计算机控制技术课程设计-.pdf

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1、成绩：计算机控制技术课程设计报告题目：数字双闭环直流调速系统设计学院：计算机与电子信息学院班级：姓名：学号：指导教师：张友斌起止日期：2011年 12 月 19 日 2011年 12 月 25 日摘要I 摘要数字双闭环直流调速系统是在经典控制理论的基础上设计完成的。本系统以带有 AD 转换器的 8051 系列单片机为控制器芯片，对电机进行电流、转速双闭环 PWM 可逆直流调速系统设计。利用单片机为核心的数字控制系统使其硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移影响。而且其稳定性好，可靠性高，提高了控制性能。在软件方面，文章中介绍了PI 运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实

2、现。关键字：数字双闭环单片机调速ABSTRACT II ABSTRACT Digital DC double loop speed control system in the classical control theory based on the design completed.The system with a AD converter 8051 series SCM as the controller chip,motor current,speed double closed loop reversible DC speed control system design of PWM

3、.Using single chip as the core digital control system the hardware circuit of high standardization degree,low manufacturing cost,and is not affected by temperature drift effect.And its good stability,high reliability,improves the control performance.On the software side,the article introduced the PI

4、 computing procedures,such as initialization procedures for the preparation of ideas and specific procedures to achieve.Key Words:Digital Double Closed-Loop Single chip Adjust speed目录III 目录摘要.IABSTRACT.II目录.III计算机控制技术课程设计任务书.IV第一章数字双闭环直流调速系统总体设计.1第二章数字双闭环直流调速系统硬件设计.42.1 主电路设计.42.2 硬件电路结构图.42.3 控制电路的

5、设计.52.3.1 调节器的设计.52.3.2 计算机控制单元.7第三章数字双闭环直流调速系统软件设计.103.1 系统软件程序设计.103.2算法实现.13心得体会.15参考书目.16附录.17计算机控制技术课程设计任务书IV 计算机控制技术课程设计任务书题目：数字双闭环直流调速系统设计使用班级：电气081、082 设计内容采用带有AD转换器的8051 系列单片机为控制器芯片，对直流电机进行电流、转速双闭环调速系统设计。A、硬件系统设计。包括控制电路系统与主电路系统；控制电路主要包括：单片机选型、单片机外围电路、三相电源过零检测电路、前向通道电路、反馈通道电路、人机接口电路；主电路主要包括：

6、UPE及保护电路、功率驱动放大电路，电机接口电路。B、软件系统设计。主要包括：电流环采样、转速环采样、电流环控制器算法、转速环算法、中断控制、故障报警等。设计步骤一、总体方案设计二、控制系统的建模和数字控制器设计三、硬件的设计和实现1、选择计算机机型（采用51 内核的单片机）；2、设计支持计算机工作的外围电路（EPROM,RAM、I/O 端口、键盘、显示接口电路等）3、设计输入信号接口电路；4、设计 A/D 转换和电机驱动接口电路；5、其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）四、软件设计1、分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；2、编写 A/D 转换和速度、电流检测子程序框图；3、编写

7、控制程序和功率驱动子程序模块粗图；4、其它程序模块（显示与键盘等处理程序）框图。五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（A3 幅面）。课程设计说明书要求1 课程设计说明书应书写认真字迹工稚，论文格式参考国家正式出版的书籍和论文编排。2 论理正确、逻辑性强、文理通顾、层次分明、表达确切，并提出自己的见解和观点。3 课程设计说明书应有目录、摘要、序言、主干内容（按章节编写）、主要结论和参考书，附录应有系统方枢图和电路原理图。4 课程设计说明书应包括按上述设计步骤进行设计的分析和思考内容和引用的相关知识第一章数字双闭环直流调速系统总体设计1 第一章数字双闭环直流调速系统总体设计目前，需要高性能

8、可控调速系统的领域多数都采用直流调速系统。转速、电流双闭环调速系统（简称双闭环调速系统）是由单闭环调速系统发展而来的。单闭环调速系统可以实现转速调节无静差，但单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，而用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统，则可以获得近似理想的过渡过程。对于直流调速系统,要获得优良的性能指标,须对电动机的两个基本状态变量,即电枢电流和转速进行检测,并实行有效控制.电流和转速两个状态变量的检测,是实现系统闭环控制的必要条件。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，

9、即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图 1-1 所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。TG nASRACRU*n+-Un Ui U*i+-Uc TA V M+-Ud Id UPE L-M T+图 1-1 转速、电流双闭环直流调速系统结构第一章数字双闭环直流调速系统总体设计2 由图 1-2 双闭环直流调速系统电路原理图可看出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR 的输出限幅电压U*im 决定了电

10、流给定电压的最大值；电流调节器 ACR 的输出限幅电压 Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm。以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种：1.数模混合控制系统2.数字电路控制系统3.计算机控制系统图1-2 双闭环直流调速系统电路原理图+-+-MTG+-+-RP2 nU*nR0 R0 Uc Ui TALId Ri Ci Ud+-R0 R0 Rn Cn ASRAC

11、RLMGTVRP1 Un U*i LMM TUPE MT GA/P/3A CT AA C RA S RA/D_A/DD/A图 1-3 数模混合控制系统第一章数字双闭环直流调速系统总体设计3 MPL GD/PA C RA S RU*n+P/D/3A CTAUiUnUcU*i_A/D主电路微机控制电路-UUUUU图 1-4 数字电路控制系统MP L GD/PA C RA S RU*n+P/D/3A CT AUiUnUcU*i_A/D-UUUUU数字控制电路主电路图 1-5 微机电路控制系统第二章数字双闭环直流调速系统硬件设计4 第二章数字双闭环直流调速系统硬件设计2.1 主电路设计中小功率的可逆直

12、流调速系统多采用桥式可逆PWM 变换器，图 4-1 为调速系统的主电路的原理图，图中的左半部分是由6 个二极管组成的整流器，采用不可控整流，把电网提供的交流电整流成直流电；中间部分是大电容滤波；右半部分是桥式 PWM 变换器。图 2-1 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图2.2 硬件电路结构图微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构如图2-2 所示，系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路和显示电路组成。三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM 变换器的到可调的直流电压，给直流电动机供电；检测回路包括电压、电流温度和转速检测，其中电压、电流和温度检测由A/D 转

13、换通道变为数字量送入微机，转速检测用数字测速。微机控制还具备故障检测功能，对电压、电流、温度等信号进行实时监测和分析比较，若发生故障立即采取措施，避免故障进一步扩大，并同时报警，以便人工处理。数字控制器是系统的核心，一般选用专为电机控制设计的单片微机，配以显示、第二章数字双闭环直流调速系统硬件设计5 键盘等外围电路，通过通信接口与上位机或其他外设交换数据。这中微机芯片本身都带有 A/D 转换器、通用 I/O 和通信接口，还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和 PWM 生成功能，可大大简化数字控制系统的硬件电路。图 2-2 微机数字控制双闭环直流PWM 调速系统硬件结构图2.3 控制电路的

14、设计2.3.1 调节器的设计图2-3 双闭环直流调速系统的动态结构U*nUc-IdLnUd0Un+-+-UiWASR(sWACR(s)KsTss+11/RTl s+1RTmsU*i Id1/Ce+E第二章数字双闭环直流调速系统硬件设计6 电流调节器的设计：根据设计要求并保证稳态电流无差，可按典型 I 型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型电流调节器，其传递函数为WACR（S）=Ki（is+1）/is Ki-电流调节器的比例系数；i-电流调节器的超前时间常数。转速调节器的设计：转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型II 系统，系统同时也能满足动态抗扰

15、性能好的要求。ASR也应该采用 PI 调节器，其传递函数为：WASR（s）=Kn（ns+1）/ns Kn-转速调节器的比例系数；n-转速调节器的超前时间常数。图 2-4 电流环结构简化图图 2-5 转速环结构简化图第二章数字双闭环直流调速系统硬件设计7 2.3.2 计算机控制单元三相过零检测电路：为了达到与电源电压同步的目的，除了可以使用锁相同步电路外，还可以实时检测电源电压的过零点和频率，根据过零点和频率就可以跟踪输入的电源电压的相位，实现同步输入。PWM 信号发生电路设计：钟电路是用来产生AT89C51单片机工作时所必须的时钟信号，AT89C51本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方

16、式的实现，AT89C51在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。图 2-6 三相过零检测电路图 2-7 PWM 信号发生电路第二章数字双闭环直流调速系统硬件设计8 A/D 转换接口电路:ADC0809 是 8 位逐次逼近性 A/D 转换器。带 8 个模拟量输入通道，有通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器。启动信号为脉冲启动形式。ADC0809内部设有时钟电路，故CLK时钟需外部输入，允许范围500KHz 1MHz,典型值为 640KHZ.每一通道的转换需6673 个脉冲，大约 100110 s。电机驱动接口电路:采用 L298N驱动器，接受

17、单片机的输入信号并放大，驱动电机运转。电源电路图：用 78 系列的芯片产生 5V电压供给单片机使用，给单片机供电。图 2-10 A/D 转换接口电路图 2-11 电机驱动接口电第二章数字双闭环直流调速系统硬件设计9 UPE及保护电路设计：对于中、小容量系统，多采用由IGBT 或 P-MOSFET 组成的 PWM 变换器。键盘电路设计：运行方式的设置主要有 P1口外接键盘来完成，判断键盘是否按下的方法：首先设置 P1口为高电平，然后从 P1.0到P1.4逐个检测引脚的电平，如果某个引脚为低电平表示该键按下，此时不需要做相应的处理实现键盘功能，如果引脚为高电平则不做处理。采用 5个独立的开关主要控

18、制电机的正反转，急停，加减速。图 2-12 电源电路图 2-13 UPE 及保护电路设计图 2-14 键盘电路图第三章数字双闭环直流调速系统软件设计10 第三章数字双闭环直流调速系统软件设计3.1 系统软件程序设计数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。单片机数字控制双闭环直流调速系统的软件有主程序、初始化子程序、中断服务子程序等。主程序流程图如图3-1 所示。在主程序中，主要完成对各个可编程芯片进行初始化和键盘参数设置的处理。键盘参数设置的处理主程序中的重要部分，这部分程序设计采用程序的模块化，有效的解决了复杂的多重分支问题。启动功能键按下时，系统开始启动采样

19、定时并进入实时控制阶段，每次中断返回时若有复位键和新的参数设置键按下则返回键处理程序。如图 2-2，系统初始化包括中断始化、各存储单元赋初值、键盘显示器的各数据程序表赋常数、各种限定值装入数据存储器、设定堆栈指针、给主程序标志寄存器送初始值、控制器设定初值等。主程序：0000 AJMP START START：CLR PSW.4 CLR PSW.3 ；选中工作寄存器0 组系统初始化设定定时器工作方式设定 I/O、键盘和显示接口的工作方式参数及变量初始化返回YES 开始系统初始化按键处理有键按下？刷新显示数据通讯NO 图 3-1 主程序流程图图 3-2 初始化子程序流程图第三章数字双闭环直流调速

20、系统软件设计11 CLR C MOV R0，4FH MOV A，30H CLEAR1：CLR A INC A DJNZ R0，CLEAR1 ；清零 30-7FH SETB TR0；定时器/计数器 0 工作 MOV TMODE，#01H ；定时器/计数器工作在方式1 SETB EA ；总中断开放 SETB IT0 ；置 INTO为降沿触发 SETB IT1 ；置 INT1 为降沿触发LJMP MAIN LJMP CTCO LCALL SAMPLE Fosc=12MHZ，用一个定时器/计数器定时 50ms，用 R2作计数器，置初值14H，到定时时间后产生中断，每执行一次中断服务程序，让计数器内容减

21、1，当计数器内容减为 0 时，则到 1s。中断服务子程序完成实时性强的功能，如故障保护、PWM 生成、状态检测和数字 PI 调节等,中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。（a）图转速调节中断服务子程序（b）图电流调节中断服务子程序（c）图故障保护中断服务子程序保 护 现 场读 入 转 速 给 定计 算 转 速转 速 调 节允 许 测 速中 断 返 回恢 复 现 场保 护 现 场读 入 电 流 反 馈电 流 调 节PW M 生 成启 动 A/D 转 换中 断 返 回恢 复 现 场封 锁 P W M输 出分 析、判 断故 障 原 因显 示 故 障原 因故 障 报 警等 待 系 统复

22、 位（a）（b）（c）图 3-3 中断子程序流程图第三章数字双闭环直流调速系统软件设计12 PI 控制子程序设计:PI 程序：SETB EX1 ；开放中断 1 MOV R0，90H ；P1口（W）送 R0,预设MOV R1，80H ；P0口（Y）送 R1，实测MOV A，R0 ；W给 A MOV B，R1 ；Y给 B SUBB A，B ；ei 给 A MOV 7FH，A ；ei 给 7FH MOV 7EH，#00H ；ei-1=0给 7EH MOV 7BH，Umax MOV 7AH,Umin AJMP IN ；积分项AJMP P ；比例项MOV A，R2 ；Pi 给 A ADD A，R3 ；P

23、i+Pp 给 A MOV 7DH，#00H ；Ui-1=0给 7DH ADD A，7DH ；Ui-1+Pi+Pp=Ui 给 A MOV 7CH,A ；Ui 给 7CH MOV 7DH，7CH ；Ui 给 Ui-1 MOV A，7BH ；Umax给 A CJNE A，#Ui，LOOP2 ；UiUmax 转移MOV A，#Ui CJNE A，7AH，LOOP3 ；UiUmin转移MOV 90H，7CH ；输出 Ui 到 P1口LOOP2：MOV A，7CH ；Ui 给 A CLR C SUBB A，#Umax RETI LOOP3：MOV A，7CH ；Ui 给 A CLR C SUBB A，#U

24、min RETI IN：MOV 6FH，#I MOV A，6FH ；I 给 A MOV B，7FH ；ei 给 B MUL AB ；Pi=I*ei给 A MOV R2，A ；Pi 给 R2 RETI P：MOV 6EH，#P CLR C MOV A，7FH ；ei 给 A SUBB A，7EH ；ei-ei-1给 A MOV 7EH，7FH ；ei 给 ei-1第三章数字双闭环直流调速系统软件设计13 MOV B，6EH MUL AB ；（ei-ei-1）*P 给 A MOV R3，A ；Pp给 R3 RETI 3.2 算法实现数字控制器采用 PI 调节算法，不仅可以对系统偏差进行比例调节，而

25、且可对偏差进行积分，因而提高了系统的控制精度和抗外界干扰能力。模拟调节的PI 算式为:式中)(tu-t时刻调节器输出信号;)(1)()(dtteTteKtuippK-比例系数;)(te-时刻偏差，为测量值和给定值之差;tT-积分时间常数;在数字式控制中，由于采用数字计算，要对给定值和反馈量进行采样，因此要对上述 PI 算式进行离散化，得到适用于数字控制的PI 算式:)(1)()(1TjeTneKnUnjip式中)(nU-第 n 次采样后算得的调节器输出;)(ne-第 n 次次采样算得的偏差;T-采样周期;n-采样序号，n=l，2，3，上述算式计算出的是第n 次采样后，控制器输出的数字量，叫做位

26、置式算式。从式中可以看出，想要计算)(nU，不仅击要本次与上次偏差信号)(ne和)1(ne，而且还要在积分项中把历次偏差信号)(je进行相加，即求取)(1jenj。这样不仅计算繁琐，而且保留)(je要占用很大的内存空间，使用非常不方便。为此，又有了在实际应用中的数字化增量式算式:)()1()()(neKneneKnUip式中)(nU-第 n 次输出的地量;)(ne-第 n 次采样后偏差值;(21)（22）（2 3）第三章数字双闭环直流调速系统软件设计14)1(ne-第 n-1 次采样后偏差值;ipiTTKK/-积分系数:在位置式算式中，由于采用全量输出，每次输出均与原来位置有关，会使输出产生较

27、大变化。在增量式中，每次只输出控制增量，对系统影响较小，且具有以下优点：由于增量输出，出现误动作时影响小，必要时可以用限幅办法去掉。手动/自动切换时冲击较小。不会产生积分失控，易于获得较好的积分效果。心得体会15 心得体会通过本次的课程设计，我对于数字双闭环直流电动机的控制系统有了进一步的了解，这是一个具有极好运行和控制性能的控制系统。这次的课程设计难度比较大，它设计到的知识面比较广，对于我们的来说，具有比较高的的挑战性。在这次的课程设计中，我通过不断地查阅不同的书籍，以得取更多的资料来完成这个课程设计。本次的课程设计主要是以8051 系列单片机为控制器芯片，对直流电机进行电流、转速双闭环调速

28、系统设计。它不仅要求我们对电机知识的掌握，还同时要求我们具有编程能力。它对于我的大学生涯是一次突破，将我们所学的理论知识应用到实践中去，提高了我的动手能力好、独立思考能力和解决问题的能力。我相信这次具有如此大意义的课程设计对我以后的学习和工作能够起到推动的作用。参考书目16 参考书目1 李广第单片机基础北京：北京航天航空大学出版社，20012 李朝春单片机原理及接口技术北京：北京航天航空大学出版社，19943 阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统（第4 版）.机械工业出版社4 王建华.计算机控制技术（第2 版）.高等教育出版社5 谢维成、杨加国.单片机原理与应用及c51 程序设计（第2 版）.清华大学出版社6 谭浩强.C 程序设计（第二版）M.北京:清华大学出版社7 程耕国，张国栋.PWM直流可逆调速微机控制系统.电气时代 J，2004.参考书目17 附录附图系统电路图