自 动 化 工 程 训 练Word文档下载推荐.docx

1、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21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

2、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21 系统硬件框图2.2 驱动控制电路驱动控制电路见图23。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22 驱动控制电路2.3 主回路控制电路主电路控制电路见图22。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23 主电路控制电路2.4测速电路测速电路见图24。图24 测速电路2.5 显示及按键电路显示电路见图2-

3、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88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2-5 MAX72

4、19驱动显示电路按键电路见图26。 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26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

5、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31。图31 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

6、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09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32。图32 显示程序流程图3.3 PWM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

7、，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

8、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

9、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33。图33 PWM和测速程序流程图3.5 PI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35所示。图3-5PI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#include /*-*/#define uchar unsigned ch

10、ar #define uint unsigned intsbit dis_DIN=P00; /*显示串行数据输入端*/sbit dis_LOAD=P01; /*显示数据锁存端*/sbit dis_CLK=P02; /*显示时钟输入端*/#define NoOp 0x00 /*空操作*/#define Digit0 0x01 /*数码管1*/#define Digit1 0x02 /*数码管2*/#define Digit2 0x03 /*数码管3*/#define Digit3 0x04 /*数码管4*/#define DecodeMode 0x09 /*译码模式*/#define Inten

11、sity 0x0a /*亮度*/#define ScanLimit 0x0b /*扫描界限*/#define ShutDown 0x0c /*掉电模式*/#define DisplayTest 0x0f /*显示测试*/#define ShutdownMode 0x00 /*掉电方式工作*/#define NormalOperation 0x01 /*正常操作方式*/#define DecodeDigit 0xff /*译码位数设置*/#define IntensityGrade 0x0a /*显示亮度级别设置*/#define ScanDigit 0x07 /*扫描位数设置*/#define

12、 TestMode 0x01 /*显示测试方式*/#define TextEnd 0x00 /*显示测试结束，正常工作*/unsigned int data DisBuffer4=0,0,0,0; /*显示缓存区*/uchar Digit4=Digit0,Digit1,Digit2,Digit3; /*数码管缓存区*/unsigned char code dispaly_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,0x47,0x

13、67,0x3e,0xff,0x5f; /*A,B,C,D,E,F,P,U,全亮,全灭*/*- 延时t毫秒子程序-*/void delay（uint t） uint i; while（t-） /*对于12MHz时钟，约延时1ms*/ for（i=0;i125;i+） /*- 向MAX7219写入字节（8位）-*/void SendChar （unsigned char ch） unsigned char i,temp; _nop_（）; for （i=0;8; temp=ch&0x80; ch=ch1; if（temp） dis_DIN=1; dis_CLK=0; dis_CLK=1; else

14、 dis_DIN=0; 向MAX7219写入字（16位）-*/void WriteWord （unsigned char addr,unsigned char num） dis_LOAD=0; SendChar （addr）; SendChar （num）; dis_LOAD=1; 显示数值void Display （void） WriteWord （Digit0,DisBuffer0）; WriteWord （Digit1,DisBuffer1）; WriteWord （Digit2,DisBuffer2）; WriteWord （Digit3,DisBuffer3）; MAX7219初始化

15、void InitDis （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void InitMain （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

16、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.Hsbit ADD=P10; /*增加键*/sbit DEC=P11; /*减少键*/sbit OPT=P12; /*选择键*/sbit ENS=P13; /*确定键*/sbit T0CLK=P34; /*脉冲计数引脚*/sbit CLK=P17; /*PWM脉冲*/#define uchar unsigned char

17、#define PWMT 10000 float Set=0; /设定转速float t=0; /控制转速float t1=0;unsigned long int x=0; /中断次数float speed=0; /检测转速float ek=0; /e（k）float ek1=0; /e（k-1）float Kp=0; /比例系数float Ki=0.5; /积分系数uint key（） /检测按键 uint key_state=ADD&DEC&OPT&ENS; if（key_state） return 0; /如果没有键被按下，返回0 else if（ADD=0） return 1; /如果

18、增加键被按下，返回1 else if（DEC=0） return 2; /如果减少键被按下，返回2 else if（OPT=0） return 3; /如果选择键被按下，返回3 else return 4; /如果确定键被按下，返回4void timer1（void） interrupt 3 /中断服务,返回值函数名interrupt n ,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04，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

19、（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（tPWMT） t=PWMT; t1=t; TH0=0; TL0=0; /重置计数器 CLK=1; TH1=-（int）t/256; TL1=-（int）t%256;void main（） unsigned int i, 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）; Wri

20、teWord （DisplayTest,TextEnd）; /初始化 for（j=0;j4;j+） WriteWord （Digitj,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 （Digiti,0x5

21、f）; delay（200）; WriteWord （Digiti,DisBufferi）; loop: k=key（）; /检测按键 if（k=0） goto loop; /若无键按下,则继续检测 else if（k=1） /如果增加键被按下，返回值为1 DisBufferi=（DisBufferi+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 （Digiti,0x5f）; else if（k=2） /如果减少键被按下，返回值为2 if（DisBufferi=0） DisBufferi+=10; DisBufferi=DisBufferi-1; /当前数组元素减一,以10为周期循环DEC=0; goto loop; else if（k=3） /如果选择键被按下，返回值为3 i=（i+1）%