数字空控制PWM双闭环直流调速系统设计综述

1、目录1、摘要22、设计任务33、系统的总体方案34、单元电路的设计44.1电动机主电路设计 44.2ACR模拟电流调节器（PID）具体设计 44.3ASR数字调节器（PID）的具体设计 74.4单片机及其接口电路的设计94.4.1 89C52 简介94.4.2 8279键盘及其显示电路 94.4.3 89C52 单片机产生 PWM 144.4.4 AD/DA 设计154.5电源电路的设计175、系统的运行过程简介 196、设计心得207、参考文献2121摘要当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作 用。本文主要研究基于数

2、字控制的 PWM双闭环直流调速系统，它主 要由三部分组成，包括控制部分（89C52）、栓闭环、直流电动机。 长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于 大范围内平滑调速、控制性能好等特点，在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于 微机控制的闭环可逆直流 PWM调速系统进行了研究，从直流调速系 统原理出发，逐步建立了闭环直流 PWM调速系统的数学模型，用微 机硬件和软件编程实现电动机的准确控制，试图通过单片机来实现对 电动机的控制，从而实现电气自动化，本文主要以89C52单片机为基础研究，实现键盘输入、数码管显示、PWM生成等多种功能，还可

3、以实现对码盘测速、DA的处理，通过一些外电路，实现对电动机 的控制。关键词：直流调速，数字控制，PWM,双闭环，89C52单片机，8279 键盘显示、设计任务1、设计目的：实现数字控制 PWM双闭环直流调速2、 设计的主要电路：电动机运行主电路、双闭环控制器、 89C52单 片机最小系统及PWM产生电路、8279键盘及其显示电路、测速及其 报警电路、AD/DA转换电路。3、 参数计算：电路中的电阻、电容的数值，电流调节器ACR中Ki 和Ci的确定。4、设计要求：直流电动机的基本数据如下：貢淹电动机:220V, IM, IW/min. (；-O.I32V*min/r,允许过载倍数2 1.5;晶闸

4、管装賈放大系敛K产40；电枢同貉总电阻R=0.5fl;时间常数丁产0血毎7；=OJ8s；业流反说系数p=00W/A (l()V/L5/x)设讣要求：设il电流调节器，要求电流超调騎务5%二、系统设计的总体方案：以电动机运行主电路为基础，通过控制PWM的占空比实现电 动机正转、翻转、速度的控制。双闭环包括电流环和转速环，通过不 断的检测电流和转速，然后进行与给定值比较，实现对电动机的控制。 单片机作为系统的控制核心，主要是对采集AD反馈过来的信息，还 有就是码盘输入的信息以及按键的信息。然后，做出相应的应答。本 设计主要是对89C52单片机的设计，双闭环的设计，电动机主电路 的设计。三、单元电路

5、的设计：1、电动机的主电路的设计:0图一电动机运行主电路此电路为三相桥式不可控整流电路，输入为三相交流AC1 ,AC2,AC3。通过桥式整流，转化为直流电，电路中的平波电抗器和电 容主要起滤波作用以及电机在最低负载（ld=ldim ）下也能工作在连 续段机械特性上。G1、G2、G3、G4为IGBT开关器件，通过对其的 控制，实现对电动机的调速控制，而本设计中主要是用 PWM实现对 其的控制。其中，D7D10四个二极管为续流二极管，其作用为防止 负载电流突变，起到平滑电流以及续流的作用。设计中选的IGBT管的型号是SGH80N60UFD,它的参数如下：管子类型：NMO场效应管极限电压Vm 600

6、V;极限电流Im： 80 A;耗散功率P: 195 W ； 额定电压U: 220V;额定电流I : 45A2、ACR模拟电流调节器（PID）具体设计：模拟调节器的控制规律：u(t) = Kp童十*匸戲十7；卑尹u(t)为调节器输出，e(t)为调节器误差输入，KP为调节器比例增7为调节器的积分时间常数，为微分时间常数。本设计只用 PI调节器就能满足要求。A )电流环参数计算1、确定时间常数：1) 整流装置之后时间常数 Ts,通过查表可得：Ts=0.0017s2) 电删披时何帧。三相桥式电帥个触的时魄为库械平波1(12)73330154 IZhisO.OOZsd3) 电沅环小时鮒数2和抵按小时礪数

7、近恢阻取泾/; + 7 -()jm2、选择调节器的结构：IKSfttt賊3 井保蹄电阖财II躲统设卄电删节札电能环控制对觥双惯啊肌因此m用卩边电删节黑其删觌式(2F)检査对电號电压曲抗扰性能；(h0O37s=8J1*参照表I的典型垦系统妣 抗扰性融各项指林都是可以播受航3、计算电流调节器参数：电流调节器超前时间常数；r产丁产00如电流坏开坏增益：要求Jt5%时*按表,2应取心7=山5*因此 (L03x(E5 4OMhO5 4、校验近似条件:电流环截止频率:w6 = K( 135 Js(0晶闸管幣流装传递函数的近似条件f一 = p 一 二：QA | g 一 丨3 人 3x0.0017s D,s渦

8、足近似条件(2)忽略反电动势变化对电流环的动态影响的条件 TJT, = 3XV07J8SxO：O3s = 40-82s满足近似条件A(31电流环小时间常数近似处理条件180 8sI L =V /.1. 3/T* 几 3 V0,0017sX 0.002s满足近似调节5*计算调节器电馭和电容由图2-25,按所用运算放大器取心二40kfL各电阻和电容值为&韭KiR产 1JH3X40kn = 40.52knt 取40kHG二彳二衆器2山75“0忖=0.75卩人取0*75町3器訣加.2X10畑2迅取02诃按照上述参数*电流环可以达到的动态跟随性能指标为, = 43%Um时，便以限幅值Um作 为输出。不考

9、虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全等同，考虑限 幅则两者略有差异。增量式 PI调节器算法只需输出限幅，而位置式 算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。算法流程：总三戸I匸 命录匕云F耳毘吉U右擁*芦侶M基计令咨创曰寸妄寸宕寸左芳II三图三数字pi调节器程序框图4、单片机及其接口电路的设计(1) 89C52 简介：本设计使用89C52单片机作为控制芯片，其功能丰富，且使用简单，具体功能如下：兼容MCS51指令系统 8k可反复擦写(1000次)Flash ROM 32 个双向 I/O 口 256x8bit 内部 RAM 3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHZ 2个串行中断可

10、编程UART串行通道 2个外部中断源共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能(2) 8279键盘及其显示电路：图四8279键盘及其显示电路A) 8279的功能：DBODB7:双向数据总线。在CPU与8279间做数据与命令的传送。CLK : 8279的系统时钟，100KHZ为最佳选择。RESET：复位信号，输入线，当 RESET=1时，8279复位，其复位状 态为：16字符显示，编码扫描键盘一一双键锁定，程序时钟编码 1。CS:芯片选择信号，低电平有效。A0:区分信息的特征位。A0=1时，读取状态标志位或写入命令；A0=0 时，读写一般数据。:读取控

11、制线。RD=O，8279会送数据至外部总线。：写入控制线。WR=0，8279会从外部总线捕捉数据。IRQ :中断请求输出线，高电平有效。在键盘工作方式中，当FIFO传感器RAM中有数据时为“ 1”，CPU每读一次就变为0，如果RAM 中仍有数据则IRQ又变为“ 1”。在传感器工作方式中，传感器矩阵 无论哪里发生变化都会使IRQ为“1”。SL0SL3 :扫描按键开关或传感器矩阵及显示器，可以是编码模式 或解码模式。RL0RL7 :回复输入线，它们是键盘或传感器的列（或行）信号输 入线；平时保持为“T,当矩阵结点上有键（开关）闭合时变为“0”。 SHIFT :移位信号输入线，高电平有效。通常用来扩

12、充键开关的功能， 可以用作键盘上、下档功能键。在传感器方式和选通方式中，SHIFT无效。CNTL/STB :控制/选通输入线，高电平有效。通常用来扩充键开关的 控制功能，作为控制功能键用。在选通输入方式时，该信号的上升沿 可把来自RL0s RL7的数据存入FIFO/RAM中；在传感器方式下， 该信号无效。OUTA0OUTA3 :动态扫描显示的输出口（高四位）。OUTB0OUTB3 :动态扫描显示的输出口（低四位）。BD :消隐输出线，低电平有效，当显示器切换或使用显示消隐命 令时, 将显示器消隐。B）8279与89C52的连接8279与89C52的许多信号是兼容的，可直接连接，十分方便。827

13、9的8位数据线（DBODB7）直接接89C52的P0 口。RD、WR 与89C52的读写信号（RD、WR）直接连接。89C52的地址锁存信号ALE接8279的CLK，在内部分频后产生其内部时钟信号。8279的 中断请求信号（IRQ）经一个反相器反相后接89C52的；。8279的三个可寻址的寄存器只需两个地址，即：命令 /状态寄存器地址和 数据寄存器地址。8279中与地址有关的信号为 A0和CS,它们的连 接情况直接决定着寄存器的地址，一旦硬件电路确定，寄存器的地址也就确定下来了。C）74LS154:为4线16线译码器，当选通端（G1、G2）均为低电平时， 可将地址端（ABCD ）的二进制编码在

14、一个对应的输出端，以低电平 译出。如果将G1和G2中的一个作为数据输入端，由 ABCD对输 出寻址，74LS154还可作1线-16线数据分配器。引脚功能介绍：A、B、C、D译码地址输入端（低电平有效）G1、G2选通端（低电平有效）0 15输出端（低电平有效） 74LS154对应真值表:INPUTOUTPUTE0ETMA1A2A3YOY1Y2Y3Y46Y7YBY29Y10Y1112Y13Y1415HHXXXXHHHHHHHHHHHHHHHHHLXXX冥HHHHHHHHHHHHHHHHLHXXX冥HHHHHHHHHHHHHHHHLLLLLLLHHHHHHHHHHHHHHHHLLLHLHHHHHHH

15、HHHHHHHLHLLHHLHHHHHHHHHHHHHHHLLHHHLHHHHHHHHHHHHLLHLHHHHLHHHHHHHHHHHHLHLHHHHHLHHHHHHHHHHLHHLHHHHHHLHHHHHHHHHHHHLHHHHHHHLHHHHHHHHLLLHHHHHHHH7THHHHHHHHLLHHHHHHHHHHLHHHHHHLHLHHHHHHHHHHHLHHHHHHHLHHHHHHHHHHHHLHHHHLLHHHHH”HH 1r hHHHHHLHHHHLHHHHHHHHHHHHHHHLHHLHHHHHHHHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHL图五 74LS15

16、4真值表D）键盘工作原理：键盘采用的是行列式键盘，通过扫描的方式进行 判断键的按下与否，当CBA=OOO，此时，Keyl为低电平，电路中的 S1, S3，.S5S15键的右端为低电平，若 S1被按下，则RL0则有 高电平变为低电平，从而确定 S1被按下，其他键的确认也是一样。当CBA=001时，Key2为低电平，S2, S4，S6S16键的右端为低 电平，检测原理和Keyl为低电平时相同。E）数码管显示原理：本设计使用的是共阴极数码管，当电路中的csl, cs2,cs3.cs8为低电平时，数码管才开始工作，数码管的a,b,c,d,e,f,g,h 中接入相应的高电平，相应的二极管会亮，不同的组合

17、会形成不同的 显示模式。当cs1，cs2，cs3.cs8分别给其低电平，并且有短暂的延 时（肉眼不能分辨的延时），就可以形成数码管的动态显示。74LS164: 74LS164为8位移位寄存器，当清除端（CLEAR）为低电平时，输 出端（QA- QH）均为低电平。 串行数据输入端（A, B）可控制数 据。当A、B任意一个为 低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下 Q0为低电平。当A、B有一个为高 电平，则另一个就允许输入数据，并在 CLOCK上升沿作用下决定 Q0的状态。CLOCK :时钟输入端CLEAR :同步清除输入端（低电平有效）A，B ：串行数据输入端QA QH

18、: 输出端（3）89C52单片机产生PWM :图六 单片机产生PWM及光电隔离电路通过89C52单片机中的定时器，设定好时间间隔，不断的高低电平的取反形成PWM波，弓|脚P2.0为PWM波。然后，通过光电隔离器实现绝缘隔离。随后，通过 OP07放大电路进行放大，此电路放 大三倍左右就能满足电动机主电路中的IGBT的导通，从而实现对电 机的控制。PWM1可以接到图一的G1, G4, PWM2可以接到图一的 G2,G3,通过单片机对PWM的控制实现对电动机转速的控制。光电 耦合器（optical coupler，英文缩写为0C）简称光耦。光耦合器以光 为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的

19、隔离作用。其主 要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输 出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿 命长，传输效率高。使用光耦，不仅实现了电气隔离和绝缘，而且还 减小了电动机运行时对单片机的影响，有利于单片机对电动机的精确 控制。（4）AD/DA 设计：A）DA设计：单片机对采集来的信息作出应答后，需要将数字量转化 为模拟量才能被外界的电路接收，此时，就必须进行DA转换才行，下面的电路就是将单片机的数字量转换为外界的模拟量的电路！图七 DA转换电路TLV5638 : TLV5638是TI公司的12位D/A转换器，具有两个输出通道，数据传输接口为3线的串行

20、接口，该接口能够与常用的微控制器或者微处理器直接相连。每次传输数据由16位的数据组成一帧，其中 4位控制命令字，12位输出数据。本设计仅需一个通道就足够！TLV5638的引脚功能说明： DIN :串行数据输入 SCLK串行接口时钟输入 /CS :片选信号输入，低电平有效 OUTA A通道模拟电压输出 AGND模拟地 REF:模拟电压参考输入/输出 OUTB B通道模拟电压输出 VDD 供电电源（2.7V5.5V）通过单片机编程实现数字量的转换，输出 Ui*的范围为0-5V。B） AD设计：外电路的模拟量要想被计算机接收，必须转换为数字 量。这是就需要AD转换电路，下面就是将外电路中的模拟量转化

21、为 数字量的电路：图九AD转换电路5、电源电路的设计:A)正负12V电压设计电路图如下:图十交流220V转正负12V电源上述电路实现AC220V变为 正负DC12V电源的电路，首先是 降压变压器，将AC220V变为AC16V，然后，通过桥式整流，变为 直流。然后滤波，通过三端集成稳压块，降电压稳定在正负12V，供其他一些运算放大器或者芯片使用。B) +5V电源电压设计电路图：该电路的设计原理和正负 12V的设计原理基本相同，唯一不同 的就是三端稳压器LM7805。(5) M/T法测速以及报警指示：码盘接入电路以及报警指示简图：图十二 测速电路以及报警电路在闭环伺服系统中，根据脉冲计数来测量转速

22、的方法有以下三 种：（1）在规定时间内测量所产生的脉冲个数来获得被测速度，称为 M法测速；（2）测量相邻两个脉冲的时间来测量速度，称为T法测速；（3）同时测量检测时间和在此时间内脉冲发生器发出的脉冲个数 来测量速度，称为M/T法测速。以上三中测速方法中，M法适合于 测量较高的速度，能获得较高分辨率；T法适合于测量较低的速度， 这时能获得较高的分辨率；而 M/T法则无论高速低速都适合测量。 码盘是将电动机的转速直流换算成数字量输入89C52单片机中进行处理，此处使用的是 P2.3 口，来接收码盘发送过来的信号！以此来 进行判断和处理信息，并做出相应的应答！报警指示：通过霍尔传感器，进行对电流不断的的检测，然后 将转换的结果送入单片机，单片机通过计算比较，若数值在规定值内， 则电路中的一切均正常，如果数值超出规定值，即为过电流，贝S单片 机发出命令，电动机停止运行，LED发光，指示故障，让工作人员 进行维修！四、系统的运行过程简介