直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制課程設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題： 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制 （采用單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)） 班 級(jí)： 報(bào) 告 人： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2011 年 9 月 22 日重慶大學(xué)本科學(xué)生計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)題目直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制（采用單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)）學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)自動(dòng)化專業(yè)年級(jí)（1）已知參數(shù)和設(shè)計(jì)要求1）用單片機(jī)產(chǎn)生PWM方波調(diào)制直流電機(jī)以一定速率旋轉(zhuǎn)，人為給一個(gè)速度漂移，霍爾元件測(cè)出速度并根據(jù)PID算法跟蹤校正速度漂移。2）要求用LED或LCD時(shí)實(shí)顯示電機(jī)速度。3）要求在10秒內(nèi)PID算法糾正速率漂移。（2）實(shí)現(xiàn)方法采用單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) （限4人選做）學(xué)生應(yīng)完

2、成的工作：1）硬件設(shè)計(jì)：要求完成控制系統(tǒng)框圖；繪制完整的控制系統(tǒng)電原理圖；說(shuō)明各功能模塊的具體功能和參數(shù)；結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)組成，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行全面分析，論述其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、優(yōu)、缺點(diǎn)和使用場(chǎng)合。分析和論述系統(tǒng)采用的主要單元的工作原理和特性。2）軟件設(shè)計(jì)：要求合理分配系統(tǒng)資源，完成直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的程序設(shè)計(jì)（如：系統(tǒng)初始化；主程序；A/D轉(zhuǎn)換；D/A轉(zhuǎn)換；標(biāo)度變換；顯示與鍵盤管理；控制算法處理；輸出等）。3）對(duì)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。4）編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告：按統(tǒng)一論文格式、統(tǒng)一報(bào)告紙和報(bào)告的各要素【封面、任務(wù)書、目錄、摘要、序言、主要內(nèi)容（包括設(shè)計(jì)總體

3、思路、設(shè)計(jì)步驟、原理分析和相關(guān)知識(shí)的引用等）、總結(jié)、各組員心得體會(huì)、參考書及附錄（包括系統(tǒng)框圖、程序流程圖、電原理圖和程序原代碼）】進(jìn)行編寫，字?jǐn)?shù)要求不少于4000字，要求設(shè)計(jì)報(bào)告論理正確，邏輯性強(qiáng)，文理通順，層次分明，表達(dá)確切。目前資料收集情況（含指定參考資料）：計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教程 黃勤等編著 重慶大學(xué)出版社單片微型計(jì)算機(jī)機(jī)與接口技術(shù) 李群芳等編著 電子工業(yè)出版社計(jì)算機(jī)控制技術(shù)王建華等編著 高等教育出版社課程設(shè)計(jì)的工作計(jì)劃：（1）2011年9月19日熟悉設(shè)計(jì)任務(wù)和要求。（2）2011年9月20日確定設(shè)計(jì)方案。（3）2011年9月21日硬件調(diào)試。（4）2011年9月22日軟件及系統(tǒng)調(diào)試

4、。（5）2011年9月23日設(shè)計(jì)答辯。任務(wù)下達(dá)日期 2011年 9月 19 日完成日期 2011年 9 月 24日指導(dǎo)教師 （簽名）學(xué) 生 （簽名）說(shuō)明：1、學(xué)院、專業(yè)、年級(jí)均填全稱，如：光電工程學(xué)院、測(cè)控技術(shù)、2003。2、本表除簽名外均可采用計(jì)算機(jī)打印。本表不夠，可另附頁(yè)，但應(yīng)在頁(yè)腳添加頁(yè)碼。摘要在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制占有至關(guān)重要的作用，其控制算法和手段有很多，模擬PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，并且參數(shù)整定方便，能夠滿足一般控制的要求，但由于在模擬PID控制系統(tǒng)中，參數(shù)一旦整定好后，在整個(gè)控制過(guò)程中都是固定不變的，而在實(shí)際中，由于現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)參數(shù)、

5、溫度等條件發(fā)生變化，使系統(tǒng)很難達(dá)到最佳的控制效果，因此采用模擬PID控制器難以獲得滿意的控制效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能控制理論的發(fā)展，數(shù)字PID技術(shù)漸漸發(fā)展起來(lái)，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬PID所完成的控制任務(wù)，而且具備控制算法靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用面越來(lái)越廣。本設(shè)計(jì)以上面提到的數(shù)字PID為基本控制算法，以SST89EE554RC單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生占空比受數(shù)字PID算法控制的PWM脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。同時(shí)利用霍爾傳感器將電機(jī)速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，達(dá)到轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采數(shù)碼管和4×4鍵盤作為人機(jī)交互界面，啟動(dòng)后可以通過(guò)顯示部件了解電

6、機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，反應(yīng)靈敏，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。19目 錄前言一.總體設(shè)計(jì)方案二.硬件單元模塊設(shè)計(jì)（1）單片機(jī)控制單元（2）直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元（3）基于霍爾傳感器的測(cè)速模塊（4）LED顯示模塊三.軟件功能調(diào)試（1）主程序設(shè)計(jì)（2）PWM波軟件軟件設(shè)計(jì)（3）顯示子程序（4）鍵盤處理子程序（5）定時(shí)處理程序（6）測(cè)速軟件設(shè)計(jì)四.設(shè)計(jì)總結(jié)17五.參考文獻(xiàn)17附錄 17前言 在工業(yè)控制領(lǐng)域中，直流電機(jī)是常見(jiàn)的機(jī)電裝置，以單片機(jī)為控制器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，運(yùn)用串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的遠(yuǎn)程測(cè)控。通過(guò)采用周期測(cè)量法測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，運(yùn)用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，為直流電機(jī)的控制提供了一種低成本高精

7、度的測(cè)控方案。在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)和各種智能產(chǎn)品中常常會(huì)用用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制，而現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)中，對(duì)電機(jī)的控制要求越來(lái)越精確和迅速，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)要求越來(lái)越高。隨著科技的發(fā)展，通過(guò)對(duì)電機(jī)的改造，出現(xiàn)了一些針對(duì)各種應(yīng)用要求的電機(jī)，如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等非傳統(tǒng)電機(jī)。但是在一些對(duì)位置控制要求不高的電機(jī)控制系統(tǒng)如傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)電機(jī)如直流電機(jī)乃有很大的優(yōu)勢(shì)，而要對(duì)其進(jìn)行精確而又迅速的控制，就需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。隨著微電子和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，數(shù)字控制系統(tǒng)有控制精確，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，受環(huán)境影響小，功能復(fù)雜，系統(tǒng)修改簡(jiǎn)單，有很好的人機(jī)交換界面等特點(diǎn)。總體設(shè)計(jì)概

8、述單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速簡(jiǎn)介：?jiǎn)纹瑱C(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。PWM是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。本系統(tǒng)以SST89E554RC單片機(jī)為核心，通過(guò)單片機(jī)控制，C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速。系統(tǒng)控制方案的分析：本直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為依托，根據(jù)PWM調(diào)速的基本原理，通過(guò)PI

9、控制以直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，并通過(guò)單片機(jī)控制速度的變化。本文所研究的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái)。而軟件部分，是對(duì)硬件端口所體現(xiàn)的信號(hào)，加以采集、分析、處理，最終實(shí)現(xiàn)控制器所要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，達(dá)到控制器自動(dòng)對(duì)電機(jī)速度的有效控制。硬件部分硬件部分由電源模塊、單片機(jī)控制單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、LED顯示電路、霍爾傳感器電路構(gòu)成。鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過(guò)P2.0與P2.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出方

10、波，根據(jù)方波測(cè)出轉(zhuǎn)速，比較給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速得到差值再通過(guò)P控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過(guò)LED顯示出來(lái)。電動(dòng)機(jī)所處速度顯示。每次電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后開(kāi)始計(jì)時(shí)，停止時(shí)LED顯示出本次運(yùn)轉(zhuǎn)所用時(shí)間，時(shí)間精確到0.1s?？傮w設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖一所示數(shù)碼管顯示小鍵盤單片機(jī)直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)單片機(jī)本次實(shí)驗(yàn)采用的是SST89E554RC單片機(jī)，鍵盤掃描及顯示直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路基于霍爾傳感器的測(cè)速電路 工作原理：霍爾開(kāi)關(guān)集成電路中的信號(hào)放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號(hào)變換器、驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號(hào)。信號(hào)輸出端每輸出一個(gè)周期

11、的方波，代表轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)齒。單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)N，因此可求出單位時(shí)間內(nèi)的速度VNT。軟件設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì)主程序主程序是一個(gè)循環(huán)程序，其主要思路是，先設(shè)定好速度初始值，這個(gè)初始值與測(cè)速電路送來(lái)的值相比較得到一個(gè)誤差值，然后用P算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。主程序流程圖如下：開(kāi)始結(jié)束調(diào)用控制算法子程序調(diào)用鍵盤處理子程序調(diào)用轉(zhuǎn)速顯示子程序調(diào)用pwm波調(diào)制子程序延時(shí)開(kāi)定時(shí)器0初始化PWM波軟件軟件設(shè)計(jì)SST89E554RC提供了一個(gè)特殊的16位定時(shí)器，該定時(shí)器具有5個(gè)16位捕捉/比較模塊。每個(gè)模塊都可被編程工作于以下四種模式：上升和/或下降沿捕捉，軟件定時(shí)器，高

12、輸出（HSO）和脈沖寬度調(diào)制（PWM）。第五個(gè)模塊除上述四種模塊外還可以編程為看門狗定時(shí)器。 每個(gè)模塊都有一個(gè)外部引腳，與P1口復(fù)用：模塊0連接至P1.3（CEX0），模塊1連接至P1.4（CEX1），模塊0連接至P1.5（CEX2），模塊1連接至P1.6（CEX3），模塊1連接至P1.7（CEX4）.其結(jié)構(gòu)框圖如下：PCA定時(shí)/計(jì)數(shù)器P1.5/CEX2P1.3/CEX0P1.4/CEX1P1.6/CEX3P1.7/CEX4模塊1模塊2模塊3模塊4模塊0在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上

13、電壓的“占空比”來(lái)達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D= t1 / T，則電機(jī)的平均速度為Va = Vmax * D，其中Va指的是電機(jī)的平均速度；Vmax 是指電機(jī)在全通電時(shí)的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可見(jiàn)，當(dāng)我們改變占空比D = t1 / T時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本設(shè)計(jì)中采用軟件延時(shí)方式對(duì)脈沖寬度進(jìn)行控制 ，PWM模式被用于產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的占空比可調(diào)的方波信號(hào)。脈沖寬度調(diào)制通過(guò)比較PCA定時(shí)器的低字節(jié)（CL）和比較寄存器的低字節(jié)（CCAPnL）產(chǎn)生8位PW

14、M脈沖。當(dāng)CL< CCAPnL時(shí)，輸出高電平。輸出頻率取決于PCA定時(shí)器的信號(hào)源。占空比由寫入比較寄存器的高字節(jié)（CCAPnH）控制，計(jì)算如下：CCAPnH=256（1Duty cycle）其中CCAPnH為8位整型數(shù)，Duty cycle為百分?jǐn)?shù)。鍵盤查詢處理子程序： 由于只用到了三個(gè)按鍵，所以按鍵查詢比較簡(jiǎn)單，只需要行信號(hào)一位送零即可，然后列信號(hào)讀進(jìn)來(lái)，與鍵值進(jìn)行比較，即可知道是哪個(gè)鍵按下。延時(shí)延時(shí)否否關(guān)閉PWM輸出PWM否延時(shí)是開(kāi)始否否是是是是否是是Key自加1轉(zhuǎn)速增大60判斷2鍵是否按下判斷2鍵是否按下轉(zhuǎn)速減小60判斷1鍵是否松開(kāi)判斷1鍵是否按下判斷key是否為奇判斷0鍵是否松開(kāi)

15、判斷0鍵是否按下顯示子程序：利用數(shù)組方式定義顯示緩存區(qū)，緩存區(qū)有8位，分別存放各個(gè)LED管要顯示的值。顯示子程序?yàn)橐粠⒆映绦颍瑓?shù)為顯示緩存的數(shù)組名，通過(guò)for(i=0;i<8;i+)方式對(duì)每位加上位選碼，送到P0口并進(jìn)行延時(shí)。送轉(zhuǎn)速的十位數(shù)段選送十位數(shù)對(duì)應(yīng)的位選送百位數(shù)對(duì)應(yīng)的位選送轉(zhuǎn)速的百位數(shù)段選送千位數(shù)對(duì)應(yīng)的位選開(kāi)始送轉(zhuǎn)速的千位數(shù)段選送轉(zhuǎn)速的個(gè)位數(shù)段選送個(gè)位數(shù)對(duì)應(yīng)的位選測(cè)速軟件設(shè)計(jì) 測(cè)速子程序：開(kāi)始結(jié)束開(kāi)定時(shí)器T0定時(shí)器T0初始化關(guān)定時(shí)器T0輸出轉(zhuǎn)速計(jì)算轉(zhuǎn)速控制算法子程序：PI控制輸出控制量否求得控制量是如果偏差為0對(duì)偏差進(jìn)行累加求得轉(zhuǎn)速偏差開(kāi)始參考文獻(xiàn)、單片機(jī)原理及應(yīng)用（清華大學(xué)

16、出版社，黃勤主編，李楠副主編）、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教程（重慶大學(xué)出版社，黃勤主編，高富強(qiáng)副主編）、微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（機(jī)械工業(yè)出版社，黃勤主編，李楠副主編）、附錄程序清單#include "SST89x5x4.h" #define uchar unsigned char#define uint unsigned int Ucharcode LK10=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,; /段選碼uchar LK14=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;/位選碼sbit p1_0=P10;sbit p1

17、_1=P11;sbit p1_2=P12;sbit p1_5=P15;uchar key,V=0,pid;uchar pid_P=17;/比例系數(shù)uchar pid_I=13; /積分系數(shù) int data z,counter;int data n,t;int speed=0;int set_speed=3000;/設(shè)定值int temp=128;sfr CCAPM4=0xde;sfr CCAP4H=0xFe;sfr CCON=0xD8;void delay(int k)/延時(shí)子程序1 int data i,j; for(i=0;i<k;i+) for(;j<121;j+) ; v

18、oid delay2()/延時(shí)子程序2 unsigned char i,j; for(i=0;i<20;i+) for(j=0;j<2;j+) ; void display(int num) /顯示當(dāng)前速度 p1_5=1; P0=LKnum/1000;P2=LK10;delay(10); P0=LK(num/100)%10;P2=LK11;delay(10); P0=LK(num%100)/10;P2=LK12;delay(10); P0=LKnum%10;P2=LK13;delay(10); void display0() /顯示設(shè)定速度 uint i, num; p1_5=1;

19、num=set_speed;for(i=0;i<100;i+) P0=LKnum/1000;P2=LK10;delay(100); P0=LK(num/100)%10;P2=LK11;delay(100); P0=LK(num%100)/10;P2=LK12;delay(100); P0=LKnum%10;P2=LK13;delay(100); void int0() interrupt 0 using 1/斷INT1子程序t+;/脈沖加1void key_scan()/鍵盤掃描 p1_5=0; if(p1_0=0) delay(2); if(p1_0=0) while(p1_0=0); key+; if(key%2=0) CCON=0x00; else CCON=0x40; if(key%2=1) if(p1_1=0) delay(2); if(p1_1=0) while(p1_1=0); set_speed=set_speed+60;display0(); if(p1_2=0) delay(2); if(p1_2=0) while(p1_2=0); set_spee