單片機(jī)控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計（附電路圖及程序清單）

1、單片機(jī)控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計（附電路圖及程序清單） 單片機(jī)控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘 要：利用MCS-51系列單片機(jī)控制大功率電力電子器件實現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。設(shè)計首先介紹晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性，以及雙環(huán)控制的晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。對可逆調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了簡單敘述，介紹了該系統(tǒng)的硬件以及軟件具體設(shè)計。以電動機(jī)作為被控對象,用8051單片機(jī)作控制器的實現(xiàn)直流調(diào)速系統(tǒng)控制。該系統(tǒng)具有用單片機(jī)取代模擬觸發(fā)器、電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器及邏輯切換等硬件的特點。此外，本系統(tǒng)中使用了直流測速發(fā)電機(jī)對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，經(jīng)過濾波電路后，將測量值送到A/D轉(zhuǎn)換器，作為反饋值輸入到單片機(jī)進(jìn)行P

2、I運(yùn)算，實現(xiàn)了對直流電機(jī)速度的控制。在軟件方面，詳細(xì)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)鍵詞：單片機(jī)；雙閉環(huán)；直流電動機(jī)；調(diào)速系統(tǒng)The Design of double Loop DC Speed Control System by MCSAbstract: Design on the use of MCS-51 Microcontroller power electronic devices to achieve high-power DC motor speed control on approach. Design first introduced the S

3、CR - mechanical properties of motor system and the work principle of the thyristor DC adjustable speed drive system, which is controlled by double loops. It summarizes the adjustable speed drive system, describes the hardware and software specifically designed. This paper introduces a digital DC Spe

4、ed - adjusting system composed of DC motor as the controlled object and 8051 single - chip computer as the controller. The characteristic of this system is that the single - chip computer rep laces the hardware devices including the analogous trigger, current regulator, rotation regulator and logic

5、handoff. In addition, the system uses the DC tachometer generator to the DC motor speed measurement, After post-filter circuit, Sent the measured values of A / D converter, And ultimately as a feedback value input to the MCU PI operation, in order to achieve the speed of DC motor control. On the sof

6、tware side, PI article describes in detail operation procedures, initialization procedures for the preparation of ideas and its realization.Key Words: single - chip computer; double closed - loop; DC- motor; Speed Control System目 錄1. 概 述11.1 課題基本要求11.2 主要設(shè)計內(nèi)容及設(shè)計思路21.3 預(yù)期成果及其意義22. 系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計22.1 調(diào)

7、速方案的選擇22.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計33. 主電路設(shè)計與參數(shù)計算53.1 整流變壓器的設(shè)計53.2 晶閘管元件的選擇63.3 直流調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù)74. 控制電路與單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計84.1 晶閘管觸發(fā)控制電路設(shè)計84.2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計104.3 7805引腳圖及其穩(wěn)壓電路195. 調(diào)節(jié)器的設(shè)計205.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計205.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計226. 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計246.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計流程圖246.2 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器程序設(shè)計246.3 數(shù)字濾波器程序設(shè)計256.4 中斷處理程序設(shè)計257. 結(jié)束語29參考文獻(xiàn)31致 謝32附 錄33附錄1：程序清單33附錄2：設(shè)計圖紙43單片機(jī)控制雙

8、閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1. 概 述直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成

9、本，從而有效的提高工作效率。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用很廣泛的中小功率直流調(diào)速系統(tǒng)。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，凡是功率在幾十KW以下的電力傳動系統(tǒng)，基本上都是采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)電力傳動系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣的電氣傳動裝置之一廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機(jī)進(jìn)行供電，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故直流電動機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没１驹O(shè)計主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的功能

10、，取代傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)用一臺單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化。制對象的確定設(shè)計選用直流電動機(jī)的額定PN 0.5kW，額定電壓230V，額定轉(zhuǎn)速1500r/min。供電方案的選擇變壓器調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡稱G-M系統(tǒng)，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。靜止可控整流器又稱V-M系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動

11、觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Uc，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用PWM受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據(jù)本此設(shè)計的技術(shù)要求和特點選V-M系統(tǒng)。在V-M系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時電壓Uc。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路?？紤]使電路簡單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)

12、快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理隨著調(diào)速系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，傳統(tǒng)的采用 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)既能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)，又能較快的動態(tài)響應(yīng)只能滿足一般生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速要求。為了提高生產(chǎn)率，要求盡量縮短起動、制動、反轉(zhuǎn)過渡過程的時間，最好的辦法是在過渡過程中始終保持電流（即動態(tài)轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使系統(tǒng)盡最大可能加速起動，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低，進(jìn)入轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。要實現(xiàn)上述要求，其唯一的途徑就是采用電流負(fù)反饋控制方

13、法，即采用速度、電流雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)來實現(xiàn)。在電流控制回路中設(shè)置一個調(diào)節(jié)器，專門用于調(diào)節(jié)電流量，從而在調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制。雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)中采用了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實現(xiàn)串級連接。圖2-1為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。圖中兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。兩個調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Uim決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓最大值U

14、im，對就電機(jī)的最大電流；電流調(diào)節(jié)器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角。圖2-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有為了引出電流反饋，在電動機(jī)的動態(tài)框圖中必須把電樞電流表示出來，如圖2-2所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如2-3所示。圖2-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-3 單片機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3. 主電路設(shè)計與參數(shù)計算由于給定直流電動機(jī)的額定電壓為20V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良

15、影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用/Y聯(lián)結(jié)3.1 整流變壓器的設(shè)計二次側(cè)電壓U2的計算U2是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算，即：式中Ud -整流電路輸出電壓最大值；nUT -主電路電流回路n個晶閘管正向壓降；C - 線路接線方式系數(shù)；Ush -變壓器的短路比，對10100KVA，Ush 0.050.1；I2/I2N-變壓器二次實際工作電流與額定之比，應(yīng)取最大值。在要求不高場合或近似估算時，可用下式計算，即： 式中A-理想情況下， 0°時整流電壓Ud0與二次電壓

16、U2之比，即A Ud0/U2；B-延遲角為時輸出電壓Ud與Ud0之比，即B Ud/Ud0；電網(wǎng)波動系數(shù)；考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；根據(jù)設(shè)計要求，采用公式： 由表查得 A 2.34；取 0.9；角考慮10°裕量，則 B cos取U2 120V。電壓比K U1/U2 380/120 3.17。 一次、二次相電流I1、I2的計算電動機(jī)額定電流考慮變壓器勵磁電流得： 變壓器容量的計算S1 m1U1I1；S2 m2U2I2；S 1/2 S1+S2 ；式中m1、m2 - 一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)；由表查得m1 3，m2 3S1 m1U1I1 3×380×0.58 0.6612

17、KVAS2 m2U2I2 3×120×1.85 0.666 KVAS 1/2 S1+S2 1/2（0.6612+0.666） 0.6636 KVA3.2 晶閘管元件的選擇 晶閘管的額定電壓晶閘管實際承受的最大峰值電壓UTm，乘以（23）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓UTN，即UTN （23）UTm整流電路形式為三相全控橋，查表得，則取 晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值，即 1.57 或 考慮（1.52）倍的裕量 （1.52）K式中K /（1.57）-電流計算系數(shù)。此外，還需注

18、意以下幾點：A.當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過+40時，應(yīng)降低元件的額定電流值。B.當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時，也應(yīng)降低元件的額定電流值。C.關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些。由表查得 K 0.368，考慮1.52倍的裕量取。故選晶閘管的型號為KP5-7。3.3 直流調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù)晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點。設(shè)計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護(hù)措施。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。 過電壓保護(hù)以過電壓保護(hù)的部位來分，有交流側(cè)過壓保護(hù)、直流側(cè)過電壓保護(hù)和器件兩端的過電壓保護(hù)三種。a.阻容保護(hù) 即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻R和電容

19、C進(jìn)行保護(hù)。對于三相電路，和的值可按下表換算。表3-1 三相電路R C值換算表變壓器接法單相三相、二次聯(lián)結(jié)三相二次聯(lián)結(jié)阻容裝置接法與變壓器二次側(cè)并聯(lián)Y聯(lián)結(jié)D聯(lián)結(jié)Y聯(lián)結(jié)D聯(lián)結(jié)電容1/3 C3CC電阻3R1/3 RR本系統(tǒng)采用D-Y連接。S 0.6636KVA, U2 120VIem取值：當(dāng) S 01 KVA時，對應(yīng)的Iem 10，所以Iem取0.5。C1/3×6IemS/U22 1/3×耐壓×120×F的鋁電解電容器。R×2.3 U22/S ×××選取電阻為ZB1-20的電阻。查下表：表3-2 阻容保護(hù)的數(shù)值一般根據(jù)

20、經(jīng)驗選定晶閘管額定電流/A1020501002005001000電容/F0.10.150.20.250.512電阻/1008040201052抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.11.15倍。F，R 100。F的CZJD-2型金屬化紙介質(zhì)電容器。選R為20普通金屬膜電阻器，RJ-0.5。 電流保護(hù)快速熔斷器的斷流時間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。交流側(cè)快速熔斷器的選擇I2 選取RLS-10快速熔斷器，熔體額定電流2A。4. 控制電路與單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計4.1

21、晶閘管觸發(fā)控制電路設(shè)計控制電路基本由單片機(jī)，觸發(fā)電路，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集電路以及構(gòu)成。801單片機(jī)觸發(fā)晶閘管門極，晶閘管導(dǎo)通。雙閉環(huán)系統(tǒng)由兩個PI調(diào)節(jié)器組成，由單片機(jī)通過PI算法實現(xiàn)。 圖4-1 三相全控橋式整流電路 圖4-2 三相電壓曲線三相全控橋式整流電路共有六個晶閘管，它們分為共陰極和共陽極兩組。在觸發(fā)時，采用雙脈沖觸發(fā)方式，每次兩組各有一個晶閘管導(dǎo)通。六個晶閘管的導(dǎo)通順序為SCR1、SCR2、SCR3、SCR4、SCR5、SCR6，如圖4-2所示。相電壓曲線的交點t1t6,就是晶閘管SCR1SCR6的控制角起點。取線電壓Uac從負(fù)半波的過零點G（t1）VT3VT3VT5VT5共陽極中

22、導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6單片機(jī)在觸發(fā)晶閘管時,根據(jù)電流控制器的輸出控制值uk，以同步基準(zhǔn)點位參考點，算出晶閘管控制角的大小，再通過定時器按控制角的大小以及觸發(fā)順序，準(zhǔn)確地向各個晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖。在控制觸發(fā)時，有兩種觸發(fā)方法：絕對觸發(fā)方法和相對觸發(fā)方法。所謂絕對觸發(fā)方法就是指觸發(fā)脈沖形成的時刻都直接取決于基準(zhǔn)時刻點。對三相全控橋式整流電路，在交流電的一個周期內(nèi)需要6個（或者3個）基準(zhǔn)點。相對觸發(fā)方式是以前一觸發(fā)脈沖為基準(zhǔn)來確定后一觸發(fā)脈沖時刻，它用加長或縮短相鄰兩次觸發(fā)脈沖之間的間距來改變控制角，在穩(wěn)態(tài)時，這個間距等于600，控制角改變時，該間距應(yīng)相應(yīng)改變。但由于電網(wǎng)頻

23、率的波動以及計算機(jī)定時器的誤差，會使控制角偏離要求值。因此，在相對觸發(fā)方式時，應(yīng)在一個周期內(nèi)用同步脈沖信號進(jìn)行一次校正，以避免誤差的積累。對于單相電路，均使用絕對觸發(fā)方式。在三相全控橋式整流電路中，一般則常使用相對觸發(fā)方式。綜上本次設(shè)計使用相對觸發(fā)的觸發(fā)控制方法。 控制角的計算三相全控橋式整流電路輸出電壓Ud與控制角有以下關(guān)系:Ud 2.34Ecos 4-1 其中E為電源相電壓有效值。對于數(shù)字調(diào)節(jié)器，要求對象為線性系統(tǒng)。而根據(jù)式（4-1）可知，如果控制角與控制輸出uk為線性關(guān)系，則輸出電壓Ud與控制輸出Uk之間為非線性關(guān)系（余弦關(guān)系），這是我們所不希望的。如要求觸發(fā)整流環(huán)節(jié)為一個放大系數(shù)為Ks

24、的線性環(huán)節(jié)，則有：Ud 2.34Ecos Ksuk即有 4-2 式中，是一個與最小控制角min和最大控制輸出uk有關(guān)系的常數(shù)。式 4-2 即是與uk的關(guān)系式。由它可算出對應(yīng)于某一uk值的值。由于一般均用時間值來表示，所以還需要對轉(zhuǎn)換成時間值T。對于50Hz的交流電而言，控制角對應(yīng)的時間為：T *106/360*50 （s）uk值計算T值。 脈沖分配表在觸發(fā)六個晶閘管時，要按照表 4-1的順序，依次發(fā)出控制信號。為了方便起見，可建立一個脈沖分配表，如表4-4，它放于程序存儲器中。每當(dāng)觸發(fā)時間到，按指針從表中取出一個數(shù)據(jù)從單片機(jī)的I/O口輸出，經(jīng)光電隔離去觸發(fā)晶閘管。表4-2 脈沖分配表（0有效）

25、單元地址數(shù)據(jù)（由I/O口輸出）被觸發(fā)晶閘管MM+1M+2M+3M+4M+5X X 0 1 1 1 1 0X X 1 1 1 1 0 0X X 1 1 1 0 0 1X X 1 1 0 0 1 1X X 1 0 0 1 1 1X X 0 0 1 1 1 1SCR6,1SCR1,2SCR2,3SCR3,4SCR4,5SCR5,64.2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計 雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的采樣周期比較快，計算和控制任務(wù)也比較繁忙，因此需要使用高性能的單片機(jī)。對于用于軋機(jī)傳動等要求響應(yīng)快、精度高的調(diào)速系統(tǒng)，一般需要使用16位的單片機(jī)，如Inter的MCS-96或者M(jìn)otorola的M68HC16等。它們能在幾微秒

26、內(nèi)完成16位加法和乘法，并且有10位A/D轉(zhuǎn)換器、16位高性能多功能定時器系統(tǒng)，可完成調(diào)速系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算、控制輸出等功能。對于快速性和控制精度要求較低的調(diào)速系統(tǒng)，可選用高性能8位單片機(jī)，如Inter的MCS-51或者M(jìn)otorola的M68HC05、M68HC11，其中后者有16位運(yùn)算功能，并有片內(nèi)8位高速A/D和16位多功能定時器系統(tǒng)，還有Watchdog等各種其他外用功能，非常適合于調(diào)速控制系統(tǒng)。綜上，本系統(tǒng)采用Inter的MCS-51中的8051單片機(jī)。 8051單片機(jī)簡介8051單片機(jī)由CPU和8個部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯

27、片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示： 中央處理器CPU：它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：8051芯片中共有256個RAM單元，能作為存儲器使用的只是前128個單元，其地址為00H7FH。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個單元，簡稱內(nèi)部RAM。特殊功能寄存器：是用來對片內(nèi)各部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個特殊功能的RAM區(qū)，位于內(nèi)部RAM的高128個單元，其地址為80HFFH。內(nèi)部程序存儲器：8051芯片內(nèi)部共有4KB單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部ROM。并行I/O口：805

28、1芯片內(nèi)部有4個8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。串行口：它是用來實現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。定時器：8051片內(nèi)有2個16位的定時器，用來實現(xiàn)定時或者計數(shù)功能，并且以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機(jī)進(jìn)行控制。中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個中斷源，即外部中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個和串行中斷1個。振蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成8051單片機(jī)產(chǎn)生時鐘脈沖序列的時鐘電路。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為12MHz。A. 8051單片機(jī)引腳圖如下圖所示：圖4-3 8051單片機(jī)引腳圖B. 8051單片機(jī)的40個引腳大致分為4大類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。

29、 a.電源 : VCC - 芯片電源，接 +5VVSS - 接地端；時鐘 : XTAL1 XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。控制線 : 控制線共有 4 根，ALE/PROG: 地址鎖存允許 / 片內(nèi) EPROM 編程脈沖ALE 功用：用來鎖存 P0 口送出的低 8 位地址PROG 功用：片內(nèi)有 EPROM 芯片， EPROM 編程時期，此引腳輸入編程脈沖。PSEN: 外 ROM 讀選通信號。RST/VPD: 復(fù)位 / 備用電源。RST Reset 功用：復(fù)位信號輸入端。VPD 功用Vcc 掉電情況下，接備用電源。EA/Vpp: 表里 ROM 挑選 / 片內(nèi) EPROM 編程電源。

30、I/O 線8051 共有 4 個 8 位并行 I/O 端口： P0 P1 P2 P3 口，共 32 個引腳。 P3 口還具有第二功能，用于特殊旌旗燈號輸入輸出和控制信號（屬控制總線） 單片機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理概述 整個系統(tǒng)的工作原理：首先是人為給定電動機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓信號，然后將這個電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳送給單片機(jī)（8051）。單片機(jī)通過中斷通信方式將接收到數(shù)據(jù)先保存起來。然后再對此數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：要將此二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，先將（00HFFH）轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的實際數(shù)值，接著啟動ADC0809開始采樣直流電動機(jī)的實際速度值，因為用到了中值濾波算法，所以需要連續(xù)采集三次數(shù)據(jù)，作比較之

31、后取中間值，這個值即為直流電動機(jī)速度的實際值。然后用給定值與這個實際值作比較，再通過PID控制算法，得到一個輸出信號值，再通過DAC0809轉(zhuǎn)換器將這個數(shù)字信號輸入到晶閘管來驅(qū)動直流電動機(jī)；接著繼續(xù)采樣，又通過PID控制算法，同樣又輸出一個電壓控制信號來驅(qū)動直流電動機(jī)，其實這是一個不斷地循環(huán)往復(fù)的過程，作比較直至差值為零，即實際速度等于給定速度。 整個系統(tǒng)設(shè)計包括了三個大的部分： A/D轉(zhuǎn)換電路部分、擴(kuò)展并行接口、存儲器的擴(kuò)展部分。A.A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計：從畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書中給的原始數(shù)據(jù)知道，測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓范圍為（012V），直流電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速值是1500轉(zhuǎn)/分。選用了一塊ADC080

32、9芯片，對測速發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號。但是ADC0809芯片只能接受（05V）的電壓范圍，需要外加一個轉(zhuǎn)換電路，將測速發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，達(dá)到ADC0809芯片能接受要求范圍。B.擴(kuò)展并行接口電路的設(shè)計：MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)具有32個輸入輸出接口，但在大多數(shù)的實時控制系統(tǒng)中，肯定會需要擴(kuò)展大量的芯片，唯一可行的辦法就是擴(kuò)展控制系統(tǒng)的并行接口，因此外擴(kuò)一塊8155芯片。C.存儲器的擴(kuò)展電路設(shè)計：MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)具有128B或256B的數(shù)據(jù)存儲器RAM，但在大多數(shù)的實時控制系統(tǒng)中，肯定會要求采集大量的數(shù)據(jù)信息，而這些信息又比較珍貴，為此需要將這些大量寶貴的

33、數(shù)據(jù)保存下來，唯一可行的辦法就是擴(kuò)展控制系統(tǒng)的存儲容量，因此外接一塊6116芯片。 單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計單片機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)接口電路集中了MCS-51系列單片機(jī)的功能芯片，包括數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展芯片6116，I/O口擴(kuò)展芯片8155，A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809，另外還有3-8譯碼器74LS138，地址鎖存器74LS373等。下面將分別介紹各個芯片的功能和設(shè)計電路圖。A.單片機(jī)系統(tǒng)的地址分配 單片機(jī)與74LS138譯碼器的設(shè)計如圖所示：圖4-4 8051與74LS138的連接圖 單片機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的接口電路屬于RAM和I/O容量較大的應(yīng)用系統(tǒng)，單片機(jī)共有三個外圍及接口芯片，需要三個片選信號，

34、我們采用全地址譯碼方法。這種譯碼方法將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器74LS138對高位地址線進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。本系統(tǒng)采用的38譯碼器74LS138，輸入端占用3根最高位地址線，取A P2.5 , A P2.6 , A P2.7 作為74LS138譯碼器的輸入信號依次接至74LS138的A口、B口、C口，剩余的13根低位可作為片內(nèi)地址線。因此，譯碼器的8根輸出線分別對應(yīng)8個8K字節(jié)地址空間。74LS138的控制端E1，E2接地，E3接+5V，否則譯碼器的8個輸出端全為高阻狀態(tài)。邏輯功能表如下： C B A （CS3）（CS2）（CS1）（CS0）1 0 00 0 0

35、1 1 1 1 1 1 1 0（接6116）1 0 00 0 11 1 1 1 1 1 0 8155 11 0 00 1 01 1 1 1 1 0（接0809）1 11 0 00 1 11 1 1 1 0 1 1 11 0 01 0 01 1 1 0 1 1 1 11 0 01 0 11 1 0 1 1 1 1 11 0 01 1 01 0 1 1 1 1 1 11 0 01 1 10 1 1 1 1 1 1 1其 它 狀 態(tài) 1 1 1 1 1 1 1 1表4-3 74LS138邏輯功能表根據(jù)上表中地址線的連接方法可知各個芯片全部地址譯碼如下表所示：表4-4 地址譯碼數(shù)據(jù)存儲器即隨機(jī)存取存儲

36、器，簡稱RAM，用于存放可隨時修改的數(shù)據(jù)信息，對RAM可進(jìn)行讀、寫操作。數(shù)據(jù)存儲器用于存儲現(xiàn)場采集的原始數(shù)據(jù)、運(yùn)算結(jié)果等，所以外部數(shù)據(jù)存儲器應(yīng)能夠隨機(jī)讀/寫，通常采用半導(dǎo)體隨機(jī)存儲器RAM電路。RAM為易失性存儲器，斷電后所存儲的信息會立即丟失。因為設(shè)計的系統(tǒng)中需要采集大量的數(shù)據(jù)并要保存下來，因此使用一片6116擴(kuò)展單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器，6116與單片機(jī)的電路設(shè)計如下圖所示：圖4-5 8051與數(shù)據(jù)存儲器6116的接口電路圖將74LS138的片選信號Y0接至6116的。6116數(shù)據(jù)線D0D7依次接到8051單片機(jī)的P0口，地址線A0A7依次接到74LS373的輸出端，高五位地址線（A8A10）依

37、次接到8051單片機(jī)的（P2.0P2.2口）。、的信號分別接到8051單片機(jī)的和端口。6116在此系統(tǒng)中的工作原理，當(dāng)6116的 0， 0， 1時從6264讀出數(shù)據(jù)到D7D0；當(dāng)6116的 0， 1， 0時把D7D0數(shù)據(jù)寫入6116。具體工作方式見下表：表 4-5 6116的工作方式選擇表工作方式功 能禁止000不允許同時為低電平讀出001從6116讀出數(shù)據(jù)到D7D0寫入010把D7D0數(shù)據(jù)寫入6116選通011輸出高阻未選通1輸出高阻由于8051單片機(jī)的P0口是分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展時，必須利用地址鎖存器將地址信號從地址/數(shù)據(jù)總線中分離開來。這里使用了帶三態(tài)緩沖輸

38、出的8D鎖存器74LS373，當(dāng)74LS373用作地址鎖存器時，三態(tài)門的使能信號應(yīng)該為低電平。當(dāng)C輸入端為高電平時，鎖存器輸出（1Q8Q）狀態(tài)和輸入端（1D8D）狀態(tài)相同；當(dāng)C端從高電平返回到低電平（下降沿）時，輸入端（1D8D）的數(shù)據(jù)鎖入（1Q8Q）的8位鎖存器中。給定轉(zhuǎn)速電路設(shè)計如下圖所示：圖4-6 給定模擬電壓與ADC0809的連接已知直流電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分，為簡化設(shè)計電路，給定轉(zhuǎn)速由一個旋轉(zhuǎn)電位器給定一個05V可變模擬電壓，通過ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器將這一給定05V電壓轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號，將這個數(shù)字信號作為控制直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的給定速度值。旋轉(zhuǎn)電位器R4的一端接+5V直

39、流電壓，另一端接地，可變輸出端接ADC0809模擬量輸入通道IN0。當(dāng)電位器輸出電壓為0V時即給定轉(zhuǎn)速為0轉(zhuǎn)/分，當(dāng)電位器輸出電壓為+5V時即給定轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分。這樣當(dāng)給定電壓在05V之間變化時，其轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號相當(dāng)于01500轉(zhuǎn)/分。反饋速度采樣電路設(shè)計如下圖所示：圖4-7 ADC0809和8051的連接電路圖在設(shè)計中首先要將給定直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，同時還要對測速發(fā)電機(jī)進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，因此需要一片A/D芯片。A/D的種類很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理可以分為雙積分式（優(yōu)點是轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾性好，價格便宜，但轉(zhuǎn)換速度慢）、逐次逼近式（轉(zhuǎn)換精度、速度、價格適中）、并行

40、式（速度快，但價格昂貴）和計數(shù)器式。其中逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用比較普遍，也能滿足設(shè)計要求，因此選用了一片ADC0809芯片。ADC0809是8路8位逐次逼近式A/D，由多路模擬開關(guān)、通道地址所存、譯碼器、8位A/D轉(zhuǎn)換器及三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器組成。設(shè)計中，由于ADC0809片內(nèi)無時鐘，因此利用8051單片機(jī) 的ALE提供，而8051單片機(jī)的晶振頻率為12MHz，則其ALE腳輸出的頻率為2MHz，再將8051單片機(jī)的 ALE經(jīng)過觸發(fā)器74LS74 四分頻后為500KHz。ADC0809的CLK典型值為640 KHz，超過640 KHz時會使轉(zhuǎn)換精度降低，因此經(jīng)過四分頻后8051單片機(jī)的ALE連

41、接到ADC0809的CLK能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。ADC0809具有輸出三態(tài)鎖存器，其8位數(shù)據(jù)輸出線D0D7可直接與8051單片機(jī)的P0口相連。ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC分別與8051單片機(jī)的地址總線D0、D1、D2經(jīng)過74LS373相連后A0、A1、A2連接，以選中IN0IN7的某一路，但是實際上只需要兩個轉(zhuǎn)換通道就行了（IN0給定轉(zhuǎn)速電壓通道；IN1測速發(fā)電機(jī)反饋電壓通道）。而將74LS138的CS3（）作為片選信號，由8051單片機(jī)的寫信號控制ADC0809的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動。由于ADC0809的ALE和START連在一起，故在鎖存通道的同時，啟動并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出允許

42、信號ENABLE由8051單片機(jī)的讀信號RD與74LS138的組合產(chǎn)生。顯然應(yīng)為低電平。A/D轉(zhuǎn)換是否完成的判斷。因為只有確認(rèn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，才能把數(shù)據(jù)傳送給8051單片機(jī)做處理。通常有三種方式：定時傳送方式、查詢方式、中斷方式。從ADC0809和8051單片機(jī)的連接電路圖中可知 ADC0809 的EOC經(jīng)過反向器后再和8051單片機(jī)的INT0相連接，所以采用的是中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。由于采用的是中值濾波算法，所以需要采集三次。當(dāng)檢測到EOC為高電平時，即A/D轉(zhuǎn)換完成，單片機(jī)將數(shù)據(jù)讀入并做相應(yīng)的處理。ADC0809和8051單片機(jī)的連接電路圖中主要涉及到三個問題：第一個是ADC0809的8路

43、模擬信號的通道選擇（上文中已經(jīng)做出說明），第二個就是A/D轉(zhuǎn)換完后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送，第三個就是ADC0809的8路模擬信號的通道所能承受的電壓為05V，而測速發(fā)電機(jī)輸出電壓為012V，因此需要加一個轉(zhuǎn)換電路將測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓轉(zhuǎn)換成能夠滿足ADC0809的模擬量輸入通道的要求，通常將測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓接到一個電位器上，調(diào)整電位器使輸出電壓變成05V的直流電壓。A/D轉(zhuǎn)換后得到的是數(shù)字量，傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。8155與單片機(jī)連接電路如圖所示：圖4-8 8155和8051的連接電路圖MCS-51單片機(jī)可以和8155直接相連而不需要任何外加邏輯器件。8051單片機(jī)P0口輸出的低8位地址不需要另外

44、加鎖存器而直接與8155的AD0AD7相連，既做低8位地址總線又做數(shù)據(jù)總線，地址鎖存器直接用ALE引腳在8155鎖存。 電流測量和速度給定值輸入系統(tǒng)使用ADC0809 8路8位A/D轉(zhuǎn)換器，它的地址為7FFFH。寫入該地址，啟動A/D轉(zhuǎn)換器，通道地址由A2、A1、A0決定。A/D轉(zhuǎn)換完成，產(chǎn)生EOC脈沖和中斷。這時，MCU可讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖4-9 電流測量框圖如圖4-9所示，交流電流通過電流互感器變成05V電壓信號，經(jīng)整流和濾波后加到ADC0808的IN0上。速度給定采用電位器輸入，它加到IN1上。對于需要較高精度的調(diào)速控制系統(tǒng)，可采用10位或者更高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片。但這時，一方面成本將

45、較高，另一方面計算將大大復(fù)雜，因為必須采用16位計算，所以在選型時應(yīng)該多方面考慮。 速度測量速度檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法。模擬測速一般采用測速發(fā)電機(jī)，其輸出電壓不僅表示了轉(zhuǎn)速的大小，還包含了轉(zhuǎn)速的方向，在調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的方向也是不可缺少的。不過模擬測速方法的精度不夠高，在低速時更為嚴(yán)重。對于要求精度不高、調(diào)速范圍不大的系統(tǒng)，這種測速方法亦能滿足本次設(shè)計的需要。直流測速發(fā)電機(jī)是一種模擬測速裝置。它能產(chǎn)生和電動機(jī)轉(zhuǎn)速成比例的電信號，并且有能在較寬的范圍內(nèi)提供速度信號的能力。直流測速發(fā)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于自動控制、測量技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等裝置中。在空載時，直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓就是電樞感應(yīng)電動勢。

46、顯然輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。另外，直流測速發(fā)電機(jī)輸出的是一個脈動電壓，其交變分量對速度反饋控制系統(tǒng)、高精度的解算裝置有較明顯的影響。直流測速發(fā)電機(jī)的輸出是一個模擬量，當(dāng)它與單片機(jī)接口時，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在我們使用的8051單片機(jī)內(nèi)部不含有A/D轉(zhuǎn)換器，我們外接了ADC0809轉(zhuǎn)換器，它具有812位的轉(zhuǎn)換精度。 晶閘管控制晶閘管觸發(fā)采用8051的定時器T0實現(xiàn)。每次把T的補(bǔ)碼寫入T0中，在T0溢出時，轉(zhuǎn)到T0中斷處理程序，按脈沖分配表從P1口（P1.0P1.5）輸出晶閘管觸發(fā)脈沖。然后延時50s，置位P1.0P1.5，從而輸出寬度為50s的觸發(fā)脈沖。該觸發(fā)脈沖經(jīng)8155輸出去觸發(fā)對應(yīng)的晶閘管

47、。這里由于8051的P1口在復(fù)位后初態(tài)為1，故采用0為有效輸出位，以保證初態(tài)時晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)。4.3 7805引腳圖及其穩(wěn)壓電路7805是我們最常用到的穩(wěn)壓芯片了，他的使用方便，用很簡單的電路即可以輸入一個直流穩(wěn)壓電源,他的輸出電壓恰好為5，剛好是51系列單片機(jī)運(yùn)行所需的電壓，他有很多的系列如7805，7805，7805等，性能有微小的差別,用的最多的還是7805。引腳圖下圖所示。圖 4-12 7805引腳圖其中1接整流器輸出的+電壓，2為公共地 也就是負(fù)極 ，3就是我們需要的正5V輸出電壓了下面介紹一個簡單的7805電路圖4-13 7805穩(wěn)壓電路上圖中R用20這個是用來調(diào)節(jié)輸出電壓的。

48、此穩(wěn)壓電路可在512V穩(wěn)壓范圍內(nèi)實現(xiàn)輸出電壓連續(xù)可調(diào)節(jié)。此三端集成穩(wěn)壓集成電路7805最大輸入電壓為35V，輸入輸出差需保持2V以上，這樣該電路中因為穩(wěn)壓器的直流輸入電壓是正14V，故該穩(wěn)壓電路的最大輸出電壓為正12V。此電路的精度一般可達(dá)到0.04以上，用7805就能滿足一般需求了。5. 調(diào)節(jié)器的設(shè)計5.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計確定了被控對象電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型,很容易作出電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖,如圖5-1所示 。圖5-1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖由于突加給定階躍后，速度調(diào)節(jié)器輸出馬上達(dá)到飽和限幅值，電流環(huán)投入工作使電機(jī)電樞電流很快上升，相對電流來說，速度變化很緩慢。因此，可以認(rèn)為反電勢對電流產(chǎn)生的影響很小，令E 0，

49、則圖5-1通過結(jié)構(gòu)圖變換，簡化為圖 5-2。圖5-2 簡化的電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖節(jié)器的設(shè)計一般三相橋式電路晶閘管最大失控時間在00.0033s之間隨機(jī)分布,取其平均值,取TSCR 0.0017s。本系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器最大輸出電壓UKm 2.54V,晶閘管最大輸出整流電壓為則所以晶閘管傳遞函數(shù)為電流反饋回路由交流互感器經(jīng)三相橋式整流及T型濾波構(gòu)成,一 般時間常數(shù)在12ms之間。取TLF 0.0016s。電動機(jī)最大起動電流為11.3A,而速度調(diào)節(jié)器輸出限幅確定為2.4V,則KLF 2.4V/11.33A 0.212V/A,其傳遞函數(shù)為注意到TSCR和TLF都很小，可以把他看成是小慣性群，即T TSCR+TLF

50、 0.0017s + 0.0016s 0.0033 s 。這樣晶閘管傳遞函數(shù)和電流反饋傳遞函數(shù)可并為一慣性環(huán)節(jié):將已求結(jié)果代入圖5-2,即可得到電流環(huán)最簡單結(jié)構(gòu)圖,如圖5-3所示。圖5-3 電流環(huán)最簡結(jié)構(gòu)圖其中, DLT s 為電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù), GLS s 電流環(huán)廣義控制對象。5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計在圖5-1中,當(dāng)突加速度給定后,ST輸出立即達(dá)到限幅值,ST輸出就是LT的給定,因而系統(tǒng)以最大加速度升速。但是此時速度反饋來不及跟上速度給定，即UgnUfn，則ST仍然處于飽和限幅，故速度環(huán)工作在開環(huán)狀態(tài)，速度繼續(xù)上升，只有當(dāng)UgnUfn時，ST才退出飽和限幅，這時才真正構(gòu)成速度閉環(huán)，直到穩(wěn)

51、態(tài)為止。因此，系統(tǒng)速度閉環(huán)時其初始條件不為零，而按二、三階最佳工程設(shè)計是以頻率法為基礎(chǔ)，傳遞函數(shù)為工具，零初始條件為前提的，因而按二、三階最佳來設(shè)計速度調(diào)節(jié)器就成問題。為此，我們提出按二次型性能指標(biāo)最優(yōu)控制來設(shè)計速度調(diào)節(jié)器。按二次型性能指標(biāo)最優(yōu)設(shè)計速度調(diào)節(jié)器的方法是基于控制作用受約束下，確定最優(yōu)控制規(guī)律，使系統(tǒng)從任意初態(tài)，以最優(yōu)性能指標(biāo)轉(zhuǎn)移到新的平衡狀態(tài)。本系統(tǒng)設(shè)計穩(wěn)態(tài)運(yùn)行為初態(tài)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)到零時為平衡狀態(tài)，即當(dāng)速度給定突然變?yōu)榱銜r尋找制動過程最優(yōu)控制律。 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計由圖5-3,再考慮加入給定濾波器（為了減少超調(diào)量）,則電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為即Ki 4.72, Ti 0.0066s 。這樣電流

52、環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)作為速度環(huán)的一個環(huán)節(jié)來處理。為了確保系統(tǒng)精度，在GLB s 前面再串一個積分環(huán)節(jié)，則速度環(huán)被控對象結(jié)構(gòu)圖如圖5-4所示。圖5-4速度環(huán)被控對象結(jié)構(gòu)圖若給定為一般定常線性系統(tǒng),其狀態(tài)方程為:其中A為n×n常陣，B為n×m常陣，試確定使性能指標(biāo)最優(yōu)泛函為:其中Q為n×n正定或半正定對稱陣, R為m×m正定或半正定對稱陣。K R-1BTP 0.035 , 0.018 , 1.87引入狀態(tài)反饋后圖5-4可以畫成如圖5-5所示的框圖。圖5-5速度環(huán)狀態(tài)反饋框圖由于本設(shè)計是在速度給定降為零時,尋找制動過程最優(yōu)控制律,因而令UGn 0。圖中KSF是對10

53、00r/min時，若令USF 2.4V, 則KSF 2.4V /（1000r/min） 0.0024V?min/r 。若考慮速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器,并加入比例微分負(fù)反饋,其結(jié)構(gòu)圖如圖5-6所示。圖5-6速度環(huán)狀態(tài)反饋簡化圖圖5-7 PI調(diào)節(jié)器加比例微分負(fù)反饋框圖比較圖5-6和圖5-7可得:比較兩邊系數(shù)有：KP 0.97, 0.063 , Tf 0.0070 , 相應(yīng)速度調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為比例微分反饋的傳遞函數(shù)為:Gfn（s） 1 + Tfs 1 + 可得比例微分反饋差分方程為:Ufn（k） USF（k）+ 0.73USF（k）- USF（k-1）6. 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計本調(diào)速系統(tǒng)的全部軟件包括

54、主程序、子程序以及中斷處理程序，系統(tǒng)軟件設(shè)計主要采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計。為實現(xiàn)單片機(jī)對直流電機(jī)的控制，滿足設(shè)計的要求，系統(tǒng)的工作過程是靠軟件來實現(xiàn)的。因此軟件的設(shè)計和編寫很重要，程序的編寫采用匯編語言。6.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計流程圖如圖6-1所示的主程序流程圖，它完成主程序完成系統(tǒng)的各種功能初始化操作，包括8051的片內(nèi)I/O寄存器、各種狀態(tài)和標(biāo)志位、各個控制數(shù)據(jù)等的初始化，然后循環(huán)定時執(zhí)行速度環(huán)和電流環(huán)的計算，并完成控制輸出等各種功能。圖6-1 主程序流程圖6.2 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器程序設(shè)計在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制

55、器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。當(dāng)輸入時誤差函數(shù)e t 、輸出函數(shù)是u t 時，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如下 （6-1）式中 Kpi為PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；t為PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。式子（6-1）的時域表達(dá)式可寫成 （6-2）其中，KP Kpi為比例系數(shù)，KI 1/t為積分系數(shù)。將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為 （6-3）其中，Tsam為采樣周期。式（6-3）表述的差分方程為位置式算法，u k 為第k拍的輸出值。由式子看出，比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。位置式PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰，P和I兩部分作用分明，參數(shù)調(diào)整簡單明了。為了安全起見，常須對調(diào)節(jié)器的輸出實行限幅。在數(shù)字控制算法中，要對u限幅，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值um,當(dāng)u k um時，便以限幅值um作為輸出。而位置式算法必須要同時設(shè)積分限幅和輸出限幅。6.3 數(shù)字濾波器程序設(shè)計在檢測得到的轉(zhuǎn)速信號中，不可避免