自 动 化 工 程 训 练Word文档下载推荐.docx
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则增量式控制算法为：
其中Kp为控制器比例系数，Ki为积分时间常数。
由于系统采用了比例积分调节器（简称PI调节器），使系统在扰动的作用下，通过PI调节器的调节作用使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。
无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快（无滞后），积分部分使系统消除静差。
第二章硬件设计与分析
在对直流电机调速系统有个清楚的认识后，对本系统进行硬件设计。
整个系统以89C52单片机为核心，包括主回路，驱动电路，测速电路，按键显示电路。
2.1系统硬件组成
图2－1为该系统硬件电路设计框图。
根据本系统要求通过软件编程定义键盘各键的功能及显示控制。
有关驱动及主回路控制电路见下几节。
整个系统控制过程为：
键盘输入控制信号、参数及速度给定值，单片机经过速度闭环、运算，控制P口（自行定义）输出脉冲的占空比，从而控制电机的转速，并经显示电路显示出来。
图2－1系统硬件框图
2.2驱动控制电路
驱动控制电路见图2－3。
将单片机软件产生的PWM信号经并联使用的施密特反相器，对IGBT进行驱动。
图2－2驱动控制电路
2.3主回路控制电路
主电路控制电路见图2－2。
220交流电压经过桥式整流电路的整流，再经过电容滤波，经过IGBT元件的功率放大，加到直流电机的两端控制电机。
图2－3主电路控制电路
2.4测速电路
测速电路见图2－4。
图2－4测速电路
2.5显示及按键电路
显示电路见图2-5。
选用共阴8段数码管，采用MAX7219驱动。
MAX7219是一种高集成化的串行输入/输出的共阴极LED显示驱动器。
每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管，可以数片级联，而与微处理器的连接只需3根线。
MAX7219内部设有扫描电路，除了更新显示数据时从单片机接收数据外，平时独立工作，极大地节省了MCU有限的运行时间和程序资源。
MAX7219芯片上包括BCD译码器、多位扫描电路、段驱动器、位驱动器和用于存放每个数据位的8×
8静态RAM以及数个工作寄存器。
通过指令设置这些工作寄存器，可以使MAX7219进入不同的工作状态。
MAX7219的详细资料请参考其他书籍，这里不再赘述。
图2-5MAX7219驱动显示电路
按键电路见图2－6。
52单片机的P口在悬空时默认是高电平，每个按钮通过一个上拉电阻接到＋5V电源，按下按钮，则P口变成低电平，这样就可以通过P口的状态来反映按钮的按下情况。
按键通过并联电容C进行防抖动，无需通过软件部分实现。
图2－6
第三章软件设计与分析
软件设计是本系统的难点也是重点，最终直流电机控制系统的好坏，很大程度上是由软件程序的优良决定的。
通过硬件的设计部分可知，软件程序主要包括：
按键程序，显示程序，PWM产生程序，测速程序以及PI调节程序。
在编写程序的过程中，运用工程化思想，从总体出发，由易到难，这样才能高质高效的完成软件设计的任务。
采用C语言而不是汇编语言，因为C语言方便使用，而且移植性好，更容易入手，有利于各个功能部分的实现。
3.1按键功能
按键的判断是通过检测P口的高低电平来实现的，有键按下，相应的P口就为低电平。
值得注意的是，按键程序必须防止误操作，也就是要加入防抖动功能。
我们采用的是串联电容接地实现防抖动功能，无需软件实现。
按键程序流程图见图3－1。
图3－1按键程序流程图
3.2显示功能
LED灯可以由单片机的P口经过放大后直接驱动点亮，但是这样做不仅硬件设计繁琐，而且也增加了软件设计的负担，这里采用专用芯片MAX7219驱动LED灯，可以很方便的完成显示功能。
软件部分除了对MAX7219初始化功能需要编程外，重点是LED灯怎样和按键配合准确地显示。
本系统要实现按键和显示配合的功能如下：
按下增加（减少）键，LED显示0～9相应的增加（减少）；
按下选择键，可以循环控制不同位置的LED灯；
按下确认键，LED显示设定的数值。
而且要求没有按键时，待按键对应的LED灯闪烁变化，确认键按下后，LED不闪烁。
设定好的数值还要反馈到单片机中进行相应的运算控制以调节系统，测速电路测得的转速也应该通过显示功能电路显示出来，而且同时在一边另外的LED灯中显示设定转速，以和实际转速进行对比。
显示程序流程图见图3－2。
图3－2显示程序流程图
3.3PWM波产生和电机测速功能
在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；
电机断电时，速度逐渐减少。
只要按一定规律改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。
PWM波产生的思想是，固定PWM的周期为PWMT，t时间内输出高电平，则剩下PWMT-t时间就输出低电平。
通过控制定时器T1，从而可以实现从8051的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。
由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。
因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。
如果单片机的时钟频率为f，定时器/计数器为N位，则定时器初值与定时时间的关系为:
式中，Tw—定时器定时初值；
N—一个机器周期的时钟数。
N随着机型的不同而不同。
在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。
这样，我们可以通过设定不同的定时初值Tw，从而改变占空比D，进而达到控制电机转速的目的。
此次实验采用12MHz晶振，计数频率为1MHz，即每微秒计数器加一，设置PMW脉冲周期固定为PWMT=10000，即0.01s。
在实际的直流电机调速系统中，电机的测速由测速电机完成，本次实验系统，由电机自带的霍尔元件完成测速，电机每转一圈，霍尔元件就送出一个脉冲，我们设计的程序是将测速部分嵌套在PWM函数里，这样就节省了一个定时器资源。
PWM脉冲周期为0.01s，一个周期定时器T1中断2次，设置定时器每中断200次，即每1s对电机进行一次测速，测速完毕后计数器T0归零，重新对霍尔脉冲计数。
PWM和测速程序流程图见图3－3。
图3－3PWM和测速程序流程图
3.5PI调节功能
本系统功率、电压环PI算法均采用积分分离增量式位置输出算法。
程序框图如图3－5所示。
图3-5 PI算法程序流程图
图3-6中，Ki为积分系数；
Kp为比例系数；
U（k）为第k次电压输出值；
U（k-1）为第（k-1）次电压输出值；
U′（k）为第k次与第（k-1）次电压输出值之差；
e（k）为给定与反馈值之差；
e′（k）为第k次与第（k-1）偏差之差。
附录二软件原程序
自定义头文件max7219.h
#include<
reg51.h>
#include<
intrins.h>
/*--------------------------------------------------*/
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitdis_DIN=P0^0;
/*显示串行数据输入端*/
sbitdis_LOAD=P0^1;
/*显示数据锁存端*/
sbitdis_CLK=P0^2;
/*显示时钟输入端*/
#defineNoOp0x00/*空操作*/
#defineDigit00x01/*数码管1*/
#defineDigit10x02/*数码管2*/
#defineDigit20x03/*数码管3*/
#defineDigit30x04/*数码管4*/
#defineDecodeMode0x09/*译码模式*/
#defineIntensity0x0a/*亮度*/
#defineScanLimit0x0b/*扫描界限*/
#defineShutDown0x0c/*掉电模式*/
#defineDisplayTest0x0f/*显示测试*/
#defineShutdownMode0x00/*掉电方式工作*/
#defineNormalOperation0x01/*正常操作方式*/
#defineDecodeDigit0xff/*译码位数设置*/
#defineIntensityGrade0x0a/*显示亮度级别设置*/
#defineScanDigit0x07/*扫描位数设置*/
#defineTestMode0x01/*显示测试方式*/
#defineTextEnd0x00/*显示测试结束，正常工作*/
unsignedintdataDisBuffer[4]={0,0,0,0};
/*显示缓存区*/
ucharDigit[4]={Digit0,Digit1,Digit2,Digit3};
/*数码管缓存区*/
unsignedcharcodedispaly_list[]=
{
0x7e,0x30,0x6d,0x79,0x33,0x5b,0x5f,0x70,0x7f,0x7b,/*0,1,2,3,4,5,6,7,8,9*/
0x77,0x1f,0x4e,0x3d,0x4f,0x47,0x67,0x3e,0xff,0x5f};
/*A,B,C,D,E,F,P,U,全
亮,全灭*/
/*--------------------------------------------------------
延时t毫秒子程序
---------------------------------------------------------*/
voiddelay（uintt）
{
uinti;
while（t--）
/*对于12MHz时钟，约延时1ms*/
for（i=0;
i<
125;
i++）
{}
}
/*-------------------------------------------------
向MAX7219写入字节（8位）
--------------------------------------------------*/
voidSendChar（unsignedcharch）
unsignedchari,temp;
_nop_（）;
for（i=0;
8;
temp=ch&
0x80;
ch=ch<
<
1;
if（temp）
dis_DIN=1;
dis_CLK=0;
dis_CLK=1;
else
dis_DIN=0;
向MAX7219写入字（16位）
-------------------------------------------------*/
voidWriteWord（unsignedcharaddr,unsignedcharnum）
dis_LOAD=0;
SendChar（addr）;
SendChar（num）;
dis_LOAD=1;
显示数值
voidDisplay（void）
WriteWord（Digit0,DisBuffer[0]）;
WriteWord（Digit1,DisBuffer[1]）;
WriteWord（Digit2,DisBuffer[2]）;
WriteWord（Digit3,DisBuffer[3]）;
MAX7219初始化
voidInitDis（void）
WriteWord（ScanLimit,ScanDigit）;
/*设置扫描界限*/
WriteWord（DecodeMode,DecodeDigit）;
/*设置译码模式*/
WriteWord（Intensity,IntensityGrade）;
/*设置亮度*/
WriteWord（ShutDown,NormalOperation）;
/*设置电源工作模式*/
系统上电初始化
voidInitMain（void）
IE=0x00;
/*设置中断允许寄存器*/
IP=0x00;
/*设置中断优先级管理寄存器*/
TH0=0xd8;
/*设定时器初值，10ms*/
TL0=0xf0;
TMOD=0x01;
/*T1定时器模式2，波特率发生器，T0定时器模式1*/
TCON=0x11;
/*设置定时器控制寄存器,INT0设置为边沿触发方式*/
PSW=0x00;
主函数main.c
#include"
MAX7219.H"
sbitADD=P1^0;
/*增加键*/
sbitDEC=P1^1;
/*减少键*/
sbitOPT=P1^2;
/*选择键*/
sbitENS=P1^3;
/*确定键*/
sbitT0CLK=P3^4;
/*脉冲计数引脚*/
sbitCLK=P1^7;
/*PWM脉冲*/
#defineucharunsignedchar
#definePWMT10000
floatSet=0;
//设定转速
floatt=0;
//控制转速
floatt1=0;
unsignedlongintx=0;
//中断次数
floatspeed=0;
//检测转速
floatek=0;
//e（k）
floatek1=0;
//e（k-1）
floatKp=0;
//比例系数
floatKi=0.5;
//积分系数
uintkey（）//检测按键
{
uintkey_state=ADD&
&
DEC&
OPT&
ENS;
if（key_state）return0;
//如果没有键被按下，返回0
elseif（ADD==0）return1;
//如果增加键被按下，返回1
elseif（DEC==0）return2;
//如果减少键被按下，返回2
elseif（OPT==0）return3;
//如果选择键被按下，返回3
elsereturn4;
//如果确定键被按下，返回4
}
voidtimer1（void）interrupt3//中断服务,返回值 函数名 interruptn,其中n对应中断源的编号，其值从0开始，以80C51单片机为例，编号从0~4，分别对应外中断0、定时器0中断、外中断1、定时器1中断和串行口中断。
CLK=!
CLK;
t=PWMT-t;
//使脉冲周期固定为PWMT
if（CLK==1）
t=t1;
x++;
if（x%200==0）
{
speed=（TH0*256+TL0）*60;
//每隔1秒检测一次转速
ek1=ek;
ek=Set-speed;
t=t+Kp*（ek-ek1）+Ki*ek;
//PI调节
if（t<
0）
t=0;
if（t>
PWMT）
t=PWMT;
t1=t;
TH0=0;
TL0=0;
//重置计数器
CLK=1;
}
TH1=-（int）t/256;
TL1=-（int）t%256;
voidmain（）
unsignedinti,j,k;
//i表示数码管数组的下标,t表示设定的转速
InitMain（）;
InitDis（）;
WriteWord（DisplayTest,TestMode）;
WriteWord（DisplayTest,TextEnd）;
//初始化
for（j=0;
j<
4;
j++）
WriteWord（Digit[j],0）;
//刚加电时，显示0000
CLK=0;
//T1定时t秒
TH0=0;
//T0从0开始计数
TL0=0;
TMOD=0x15;
//T1定时模式1,T0计数模式1
EA=0;
ET1=1;
ET0=1;
TR1=1;
TR0=1;
while
（1）
for（j=0;
OPT==0;
）//当选择键按下时开始设置
{
for（;
）{delay（10）;
i=0;
for（;
ADD&
ENS==1;
）//0号数码管闪烁直到有键按下
{
WriteWord（Digit[i],0x5f）;
delay（200）;
WriteWord（Digit[i],DisBuffer[i]）;
}
loop:
k=key（）;
//检测按键
if（k==0）
{
gotoloop;
//若无键按下,则继续检测
}
elseif（k==1）//如果增加键被按下，返回值为1
DisBuffer[i]=（DisBuffer[i]+1）%10;
//当前数组元素加一
//显示当前数组元素
for（;
ADD==0;
）//数码管闪烁直到有键按下
{
WriteWord（Digit[i],0x5f）;
}
elseif（k==2）//如果减少键被按下，返回值为2
{
if（DisBuffer[i]==0）
DisBuffer[i]+=10;
DisBuffer[i]=DisBuffer[i]-1;
//当前数组元素减一,以10为周期循环
DEC==0;
gotoloop;
elseif（k==3）//如果选择键被按下，返回值为3
i=（i+1）%
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