数字PID调节双闭环PWM调速系统设计.doc

运动控制系统期中试题08级数字PI调节双闭环PWM调速系统设计 自动化 数字PID调节双闭环PWM调速系统设计摘要：以双极式可逆PWM直流调速系统为目标，采用STC89C51控制器PID算法实现两个PI调节器，分别构成转速、电流双闭环，采用TL094（PWM）脉宽调制器产生PWM波，再经过TPS2812 MOSFET驱动器放大，最终实现调节给定改变PWM占空比进而调节电机的运行状态。关键字： 双闭环 数字PI 调节器 PWM 调速 1引言直流电动机因其可以方便地通过改变电枢电压和励磁电流实现宽范围的调速而得到广泛的应用，而PWM调速系统又因其优点，应用日益广泛。本文采用数字PID算法的双极式可逆PWM调速系统的方法及实现过程。2 方案选择与论证2.1 概述PWM直流调速系统可分为微机控制的数字系统和模拟器件电路组成的模拟系统。具体实现则又分为PID调节器和PWM脉宽调制的数字与模拟实现，而不同的方法其实现的难易程度及侧重点各不相同。2.2方案选择2.1.1脉宽调制的方法多谐振荡器或单稳态触发器组成的脉宽调制器。用比较器产生锯齿波或三角波统同可调的基准比较获得脉宽调制。开关芯片TL494基本组成原理便属于这一种。数字脉宽调制。采用微机控制系统，直接采用IO获得PWM波形，程序繁琐，通常采用带片上PWM资源的处理器，如C8051F040的PCA很容易产生PWM波形。2.1.2 PI调节器模拟PID特别容易实现，只需要用运算放大器构成比例、积分和微分电路即可，应用的意义已不太大。数字PID算法。其使用已越来越广泛，而且更容易实现微机的数字控制，因此已成为主流。2.1.3最终选择综合以上，本文选择数字PID算法实现PI调节器，用有固定频率的开关芯片的TL494，实现PWM波调制。通过模拟与数字结合，最终完成双闭环直流调速系统。图1.2 系统原理框图3参数计算3.1直接参数3.2电流环：3.2.1时间常数失控时间，即滞后时间：电流反馈滤波时间常数按小时间常数近似处理3.2.2选择电流调节器结构根据设计要求：,而且因此可按典型I型系统设计。电流调节器选用PI 型,其传递函数为：电流环开环增益:要求,按表2-2,应取, 因 此 于是ACR比例系数为：3.2.3检验近似条件：电流环截止频率 脉宽调制器传递函数的近似条件： 现在，满足近似条件。忽略反电动势变化对对电流环动态影响的条件：现在，满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件：现在，3.2.4计算调节器电阻电容，取，取，取按照上述参数,电流环可以达到的动态跟随性能指标为 图3-1 电压调节器3.3转速环：3.3.1 确定时间常数 电流环等效时间常数为：= 转速滤波时间常数 .根据所用测速发电机纹波情况,取 转速环小时间常数按小时间常数近似处理,取3.3.2 选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节，又根据动态要求，应该按典型II型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为3.3.3 选择转速调节器参数按跟随和抗扰性都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为转速环开环增益于是，ASR的比例系数为：3.3.4检验近似条件转速环截止频率为 电流环传递函数简化条件：现在，满足简化条件。转速环小时间常数近似处理条件：现在，满足近似条件。3.3.5 计算调节器电阻和电容转速调节器原理如下图所示，取，则，取，取，取3.3.5校核转速超调量当h=5时，；而，因此图3-2 电流调节器4数字PI4.1程序算法： 算法是程序的核心，因此PID算法的实现至关重要。 图4-1 PID算法框图 图4-2主程序流程框图在电流环和转速环的设计中，我选择的是PI调节器，我设计的是一个PID所有参数均可调的函数，所以使用时只要改变相应的参数即可得到所要的PI控制器，具体设置方法请参考主程序。4.1.1 PID算法#include #include#includePID.H/*功能：定义结构体变量*/struct _pid int pv; /*integer that contains the process value*/int sp; /*integer that contains the set point*/float integral;float pgain;float igain;float dgain;int deadband;int last_error;struct _pid warm,*pid;int process_point, set_point,dead_band; float p_gain, i_gain, d_gain, integral_val,new_integ;/* 函数名：pid_init 功能描述： PID初始化，通过设定*pv 、*sp赋值修改日期：20011.05.24*/void pid_init(struct _pid *warm, int process_point, int set_point) struct _pid *pid; pid = warm; pid-pv = process_point; pid-sp = set_point; /* 函数名：pid_tune 功能描述：结构体变量一致.修改日期：20011.05.24*/void pid_tune(struct _pid *pid, float p_gain, float i_gain, float d_gain, int dead_band) pid-pgain = p_gain; pid-igain = i_gain; pid-dgain = d_gain; pid-deadband = dead_band; pid-integral= integral_val; pid-last_error=0; /* 函数名：pid_setinteg功能描述：/PID结构体中的偏差成员更新修改日期：20011.05.24*/void pid_setinteg(struct _pid *pid,float new_integ) pid-integral = new_integ; pid-last_error = 0; /* 函数名：pid_bumpless 功能描述：修改日期：20011.05.24*/void pid_bumpless(struct _pid *pid) pid-last_error = (pid-sp)-(pid-pv);/* 函数名：pid_calc 功能描述：PID核心计算 修改日期：20011.05.24*/float pid_calc(struct _pid *pid)int err;float pterm, dterm, result, ferror; err = (pid-sp) - (pid-pv); if (abs(err) pid-deadband)ferror = (float) err; /*do integer to float conversion only once*/ pterm = pid-pgain * ferror; if (pterm 100 | pterm integral = 0.0;elsepid-integral += pid-igain * ferror; if (pid-integral 100.0) /抗积分饱和，防最大溢出pid-integral = 100.0;else if (pid-integral integral = 0.0; /防最小溢出dterm = (float)(err - pid-last_error) * pid-dgain;/微分值result = pterm + pid-integral + dterm;else result = pid-integral; pid-last_error = err; return (result/p_gain);4.1.1 AD0809.c文件#includeADC0809.h#includereg51.hsbit START=P34;/ATART，ALE接口。0-1-0:启动AD转换。sbit EOC=P33;/转换完毕由0变1.unsigned int uiADTransform()unsigned int uiResult;START=1; /启动AD转换。START=0;while(EOC=0); /等待转换结束。uiResult=OUTPORT; /出入转换结果。/uiResult=uiResult; /需做处理，则处理结果。return uiResult;4.1.1 主函数main.c文件#includereg51.h#includePID.H#includeADC0809.h#define DAC0832_on P2#define uchar unsigned charextern struct _pid Speed,Circuent,*pid;extern int process_point, set_point,dead_band; extern float p_gain, i_gain, d_gain, integral_val,new_integ;bit sample;/* 函数名：定时器初始化 功能描述：采样时间的初始化设置 250us采样一次修改日期：20011.05.24*/void Timer_Init(void) TCON = 0x50; TMOD = 0x22;/定时器0、1均方式2自动重载 TL0 = 0x6;/ TH0 = 0x6;/TL0 = 0x6;/ TH0 = 0x6;/IE |= 0x82;void PID_Pramt(float p,i,d)p_gain = p;i_gain = i;d_gain = 0;float Un_value=0;float Ue_value=0;void main(void) int count=0; pid = &Speed;Timer_Init();/定时器初始化dead_band = 1;integral_val =(float)(0.01);while(count=200|process_point=set_point)/pid_init(&Speed, process_point,set_point);pid_tune(&Speed, p_gain,i_gain,d_gain,dead_band);pid_setinteg(&Speed,0.0);pid_bumpless(&Speed);if(sample)sample=0;PID_Pramt(5.4,120);Un_value = pid_calc(&Speed);PID_Pramt(4.625,154.1);Ue_value = pid_calc(&Circuent); count+;process_point=Ue_value;void t0() interrupt 1 uiADTransform();sample=1;void t1() interrupt 3 DAC0832_on=(Ue_value*256);4.2硬件基础： 数字部分主要功能实现数字PID算法，故此其需要主控制器、AD采集模块、DA输出模块。这里分别用我们都很熟悉的STC89C51的最小系统、ADC0809、DAC0832.ADC0809 的INT0通道接电流环的输出，上面用到的都是我们单片机课学过和经常使用的，因此其功能不作多的介绍了。图4-2 STC89C51最小系统图4-2 AD0809采集模块 图4-2 DA0832输出模块5模拟部分 5.1 系统主电路 变压器将AC220V变到AC30V,再经整流后供系统的主电路H桥，以及基准电压的12、5V输出。图5-1 主电源图5-2 H桥及测速、电流检测模块图5-2 基准电压模块5.2 PWM调制波产生 前述确定了采用TL494开关控制芯片，需外接R、C提供振荡电路，振荡频率为TL494 的内部电路由基准电压产生电路、 振荡电路、间歇期调整电路、 两个误差放大器、 脉宽调制比较器以及输出电路等组成。13脚与14脚基准相接，构成推挽输出，可以方便构成两路互补的PWM调制波。TL49其输出频率可在1KHZ至200KHZ间虽外界电阻电容值变化，我们接10uf电阻和100K电位器方便改变开关频率做他用，其频率近似公式： 我们选择推挽输出方式，则频率再降为原来一半，,算得电阻R=55K，则可产生1K调制波。 误差放大器反相端接12V基准电源经可调电位器调节，同相端接PI调节器输出，单片机的DA输出。经单片机的PI调节后的电压调整电压输出。图5-1 PWM芯片TL4945.3 PWM波驱动TPS2812是TI公司生产的双路高速MOS管驱动，其驱动电流峰值可达2A,内部含14至40v稳压器。其接法简单，如图示。经过驱动后得到Ug1、Ug2两路互补的PWM波供H桥主电路用。图5-2 TPS28126设计总结这次设计中，我加深了对直流双闭环系统的理解，特别是对于工程设计方法的理解。对一学期所学的知识得到综合应用，这使我获益匪浅。本次期中考试不同以往的考试，更加强调实际能力的综合，用到我们大学以来学到的很多课程和实践，因此这次设计是对大学来整个知识体系的综合体现。总之，本次课程设计，我学习了闭环系统数字控制方法的实现方法，加深了对控制系统的理解，也体会到控制思想！最后感谢大学以来各位老师的辛勤付出，教会我们不仅有知识，更有一种分析解决问题的思想！参考文献：1 王兆安等.电力电子技术. 北京.机械工业出版社，2000.2 陈伯时.运动控制系统. 北京.机械工业出版社，2003.附录：1、MATLAB仿真图6-1 MATLAB 仿真2、设