相同步電路外，還可以實(shí)時 檢測電源電壓的過零點(diǎn)和頻率，根據(jù)過零點(diǎn)和頻率就可以跟

14、蹤輸入的電源電壓的 相位，實(shí)現(xiàn)同步輸入。圖2-6三相過零檢測電路pwm信號發(fā)生電路設(shè)計:鐘電路是用來產(chǎn)牛at89c51單片機(jī)工作時所必須的時鐘信號，at89c51木身 就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為保證工作方式的實(shí)現(xiàn)，at89c51在唯一的時鐘 信號的控制下嚴(yán)格的按時序執(zhí)行指令進(jìn)行工作，時鐘的頻率影響單片機(jī)的速度 和穩(wěn)定性。pwmv2a>b"u1vcc8051xtal2pl.7pl.6pl.5pl.4pl.3pl.2pl. 1p1.05vb3 b2 b1 b0 a<b a=b a>bb3b2blboa2 a1 a0a=ba<ba>ha3 a2 a!ao8

15、q8978q5949q2圖27 pwm信號發(fā)牛:電路a/d轉(zhuǎn)換接口電路：adc0809是8位逐次逼近性a/d轉(zhuǎn)換器。帶8個模擬量輸入通道，有通道 地址譯碼鎖存器，輸岀帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器。啟動信號為脈沖啟動形式。adc0809 內(nèi)部設(shè)有時鐘電路，故clk時鐘需外部輸入，允許范圍500khz1mhz,典型值 為640kh乙每一通道的轉(zhuǎn)換需6673個脈沖，大約100110 us。圖210 a/d轉(zhuǎn)換接口電路電機(jī)驅(qū)動接口電路：采用l298n驅(qū)動器，接受單片機(jī)的輸入信號并放大，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。mom01$011kfaavc cvsjisicxi.ti、1x2cx1.724/、yis-cm.t.101.74尸

16、71v4dd二圖211電機(jī)驅(qū)動接口電電源電路圖： 用78系列的芯片產(chǎn)生5v電壓供給單片機(jī)使用，給單片機(jī)供電。圖2-12電源電路upe及保護(hù)電路設(shè)計：對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由igbt或p-mosfet組成的pwm變換器。鍵盤電路設(shè)計：運(yùn)行方式的設(shè)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(shè)置p1 口為高電平，然后從p1.0到p1. 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(yīng)的處理實(shí)現(xiàn)鍵盤功能，如果引腳為高電 平則不做處理。采用5個獨(dú)立的開關(guān)主要控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，急停，加減速。第三章數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計數(shù)字控制系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件

17、來實(shí)現(xiàn)的，所有的硬件也必須由軟件實(shí)施 管理。單片機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件有主程序、初始化子程序、中 斷服務(wù)子程序等。主程序流程圖如圖31所示。在主程序中，主要完成對各個可編程芯片進(jìn)行 初始化和鍵盤參數(shù)設(shè)置的處理。鍵盤參數(shù)設(shè)置的處理主程序中的垂要部分，這部 分程序設(shè)計采用程序的模塊化，有效的解決了復(fù)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(jìn)入實(shí)時控制階段，每次中斷返回時若有復(fù)位 鍵和新的參數(shù)設(shè)置鍵按下則返回鍵處理程序。圖3-1主程序流程圖圖3-2初始化子程序流程圖如圖22,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(shù) 據(jù)程序表賦常數(shù)、各種限定值裝入數(shù)據(jù)

18、存儲器、設(shè)定堆棧指針、給主程序標(biāo)志寄存器送初始值、控制器設(shè)定初值等。主程序：startpsw. 4psw. 3;選中工作寄存器0組0000 ajmpstart： clrclrclr cmov ro , 4fhmov a , 30hclear1： clr ainc adjnz ro , clear 1setb tr0mov tmode , #01hsetb easetb itosetb 1t1；清零 30-7fh;定時器/計數(shù)器0工作;定時器/計數(shù)器工作在方式1；總中斷開放;置into為降沿觸發(fā);置1nt1為降沿觸發(fā)ljmpmainljmpctcolcall samplef0sc=12mhz,用

19、一個定時器/計數(shù)器定時50ms,用r?作計數(shù)器,置初值1411,到定時時間后產(chǎn)生中斷，每執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序，讓計數(shù)器內(nèi)容減1,當(dāng)計數(shù)器內(nèi)容減為0時，則到is。中斷服務(wù)子程序完成實(shí)時性強(qiáng)的功能，如故障保護(hù)、pwm生成、狀態(tài)檢測和 數(shù)字pi調(diào)節(jié)等，中斷服務(wù)子程序由相應(yīng)的中斷源提出申請，cpu實(shí)時響應(yīng)。(a)圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)屮斷服務(wù)子程序(b)圖電流調(diào)節(jié)屮斷服務(wù)子程序(c)圖故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序(a)(b)(c)圖33中斷子程序流程圖pi控制子程序設(shè)計:pi程序：setbeximovro, 90hmovrl, 8011mova, romovb, r1subba, bmov7fh, amov7eii,

20、#0011mov7bh, umaxmov7ah, uminajmpinajmppmova, r2adda, r3mov7dh, #00hadda, 7dhmov7ch, amov7dii, 7chmova, 7bhcjnea, #ui,loop2mova, #uicjnea, 7ah,loop3mov9011, 7ci1l00p2：mova,7chclrcsubba,:bumaxret il00p3：mova,7chclrcsubba,#uminreti;開放中斷1；pl 口(w)送 ro,預(yù)設(shè)；p0 口 (y)送 rl,實(shí)測;*給人;y給b;ei 給 a；ei 給 7fh；ei二0 給 7e

21、h;積分項；比例項;pi 給 a；pi+pp 給 a；ui=0 給 7dh；u-i+pi+pp二ui 給 a；ui 給 7ch;ui 給 ；umax 給 a；uiumax 轉(zhuǎn)移；ui<umin 轉(zhuǎn)移；輸出ui到pl 口;ui 給 atn： mov6fh, #tmova, 6fh;i給amovb, 7fh;ei 給 bmulab；pi二i*ei 給 amovr2, a；pi 給 r2rettp： mov6eh, #pclrcmova, 7fh；e i 給 asubba, 7eh;ei-ei_i給 amov7eii, 7fh；ei 給 ei-imovmulmovb, 6ehabr3, a；(

22、ei-ei-1) *p 給 a；pp 給 r3rett3. 2算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器采用pi調(diào)節(jié)算法，不僅可以對系統(tǒng)偏差進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，而且可 對偏差進(jìn)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(diào)節(jié)的 pi算式為:式中u(t)1吋刻調(diào)節(jié)器輸出信號；u(/) = k 衛(wèi)+ + n(/)d/(21)kp 比例系數(shù)；a ( /) 時刻偏差，為測量值和給定值之差；7；-積分時間常數(shù)；在數(shù)字式控制中，由于采用數(shù)字計算，要對給定值和反饋量進(jìn)行采樣，因此 要對上述p1算式進(jìn)行離散化，得到適用于數(shù)字控制的p1算式：1 “= kpe(n)-eu)t(22)h j=i式中u(«) 第n次采樣后算得

23、的調(diào)節(jié)器輸出；e(n)第n次次釆樣算得的偏差；t采樣周期；n采樣序號，n二1, 2, 3,上述算式計算出的是第n次采樣后，控制器輸出的數(shù)字量，叫做位置式算式。 從式中可以看出，想要計算u(n),不僅擊要本次與上次偏差信號勁)和勁-1), 而且還要在積分項中把歷次偏差信號鞏力進(jìn)行相加，即求取ie(j).這樣不僅計 >1算繁瑣，而且保留織刀要占用很大的內(nèi)存空間，使用非常不方便。為此，又有了 在實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)字化增量式算式：us) = kple(n)kte(n)(2_3)式中at/(/?)第n次輸出的地量；e(n)第n次采樣后偏差值；心-1)第n-1次米樣后偏差值；ki = kp *777積分系數(shù)：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(guān)，會使輸 出產(chǎn)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