计算机控制课程设计Word文档下载推荐.docx

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所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。

所以，直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。

微处理器诞生于上个世纪七十年代，随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。

此外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提高。

为微处理器普遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。

对于简单的微处理器控制电机，只需利用用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。

现在带微处理器的可编程控制器，已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得到应用，通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。

对于复杂的微处理器控制电机,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令准确工作。

通过微处理器控制，可使电机的性能有很大的提高。

目前相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；

交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节[2]。

高性能的微处理器如DSP（DIGITALSIGNALPROCESSOR即数字信号处理器）的出现，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。

在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了如DSP等的高速微处理器，其执行速度可达数百万兆以上每秒，且具有适合的矩阵运算。

二、总体方案设计

2.1硬件方案论证

要控制直流电机转速，硬件电路要求比较高，它决定直流电机调速的精度。

采用PID控制器，因此需要设计一个闭环直流电机控制系统。

该系统采用脉宽调速，使电机速度等于设定值，并且实时显示电极的转速值。

通过对设计功能分解，设计方案论证可以分为：

系统结构方案论证，速度测量方案论证，电机驱动方案论证，键盘显示方案论证，PWM软件实现方案论证。

2.1.1微处理器的选择

方案一：

采用一片单片机（AT89S52）完成系统所有测量、控制运算，并输出PWM控制信号。

方案二：

采用两片单片机（AT89S52）,其中一片做成PID控制器，专门进行PID运算和PWM控制信号输出；

另一片则系统主芯片，完成电机速度的键盘设定、测量、显示，并向PID控制器提供设定值和测量值，设定PID控制器的控制速度等。

方案一的优点是系统硬件简单，结构紧凑。

但是其造成CPU资源紧张，程序的多任务处理难度增大，不利与提高和扩展系统性能，也不利于向其他系统移植。

方案二则与方案一相反，虽然硬件增加，但在程序设计上有充分的自由去改善速度测量精度，缩短测量周期，优化键盘，显示及扩展其它功能。

与此同时，PID控制算法的实现可以精益求精，对程序算法或参数稍加改动即可移植到其他PID控制系统中。

因此通过比较，选择方案二。

2.1.2测速传感器的选择

使用测速发电机，输出电动势E和转速n成线性关系，即E=kn，其中k是常数。

改变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变。

方案二：

采用霍尔传感器，霍尔元件是磁敏元件，在被测的旋转体上装一磁体，旋转时，每当磁体经过霍尔元件，霍尔元件就发出一个信号，经放大整形得到脉冲信号，送运算。

方案三：

在电机的转轴端开一小洞，利用红外光电耦合器，每转半圈OUT端输出一个上脉冲。

经比较，方案一中的测速放电机安装不如方案二中霍尔元件安装方便，并且准确率也没方案二的高，并且方案二不需A/D转换，直接可以被单片机接收。

但方案二的霍尔传感器的采购不是很方便，故采用方案三，它具有方案二的几乎所有的优点。

方案三中可以采用记数的方法：

具体是通过单片机记单位时间S（秒）内的脉冲数N，每分钟的转速：

M=N/S×

60。

也可以采用定时的方法：

是通过定时器记录脉冲的周期T，这样每分钟的转速：

M=60/T。

比较两个计数方法，方法一的误差主要是±

1误差（量化误差），设电机的最低设计转速为120转/分，则记数时间S=1s，所以其误差得绝对值|γ|=|（N±

1）/S×

60-N/S×

60|=60（转/分），误差计算公式表明，增大记数时间可以提高测量精度，但这样做却增大了速度采样周期，会降低系统控制灵敏度。

而方法二所产生的误差主要是标准误差，并且使采样时间降到最短，误差γ=[60/（T±

1）-60/T]，设电机速度在120—6000转/分之间，那么0.01s≤T≤0.5s，代入公式得：

0.00024≤|γ|≤0.6（转/分）。

由此明显看出,方法二在测量精度及提高系统控制灵敏度等方面优于方法一，所以采用方法二计数。

故选方案三。

2.1.3键盘显示方案论证

采用4×

4键盘，可直接输入设定值。

显示部分使用4位数码管，优点是显示亮度大，缺点是功耗大，不符合智能化趋势而且不美观。

使用4个按键，进行逐位设置。

显示部分是使用支持中文显示的LCD，优点是美观大方，有利于人与系统的交互，及显示内容的扩展；

缺点是成本高，抗干扰能力较差。

为了系统容易扩展、操作以及美观，本设计完全采用方案二。

2.1.4电机驱动方案论证

方案一：

采用专用小型直流电机驱动芯片。

这个方案的优点是驱动电路简单，几乎不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对较小，而且目前市场上此类芯片种类齐全，价格也比较便宜。

采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。

这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。

采用由达林顿管组成的H型PWM电路。

用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。

这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；

H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；

电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。

通过比较和对市场因素的考虑，本设计采用方案一，使系统的设计核心在PID控制上。

2.1.5输入输出通道

由于选用了霍尔式传感器，故输入的信号经调理放大后直接是脉冲信号，无需经过A/D转换就可以输入到单片机中。

由于采用PWM控制直流电机的电枢电压，故单片机的输出经放大驱动电路就可以直接控制电机的电枢电压，以此来控制电机的转速。

2.1.6PWM实现方案论证

PWM信号的产生通常有两种方法:

一种是软件的方法；

另一种是硬件的方法。

基于NE555，SG3525等一系列的脉宽调速系统：

此种方式采用NE555作为控制电路的核心，用于产生控制信号。

NE555产生的信号要通过功率放大才能驱动后级电路。

NE555、SG3525构成的控制电路较为复杂，且智能化、自动化水平较低，在工业生产中不利于推广和应用。

基于单片机类由软件来实现PWM：

在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压

不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。

改变占空比D的值有三种方法：

A、定宽调频法：

保持

不变，只改变t，这样使周期（或频率）也随之改变。

（图2-1）

B、调宽调频法：

保持t不变，只改变

，这样使周期（或频率）也随之改变。

C、定频调宽法：

保持周期T（或频率）不变，同时改变

和t。

图2-1电枢电压占空比图

前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。

利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。

所以选方案二，采用定频调宽法。

2.2系统原理框图设计

系统原理框图如图2.1所示，是一个带键盘输入和显示的闭环测量控制系统。

主体思想是通过系统设定信息和测量反馈信息计算输出控制信息。

图2.1系统原理框图

三、直流调速系统介绍

3.1直流调速系统概述

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。

从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。

调速通常通过给定环节，中间放大环节，校正环节，反馈环节和保护环节等来实现。

电动机的转速不能自动校正与给定转速的偏差的调速系统称为开环控制系统。

这种调速系统的电动机的转速要受到负载波动及电源电压波动等外界扰动的影响。

电动机的转速能自动的校正与给定转速的偏差，不受负载及电网电压波动等外界扰动的影响，使电动机的转速始终与给定转速保持一致的调速系统称为闭环控制系统。

这是由于闭环控制系统具有反馈环节。

电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。

它能按照规定的指令，及时的控制电动机的启动、制动、运转方向、位置、速度和加速度等，以满足工作机械及生产过程的要求。

随着电机、传感器、控制器件、变流技术和控制理论的发展，电气传动控制系统也得到了很大的发展。

目前，所用电机的单机容量从几百瓦发展到数万千瓦，变流设备从旋转式电机变流机组发展到大功率晶闸管静止变流装置，中小功率自关断器件静止变频装置；

控制单元从模拟量触发器、调节器、给定积分器发展到以微处理器芯片为核心的交、直流通用的数字量控制模块；

系统的控制方式从手动操作的开关控制发展到闭环多参量控制；

电气传动以从单纯的调速系统扩展为实现位置、速度、加速度控制的运动控制中的重要分支。

3.2单闭环直流调速系统

在单闭环直流调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流IIr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。

带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统启动时的电流和转速波形（如图1.1a）所示。

当电流从最大值降低下来以后，电极转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。

在电机最大电流（或转矩）受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（或转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

这样的理想启动过程波形示于（如图1.1b）。

这时，启动电流呈方形波，而转速是线性增长的。

这是在最大电流（或转矩）受限制的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图1-1b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。

为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。

按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就应该能得到近似的恒流过程。

问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端；

到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。

双闭环直流调速系统正是用来解决这个问题的。

图3.1直流调速系统启动过程的电流和转速波形

采用PI调节器的单闭环转速反馈系统，即保证了动态稳定性，有保证了静态无静差，很好的解决了动静态之间的矛盾。

但电流得不到限制。

电流负反馈虽然能限制启动电流，但在启动时，启动电流仅在某一瞬间达到最大的允许值，其余的时间都比较小启动过程慢。

同时。

他的机械特性较软，不适合调速，想要启动过程尽可能快。

就应使整个启动过程中的电机始终保持最大的启动转矩。

由上述可知，实现理想过程过程的关键是控制电流波形，

图3.2生产机械工作工程

由图可知，为了达到最佳过渡过程，必须满足：

（1）过渡过程中，尽量能使电枢电流为最大值，过渡过程结束时，尽快使电枢电流达到稳定值。

（2）为了使电枢电流有动态到稳态和由稳态到动态迅速变化，应使Ud突变到最大值，待电枢电流达到要求值欧，在突变到需要值。

同时，西东机械特性曲线应既有转速负反馈的绝对硬特性，还要有电流截至负反馈挖土机特性。

如果单闭环无静差调速系统同时引入转速负反馈和电流负反馈，法兼顾这两方面的性能要求，不仅启动电流波形几乎没有得到改善，而且其转速还存在静差，所以就引入了双环和多环调速系统。

四、电路元器件说明

4.1芯片ADC0809介绍

4.1.1ADC0809主要特性

ADC0809芯片是要外加电压和时钟，当输入不同的电压的时候，就可以把不同的电压模拟量转化为数字值，输入的电压越大，其转换的相应的数字也就会越大

（1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。

（2）具有转换起停控制端。

（3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）　

（4）单个＋5V电源供电　

（5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

（6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度　

（7）低功耗，约15mW。

4.1.2内部结构

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近

4.1.3外部特性

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图13．23所示。

下面说明各引脚功能。

IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

2-1～2-8：

8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路　

ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START：

A／D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

EOC：

A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：

基准电压。

Vcc：

电源，单一＋5V。

GND：

地。

图4.1ADC0809芯片管脚图

4.1.4ADC0809的工作过程

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。

数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。

为此可采用下述三种方式。

定时传送方式　　对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。

可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

查询方式　　A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。

因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。

中断方式　　把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。

首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

4.2芯片AT89C51介绍

4.2.1AT89C51单片机的结构

AT89系列单片机在内部结构上基本相同，其中不同型号的单片机只不过在个别模块和功能方面有些区别。

它由一个8位中央处理器（CPU）、一个256B片内RAM及4KBFlashROM、21个特殊功能寄存器、4个8位并行I/O口、两个16位定时/计数器、一个串行I/O口以及中断系统等部分组成，各功能部件通过片内单一总线联成一个整体，集成在一块芯片上。

AT89C单片机外形及引脚排列如图所示：

图4.2AT89C51芯片管脚图

图4.3AT89C51单片机内部结构框图

4.2.2AT89C51单片机工作方式

（1）复位方式

单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位。

复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作

（2）程序执行方式

程序执行方式是单片机的基本工作方式，即执行用户编写好并存放在ROM中的程序

（3）省电方式

AT89系列单片机有两种省电运行方式，即空闲方式和掉电方式。

省电方式可使单片机功耗最小。

单片机正常工作时消耗10～20mA电流，空闲方式工作时消耗1.75mA电流，掉电方式工作时消耗5～50μA电流。

4.3调速原理

当基于以上产生一个PWM后，就可以借助PWM脉冲来控制晶体管的导通和关断，来给压频转换器来提供一定的电压，在PROTUES中仿真中，给定一个+12V的电压，就通过晶体管的导通和关断来给压频转换器供电，压频转换器就会输出很多的脉冲，借助单片机P3.5来计数，其计数送给P0来显示，通过给定不同的ADC的输入电压，就可以的得到不同的计数显示，电压越大，其计数显示也就越大，通过改变计数脉冲的周期和硬件压频转换器（LM331）的电阻和电容，就可以得到与输入电压接近的数值显示，可能由于干扰的原因，其显示值和实际值有一点偏差，这是在没有什么负载的情况下，或者说是在空载的情况下，这样就可以得到一个很理想的开环系统，也为闭环PWM调节做好准备。

当开环系统稳定后，加上一个扰动，或者说是加上负载，这样就使的压频转换器的电压减少，在给定一定电压的时候，当负载分压的时候，也就相当于直流电机的电压就会减少，这样直流电机的转速就会下降，或者说当有负载的时候，压频转换器的输入电压就会减少，这样输入的脉冲在单位时间就会减少，这样PID调节器，通过改变PID的参数，PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。

其输入e（t）与输出u（t）的关系为u（t）=kp（e（（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt）式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：

G（s）=U（s）/E（s）=kp（1+1/（TI*s）+TD*s）其中kp为比例系数；

TI为积分时间常数；

TD为微分时间常数这样就会得到一个偏差，通过这个偏差来改变原来的PWM的占空比，使得晶体管的导通时间加长或减少，这样就改变了直流电机的输入电压，也就是该变了在PROTUES压频转换器的输入电压，使得输出的计数脉冲在单位时间发生改变，也就是模拟了直流电机的转速的改变，我们希望通过PID的调节，使得输出的计数脉冲的显示值和预先设定的值接近，由于偏差的存在，使得PID调节器不断的去修正，使得显示值近可能的接近我们所预期的设定值。

五、仿真电路图

控制直流电机PWM调压调速器系统的仿真图电路如下：

图5.1控制直流电机PWM调压调速器系统原理图

六、总结

本设计是关于直流电机转速调节的设计，采用PID算法控制电机的转速。

通过键盘输入期望的转速，主单片机将设定值输入给从单片机，从单片机经PID等运算得出相应的PWM信号。

PWM信号通过电机驱动电路使得电机电枢电压发生变化，从而转速发生变化。

在电机运行阶段，经传感器测量出转速输入到主单片机，主单片机输入相应的值到从单片机，从单片机再输出相应得PWM信号来恒定电机的转速。

通过本次课程设计，我学到了许多了东西，知道光靠书本上的东西是不够的，需额外去查资料。

无论是在硬件还是软件设计上，我都遇到了不少的问题，在克服困难的过程中，我学到了许多，特别是在课堂上学不到的东西如（PWM）。

也锻炼了我的protel画图能力，以前学的时候元器件都是给定的只要到库里面找出名字就可以，只要连线就可以，而这次是根据自己的设计需要去画，感觉不同。

也知道了PID算法的应用，以前总觉得PID就是像做数学一样，不知道实际应用。

通过本次设计，让我很好的锻炼了理论与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。

既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。

以前总把一个单片机系统想的很简单，由输入通道、单片机、输出通道、输入显示等各个单元凑一起就完了，但实际需考虑很多，如如何使投资最小而得到最好的效果，各个单元如何连接等。

最后，非常感谢老师的指导和同学们的帮助！

七、附录

调速程序如下

PWM输出驱动程序

ADCEQU35H

CLKBITP2.4

STBITP2.5

EOCBITP2.6

OEBITP2.7

PWMBITP3.7

;

PID调节设置

EK0EQU40H

EK1EQU41H

EK2EQU42H

PPEQU43H

IIEQU44H

DDEQU45H

UK0EQU70H

UK1EQU71H

ORG00H

SJMPSTART

ORG0BH

LJMPINT_TO

START:

MOVTMOD,#62H

MOVTH0,#00H

MOVTL0,#00H

MOVIE,#86H

SETBTR0

;

SETBTR1

MOVR0,#00

MOVR1,#00

MOVR2,#00

MOVR3,#00

MOVR4,#00