自 動(dòng) 化 工 程 訓(xùn) 練

PAGEPAGE18直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理本題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，具體要求如下：1.熟悉直流電機(jī)PWM控制原理，設(shè)計(jì)一個(gè)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，要求采用閉環(huán)PI調(diào)節(jié)。2.編寫程序，在硬件電路的基礎(chǔ)上，完成對(duì)直流電機(jī)的調(diào)試。3.測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)論進(jìn)行分析，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。針對(duì)實(shí)驗(yàn)要求，我們提出以下方案：系統(tǒng)采用單閉環(huán)DDC調(diào)速系統(tǒng)，所謂DDC系統(tǒng)，就是用一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢查；檢查結(jié)果與設(shè)定值比較，再按數(shù)字PID算法規(guī)律進(jìn)行控制運(yùn)算；然后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。本系統(tǒng)采用的是速度反饋DDC閉環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)定值是轉(zhuǎn)速，采用增量型數(shù)字PID調(diào)節(jié)，控制PWM輸出占空比，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速按照給定值運(yùn)轉(zhuǎn)。PWM控制原理對(duì)小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用單片機(jī)是極為方便的。其方法是通過改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值（即占空比）來控制電機(jī)速度。這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation），簡(jiǎn)稱PWM。改變占空比的方法有3種：（1）定寬調(diào)頻法，這種方法是保持不變，只改變，這樣周期T（或頻率）也隨之改變；（2）調(diào)寬調(diào)頻法，保持不變，而改變，這樣也使周期T（或頻率）改變；（3）定頻調(diào)寬法，這種方法是使周期T（或頻率）不變，而同時(shí)改變和由于前兩種方法都改變了周期（或頻率），當(dāng)控制頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，用的比較少，因此本系統(tǒng)用的是定頻調(diào)寬法。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加。電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減小。只要按一定規(guī)律，改變通斷電時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。設(shè)電機(jī)永遠(yuǎn)接通電源時(shí)，其最大轉(zhuǎn)速為Vmax，設(shè)占空比D＝/T，則電機(jī)的平均速度為Vd，平均速度Vd與占空比D的函數(shù)曲線如圖1－2所示，從圖可以看出，VD與占空比D并不是完全線性關(guān)系（圖中實(shí)線），當(dāng)系統(tǒng)允許時(shí)，可以將其近似的看成線性關(guān)系（圖中虛線），本系統(tǒng)采用近似法。圖1－2平均速度與占空比的關(guān)系比例積分控制規(guī)律系統(tǒng)的控制算法主要采用了PI控制算法。其控制算法為：其中Kp為比例系數(shù)，Ti為積分系數(shù)。若單片機(jī)的采樣周期為T，則上式可近似為：上式即為位置式PI控制算法。這里我們采用其增量式控制算法，根據(jù)遞推原理可得：則增量式控制算法為：其中Kp為控制器比例系數(shù)，Ki為積分時(shí)間常數(shù)。由于系統(tǒng)采用了比例積分調(diào)節(jié)器(簡(jiǎn)稱PI調(diào)節(jié)器)，使系統(tǒng)在擾動(dòng)的作用下，通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到靜態(tài)無差，從而實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)無差。無靜差調(diào)速系統(tǒng)中，比例積分調(diào)節(jié)器的比例部分使動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快(無滯后)，積分部分使系統(tǒng)消除靜差。第二章硬件設(shè)計(jì)與分析在對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)后，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)以89C52單片機(jī)為核心，包括主回路，驅(qū)動(dòng)電路，測(cè)速電路，按鍵顯示電路。系統(tǒng)硬件組成圖2－1為該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖。根據(jù)本系統(tǒng)要求通過軟件編程定義鍵盤各鍵的功能及顯示控制。有關(guān)驅(qū)動(dòng)及主回路控制電路見下幾節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)控制過程為：鍵盤輸入控制信號(hào)、參數(shù)及速度給定值，單片機(jī)經(jīng)過速度閉環(huán)、運(yùn)算，控制P口（自行定義）輸出脈沖的占空比，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并經(jīng)顯示電路顯示出來。圖2－1系統(tǒng)硬件框圖2.2驅(qū)動(dòng)控制電路驅(qū)動(dòng)控制電路見圖2－3。將單片機(jī)軟件產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)并聯(lián)使用的施密特反相器，對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。圖2－2驅(qū)動(dòng)控制電路2.3主回路控制電路主電路控制電路見圖2－2。220交流電壓經(jīng)過橋式整流電路的整流，再經(jīng)過電容濾波，經(jīng)過IGBT元件的功率放大，加到直流電機(jī)的兩端控制電機(jī)。圖2－3主電路控制電路2.4測(cè)速電路測(cè)速電路見圖2－4。圖2－4測(cè)速電路2.5顯示及按鍵電路顯示電路見圖2-5。選用共陰8段數(shù)碼管，采用MAX7219驅(qū)動(dòng)。MAX7219是一種高集成化的串行輸入/輸出的共陰極LED顯示驅(qū)動(dòng)器。每片可驅(qū)動(dòng)8位7段加小數(shù)點(diǎn)的共陰極數(shù)碼管，可以數(shù)片級(jí)聯(lián)，而與微處理器的連接只需3根線。MAX7219內(nèi)部設(shè)有掃描電路，除了更新顯示數(shù)據(jù)時(shí)從單片機(jī)接收數(shù)據(jù)外，平時(shí)獨(dú)立工作，極大地節(jié)省了MCU有限的運(yùn)行時(shí)間和程序資源。MAX7219芯片上包括BCD譯碼器、多位掃描電路、段驅(qū)動(dòng)器、位驅(qū)動(dòng)器和用于存放每個(gè)數(shù)據(jù)位的8×8靜態(tài)RAM以及數(shù)個(gè)工作寄存器。通過指令設(shè)置這些工作寄存器，可以使MAX7219進(jìn)入不同的工作狀態(tài)。MAX7219的詳細(xì)資料請(qǐng)參考其他書籍，這里不再贅述。圖2-5MAX7219驅(qū)動(dòng)顯示電路按鍵電路見圖2－6。52單片機(jī)的P口在懸空時(shí)默認(rèn)是高電平，每個(gè)按鈕通過一個(gè)上拉電阻接到＋5V電源，按下按鈕，則P口變成低電平，這樣就可以通過P口的狀態(tài)來反映按鈕的按下情況。按鍵通過并聯(lián)電容C進(jìn)行防抖動(dòng)，無需通過軟件部分實(shí)現(xiàn)。圖2－6第三章軟件設(shè)計(jì)與分析軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的難點(diǎn)也是重點(diǎn)，最終直流電機(jī)控制系統(tǒng)的好壞，很大程度上是由軟件程序的優(yōu)良決定的。通過硬件的設(shè)計(jì)部分可知，軟件程序主要包括：按鍵程序，顯示程序，PWM產(chǎn)生程序，測(cè)速程序以及PI調(diào)節(jié)程序。在編寫程序的過程中，運(yùn)用工程化思想，從總體出發(fā)，由易到難，這樣才能高質(zhì)高效的完成軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)。采用C語言而不是匯編語言，因?yàn)镃語言方便使用，而且移植性好，更容易入手，有利于各個(gè)功能部分的實(shí)現(xiàn)。3.1按鍵功能按鍵的判斷是通過檢測(cè)P口的高低電平來實(shí)現(xiàn)的，有鍵按下，相應(yīng)的P口就為低電平。值得注意的是，按鍵程序必須防止誤操作，也就是要加入防抖動(dòng)功能。我們采用的是串聯(lián)電容接地實(shí)現(xiàn)防抖動(dòng)功能，無需軟件實(shí)現(xiàn)。按鍵程序流程圖見圖3－1。圖3－1按鍵程序流程圖3.2顯示功能LED燈可以由單片機(jī)的P口經(jīng)過放大后直接驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮，但是這樣做不僅硬件設(shè)計(jì)繁瑣，而且也增加了軟件設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)，這里采用專用芯片MAX7219驅(qū)動(dòng)LED燈，可以很方便的完成顯示功能。軟件部分除了對(duì)MAX7219初始化功能需要編程外，重點(diǎn)是LED燈怎樣和按鍵配合準(zhǔn)確地顯示。本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)按鍵和顯示配合的功能如下：按下增加（減少）鍵，LED顯示0～9相應(yīng)的增加（減少）；按下選擇鍵，可以循環(huán)控制不同位置的LED燈；按下確認(rèn)鍵，LED顯示設(shè)定的數(shù)值。而且要求沒有按鍵時(shí)，待按鍵對(duì)應(yīng)的LED燈閃爍變化，確認(rèn)鍵按下后，LED不閃爍。設(shè)定好的數(shù)值還要反饋到單片機(jī)中進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算控制以調(diào)節(jié)系統(tǒng)，測(cè)速電路測(cè)得的轉(zhuǎn)速也應(yīng)該通過顯示功能電路顯示出來，而且同時(shí)在一邊另外的LED燈中顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速，以和實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比。顯示程序流程圖見圖3－2。圖3－2顯示程序流程圖3.3PWM波產(chǎn)生和電機(jī)測(cè)速功能在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。PWM波產(chǎn)生的思想是，固定PWM的周期為PWMT，t時(shí)間內(nèi)輸出高電平，則剩下PWMT-t時(shí)間就輸出低電平。通過控制定時(shí)器T1，從而可以實(shí)現(xiàn)從8051的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于PWM信號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，而不同單片機(jī)的定時(shí)器具有不同的特點(diǎn)，即使是同一臺(tái)單片機(jī)由于選用的晶振不同，選擇的定時(shí)器工作方式不同，其定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也不同。因此，首先必須明確定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系。如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為f，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為N位，則定時(shí)器初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系為:式中，Tw—定時(shí)器定時(shí)初值；N—一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)鐘數(shù)。N隨著機(jī)型的不同而不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機(jī)型給出相應(yīng)的值。這樣，我們可以通過設(shè)定不同的定時(shí)初值Tw，從而改變占空比D，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。此次實(shí)驗(yàn)采用12MHz晶振，計(jì)數(shù)頻率為1MHz，即每微秒計(jì)數(shù)器加一，設(shè)置PMW脈沖周期固定為PWMT=10000，即0.01s。在實(shí)際的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)的測(cè)速由測(cè)速電機(jī)完成，本次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由電機(jī)自帶的霍爾元件完成測(cè)速，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件就送出一個(gè)脈沖，我們?cè)O(shè)計(jì)的程序是將測(cè)速部分嵌套在PWM函數(shù)里，這樣就節(jié)省了一個(gè)定時(shí)器資源。PWM脈沖周期為0.01s，一個(gè)周期定時(shí)器T1中斷2次，設(shè)置定時(shí)器每中斷200次，即每1s對(duì)電機(jī)進(jìn)行一次測(cè)速，測(cè)速完畢后計(jì)數(shù)器T0歸零，重新對(duì)霍爾脈沖計(jì)數(shù)。PWM和測(cè)速程序流程圖見圖3－3。圖3－3PWM和測(cè)速程序流程圖3.5PI調(diào)節(jié)功能本系統(tǒng)功率、電壓環(huán)PI算法均采用積分分離增量式位置輸出算法。程序框圖如圖3－5所示。圖3-5PI算法程序流程圖圖3-6中，Ki為積分系數(shù)；Kp為比例系數(shù)；U(k)為第k次電壓輸出值；U(k-1)為第(k-1)次電壓輸出值；U′（k)為第k次與第(k-1)次電壓輸出值之差；e(k)為給定與反饋值之差；e′(k)為第k次與第(k-1)偏差之差。附錄二軟件原程序自定義頭文件max7219.h#include<reg51.h>#include<intrins.h>/**/#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitdis_DIN=P0^0;/*顯示串行數(shù)據(jù)輸入端*/sbitdis_LOAD=P0^1;/*顯示數(shù)據(jù)鎖存端*/sbitdis_CLK=P0^2;/*顯示時(shí)鐘輸入端*/#defineNoOp0x00/*空操作*/#defineDigit00x01/*數(shù)碼管1*/#defineDigit10x02/*數(shù)碼管2*/#defineDigit20x03/*數(shù)碼管3*/#defineDigit30x04/*數(shù)碼管4*/#defineDecodeMode0x09/*譯碼模式*/#defineIntensity0x0a/*亮度*/#defineScanLimit0x0b/*掃描界限*/#defineShutDown0x0c/*掉電模式*/#defineDisplayTest0x0f/*顯示測(cè)試*/#defineShutdownMode0x00/*掉電方式工作*/#defineNormalOperation0x01/*正常操作方式*/#defineDecodeDigit0xff/*譯碼位數(shù)設(shè)置*/#defineIntensityGrade0x0a/*顯示亮度級(jí)別設(shè)置*/#defineScanDigit0x07/*掃描位數(shù)設(shè)置*/#defineTestMode0x01/*顯示測(cè)試方式*/#defineTextEnd0x00/*顯示測(cè)試結(jié)束，正常工作*/unsignedintdataDisBuffer[4]={0,0,0,0};/*顯示緩存區(qū)*/ucharDigit[4]={Digit0,Digit1,Digit2,Digit3};/*數(shù)碼管緩存區(qū)*/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,全滅*//*延時(shí)t毫秒子程序*/voiddelay(uintt){uinti;while(t--){/*對(duì)于12MHz時(shí)鐘，約延時(shí)1ms*/for(i=0;i<125;i++){}}}/*向MAX7219寫入字節(jié)（8位）*/voidSendChar(unsignedcharch){unsignedchari,temp;_nop_();for(i=0;i<8;i++){temp=ch&0x80;ch=ch<<1;if(temp){dis_DIN=1;dis_CLK=0;dis_CLK=1;}else{dis_DIN=0;dis_CLK=0;dis_CLK=1;}}}/*向MAX7219寫入字（16位）*/voidWriteWord(unsignedcharaddr,unsignedcharnum){dis_LOAD=0;_nop_();SendChar(addr);_nop_();SendChar(num);_nop_();dis_LOAD=1;}/*顯示數(shù)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);/*設(shè)置掃描界限*/WriteWord(DecodeMode,DecodeDigit);/*設(shè)置譯碼模式*/WriteWord(Intensity,IntensityGrade);/*設(shè)置亮度*/WriteWord(ShutDown,NormalOperation);/*設(shè)置電源工作模式*/}/*系統(tǒng)上電初始化*/voidInitMain(void){IE=0x00;/*設(shè)置中斷允許寄存器*/IP=0x00;/*設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)管理寄存器*/TH0=0xd8;/*設(shè)定時(shí)器初值，10ms*/TL0=0xf0;TMOD=0x01;/*T1定時(shí)器模式2，波特率發(fā)生器，T0定時(shí)器模式1*/TCON=0x11;/*設(shè)置定時(shí)器控制寄存器,INT0設(shè)置為邊沿觸發(fā)方式*/PSW=0x00;}主函數(shù)main.c#include"MAX7219.H"#include<reg51.h>/**/sbitADD=P1^0;/*增加鍵*/sbitDEC=P1^1;/*減少鍵*/sbitOPT=P1^2;/*選擇鍵*/sbitENS=P1^3;/*確定鍵*/sbitT0CLK=P3^4;/*脈沖計(jì)數(shù)引腳*/sbitCLK=P1^7;/*PWM脈沖*/#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#definePWMT10000floatSet=0;//設(shè)定轉(zhuǎn)速floatt=0;//控制轉(zhuǎn)速floatt1=0;//控制轉(zhuǎn)速unsignedlongintx=0;//中斷次數(shù)floatspeed=0;//檢測(cè)轉(zhuǎn)速floatek=0;//e(k)floatek1=0;//e(k-1)floatKp=0;//比例系數(shù)floatKi=0.5;//積分系數(shù)/**/uintkey()//檢測(cè)按鍵{uintkey_state=ADD&&DEC&&OPT&&ENS;if(key_state)return0;//如果沒有鍵被按下，返回0elseif(ADD==0)return1;//如果增加鍵被按下，返回1elseif(DEC==0)return2;//如果減少鍵被按下，返回2elseif(OPT==0)return3;//如果選擇鍵被按下，返回3elsereturn4;//如果確定鍵被按下，返回4}/**/voidtimer1(void)interrupt3//中斷服務(wù),返回值函數(shù)名interruptn,其中n對(duì)應(yīng)中斷源的編號(hào)，其值從0開始，以80C51單片機(jī)為例，編號(hào)從0~4，分別對(duì)應(yīng)外中斷0、定時(shí)器0中斷、外中斷1、定時(shí)器1中斷和串行口中斷。{ CLK=!CLK; t=PWMT-t;//使脈沖周期固定為PWMTif(CLK==1) t=t1; x++; if(x%200==0) { speed=(TH0*256+TL0)*60;//每隔1秒檢測(cè)一次轉(zhuǎn)速 ek1=ek; ek=Set-speed;t=t+Kp*(ek-ek1)+Ki*ek;//PI調(diào)節(jié)if(t<0)t=0;if(t>PWMT)t=PWMT; t1=t; TH0=0; TL0=0;//重置計(jì)數(shù)器 CLK=1; }TH1=-(int)t/256;TL1=-(int)t%256;}/**/voidmain(){unsignedinti,j,k;//i表示數(shù)碼管數(shù)組的下標(biāo),t表示設(shè)定的轉(zhuǎn)速InitMain();InitDis(); WriteWord(DisplayTest,TestMode); WriteWord(DisplayTest,TextEnd);//初始化 for(j=0;j<4;j++) { WriteWord(Digit[j],0);//剛加電時(shí)，顯示0000 } CLK=0;TH1=-(int)t/256;//T1定時(shí)t秒 TL1=-(int)t%256; TH0=0;//T0從0開始計(jì)數(shù) TL0=0;TMOD=0x15;//T1定時(shí)模式1,T0計(jì)數(shù)模式1 EA=0; ET1=1; ET0=1;TR1=1; TR0=1; while(1) { for(j=0;OPT==0;)//當(dāng)選擇鍵按下時(shí)開始設(shè)置 { for(;OPT==0;){delay(10);} i=0; for(;ADD&&DEC&&OPT&&ENS==1;)//0號(hào)數(shù)碼管閃爍直到有鍵按下 { WriteWord(Digit[i],0x5f); delay(200); WriteWord(Digit[i],DisBuffer[i]); delay(200); }loop: k=key();//檢測(cè)按鍵if(k==0) { gotoloop;//若無鍵按下,則繼續(xù)檢測(cè) } elseif(k==1)//如果增加鍵被按下，返回值為1 { DisBuffer[i]=(DisBuffer[i]+1)%10;//當(dāng)前數(shù)組元素加一 WriteWord(Digit[i],DisBuffer[i]);//顯示當(dāng)前數(shù)組元素 for(;ADD==0;){delay(10);} for(;ADD&&DEC&&OPT&&ENS==1;)//數(shù)碼管閃爍直到有鍵按下 { WriteWord(Digit[i],0x5f); delay(200); WriteWord(Digit[i],DisBuffer[i]); delay(200); } gotoloop; } elseif(k==2)//如果減少鍵被按下，返回值為2 { if(DisBuffer[i]==0) DisBuffer[i]+=10; DisBuffer[i]=DisBuffer[i]-1;//當(dāng)前數(shù)組元素減一,以10為周期循環(huán) WriteWord(Digit[i],DisBuffer[i]);//顯示當(dāng)前數(shù)組元素 for(;DEC==0;){delay(10);} for(;ADD&&DEC&&OPT&&ENS==1;)//數(shù)碼管閃爍直到有鍵按下 { WriteWord(Digit[i],0x5f); delay(200); WriteWord(Digit[i],DisBuf