计算机控制技术课程设计--数字双闭环直流调速系统设计

1、成绩:guangdong university of petrochemical technology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:学 号：指导教师：张友斌起止日期：2011年12月19日20h年12月25日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，口不受器件温度漂移影响。而口其稳定性好, 可靠性高，提高了控制性能。在软件方面，

2、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现。关键字：数字双闭环单片机调速abstractdigital 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 contr

3、ol system design of pwm. 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

4、, the article introduced the pi computing procedures, such as initialization procedures for the preparation of ideas and specific procedures to achievekey words: digital double closed-loop single chip adjust speed摘要iabstractii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

5、电路结构图42.3控制电路的设计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 坏调速系统设计。八、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：upe及保护电路、功率驱

6、动放大电路，电机接口电路。b、软件系统设计。主要包扌舌：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、编写控制程序和功率驱动子程序模

7、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目前，需要高性能可控调速系统的领域多数都釆用直流调速系统。转速、电 流双闭环

8、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，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实

9、行嵌套 （或称串级）联接如下图11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。40 > ta图1-1转速、电流双闭环直流调速系统结构+由图12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t/*im决定了电流给定电压的最 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（7dm o以微处理器为核心的数字控制系统硕件电路的标准化程度高，制作成本低， 且

10、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ac图1-3数模混合控制系统acg l pp/d图1-4数字电路控制系统ac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2.1主电路设计屮小功率的可逆直流调速系统多采用桥式可逆pwm变换器，图41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

11、间部分是大电容滤波；右半部分 是桥式pwm变换器。2.2硬件电路结构图微机数字控制双闭环直流调速系统硕件结构如图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 控制述具备故障检测功能，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

12、选用专为电机控制设计的单片微机，配以显示、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控制电路的设计2.3.1调节器的设计图23双闭环直流调速系统的动态结构电流调节器的设计：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 二ki ( t is +1) / t iski电流调节器的

13、比例系数； t i电流调节器的超前时间常数。图2-4电流环结构简化图转速调节器的设计：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( t ns +1 )/ t nskn转速调节器的比例系数；tn转速调节器的超前时间常数。cc&畑+1)刃(s)r，(£s + l)图2-5转速环结构简化图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

14、踪输入的电源电压的 相位，实现同步输入。图2-6三相过零检测电路pwm信号发生电路设计:钟电路是用来产牛at89c51单片机工作时所必须的时钟信号，at89c51木身 就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，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。pwmv2a>b"u1vcc8051xtal2pl.7pl.6pl.5pl.4pl.3pl.2pl. 1p1.05vb3 b2 b1 b0 a<b a=b a>bb3b2blboa2 a1 a0a=ba<ba>ha3 a2 a!ao8

15、q8978q5949q2图27 pwm信号发牛:电路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，输岀带三态数据锁存器。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500khz1mhz,典型值 为640kh乙每一通道的转换需6673个脉冲，大约100110 us。图210 a/d转换接口电路电机驱动接口电路：采用l298n驱动器，接受单片机的输入信号并放大，驱动电机运转。mom01$011kfaavc cvsjisicxi.ti、1x2cx1.724/、yis-cm.t.101.74尸

16、71v4dd二图211电机驱动接口电电源电路图： 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2-12电源电路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制电机的正反转，急停，加减速。第三章数字双闭环直流调速系统软件设计数字控制系统的控制规律是靠软件

17、來实现的，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31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垂要部分，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。图3-1主程序流程图图3-2初始化子程序流程图如图22,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

18、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：startpsw. 4psw. 3;选中工作寄存器0组0000 ajmpstart： clrclrclr cmov ro , 4fhmov a , 30hclear1： clr ainc adjnz ro , clear 1setb tr0mov tmode , #01hsetb easetb itosetb 1t1；清零 30-7fh;定时器/计数器0工作;定时器/计数器工作在方式1；总中断开放;置into为降沿触发;置1nt1为降沿触发ljmpmainljmpctcolcall samplef0sc=12mhz,用

19、一个定时器/计数器定时50ms,用r?作计数器,置初值1411,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1,当计数器内容减为0时，则到is。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)图转速调节屮断服务子程序(b)图电流调节屮断服务子程序(c)图故障保护中断服务子程序(a)(b)(c)图33中断子程序流程图pi控制子程序设计:pi程序：setbeximovro, 90hmovrl, 8011mova, romovb, r1subba, bmov7fh, amov7eii,

20、#0011mov7bh, umaxmov7ah, uminajmpinajmppmova, r2adda, r3mov7dh, #00hadda, 7dhmov7ch, amov7dii, 7chmova, 7bhcjnea, #ui,loop2mova, #uicjnea, 7ah,loop3mov9011, 7ci1l00p2：mova,7chclrcsubba,:bumaxret il00p3：mova,7chclrcsubba,#uminreti;开放中断1；pl 口(w)送 ro,预设；p0 口 (y)送 rl,实测;*给人;y给b;ei 给 a；ei 给 7fh；ei二0 给 7e

21、h;积分项；比例项;pi 给 a；pi+pp 给 a；ui=0 给 7dh；u-i+pi+pp二ui 给 a；ui 给 7ch;ui 给 ；umax 给 a；uiumax 转移；ui<umin 转移；输出ui到pl 口;ui 给 atn： mov6fh, #tmova, 6fh;i给amovb, 7fh;ei 给 bmulab；pi二i*ei 给 amovr2, a；pi 给 r2rettp： mov6eh, #pclrcmova, 7fh；e i 给 asubba, 7eh;ei-ei_i给 amov7eii, 7fh；ei 给 ei-imovmulmovb, 6ehabr3, a；(

22、ei-ei-1) *p 给 a；pp 给 r3rett3. 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u(t)1吋刻调节器输出信号；u(/) = k 卫+ + n(/)d/(21)kp 比例系数；a ( /) 时刻偏差，为测量值和给定值之差；7；-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p1算式进行离散化，得到适用于数字控制的p1算式：1 “= kpe(n)-eu)t(22)h j=i式中u(«) 第n次采样后算得

23、的调节器输出；e(n)第n次次釆样算得的偏差；t采样周期；n采样序号，n二1, 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，叫做位置式算式。 从式中可以看出，想要计算u(n),不仅击要本次与上次偏差信号劲)和劲-1), 而且还要在积分项中把历次偏差信号巩力进行相加，即求取ie(j).这样不仅计 >1算繁琐，而且保留织刀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：us) = kple(n)kte(n)(2_3)式中at/(/?)第n次输出的地量；e(n)第n次采样后偏差值；心-1)第n-1次米样后偏差值；ki = kp *777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