数字化直流电机双闭环调速系统(硬件)

1、课程结业论文数字化直流电机双闭环调速系统课程名称：电力拖动自动控制系统任课教师：所在学院：信息技术学院专 业：电气工程及其自动化班级：学生姓名：学号：中国·大庆2012 年 6 月- 0 -数字化直流电机双闭环调速系统引言 电气传动系统采用微机进行数字化控制，是传动系统发展的主要方向。采用微机控制整个系统实现全数字化，可使控制系统结构简化，可靠性提高，操作及维修简便，电机稳态运行时的稳态精度可达到较高水平，同时，通过修改控制软件，可很方便地改变控制策略。 本设计选用INTEL公司生产的8088CPU作主控器，整个系统包括可控硅触发及转速测量等环节，实现全数字化。系统中采用了高分辨率数

2、字触发器和高精度数字测速装置，控制对象为直流电机，采用双环控制，内环为电流环，外环为转速环，内环和外环的控制器都由微机来实现，它按照PI控制规律完成数字化的控制运算。 本系统设计中主要涉及的接口电路有： 中断接口8259：可接八个中断请求信号，本设计中接键盘中断请求信号、同步中断请求信号和A/D转换结束中断请求信号，地址为08H，09H。 键盘显示器接口8279：地址为28H，29H。 定时器/计数器8253：可用于计数和定时，地址为10H13H。 并行接口8255：地址为20H23H。 ADC0809接口：地址为18H1FH。 存储器接口：6264、2764。6264是8KRAM芯片，地址为

3、00000H01FFFH。2764是8KROM芯片，地址为0E000H0FFFFH。目录引言I第一章 接口芯片简介- 1 -11 INTEL8088微处理器总线结构- 1 - 1.1.1 8088引线- 1 - 1.1.2 最小组态管脚说明- 1 -12 系统主时钟- 2 -1.3 8088存储器扩展- 2 -1.4 中断控制技术及接口- 3 -1.4.1 CPU中断系统- 3 -1.4.2 8259中断控制器- 3 -1.5 键盘及显示器接口技术- 3 -1.6 并行接口8255- 4 -1.7 可编程定时/计数器8253- 4 -1.8 ADC0809- 5 -第二章 数字化直流电机双闭环

4、调速系统- 6 -2.1 调速系统的硬件组成- 6 -2.2系统主时钟- 8 -2.3 高分辨率数字触发器- 8 -2.4 高精度数字测速器- 12 -第三章 结论- 14 -I数字化直流电机双闭环调速系统第一章 接口芯片简介11 INTEL8088微处理器总线结构1.1.1 8088引线 当把8088CPU与存储器和外设构成一个计算机系统时，根据所连存储器和外设的规模，可有两种不同的组态。本设计由于存储器容量不大，片子不多，所要连的I/O端口少，因而采用最小组态即可满足设计要求。系统的地址总线可由CPU的、通过地址锁存器74LS373构成，数据总线上的数据由供给，经74LS245驱动，系统中

5、所需的控制信号全部由8088CPU本身提供。由于采用最小组态，接电源+5V。1.1.2 最小组态管脚说明 8088处在最小组态时，引脚2431的意义如下： ：区分是存储器访问还是访问。 ：存储器写或写。 ：CPU输出的中断响应信号，向外部输出低电平有效，表示CPU响应外部发来的INTR信号。 ：地址锁存允许信号，高电平有效，在最小组态下用来作地址锁存器74LS373的输入信号。 ：数据发送接收信号，在最小组态中用来控制数据收发器74LS245的数据传送方向。当为高电平时，表示数据从CPU向外输出，即完成写操作。当为低电平时，表示数据从外部向CPU输入，即完成读操作。采用74LS245主要是增加

6、数据总线驱动能力。 ：数据允许信号，低电平有效，在最小组态中如使用数据收发器74LS245时，用此信号作为它的选通信号。 ：可屏蔽中断请求信号，由外部输入，电平触发，高电平有效。表示外部向CPU发出中断请求。 ：准备就绪信号。由外部输入，电平触发，高电平有效。表示CPU访问存储器或端口时，已准备好数据。当信号无效时，要求CPU插入一个或多个等待周期。 （输入）、（输出）：是系统中当别的总线主设备要求占用总线时，请求CPU响应信号。 ：系统状态信号线。 ：复位信号线（输入）。复位输入引起处理器内部立即结束现行操作。这个信号必须保持有效电平至少4个时钟周期，以完成内部复位过程。当其返回低电平时，重

7、新启动执行。 ：时钟输入端，与8284时钟发生器的CLK引脚相连。12 系统主时钟 在8088CPU组织的计算机系统中，专门设计了一个时钟发生器8284。它除了产生振荡，提供主时钟外，还向CPU提供准备就绪信号和系统复位信号。 8284有两种产生时钟信号的办法，用引脚加以选择，可选择外接频率源输入信号或接自身的晶体振荡器以形成脉冲。在本设计中接低电平，由和外接晶振以形成8088的时钟脉冲。晶振的频率为14.31818MHz，8284将晶振频率三分频，在CLK引脚上输出4.77MHz的8088系统时钟CLK88。CLK88的占空比为1/2，即高电平占1/3，低电平占2/3，时钟周期是210ns。

8、CLK88经两分频产生PCLK（占空比为1/2），供某些外部设备使用，使用晶振时，CSYNC必须接地。1.3 8088存储器扩展 本系统中，选用EPROM2764作为程序存储器，选用静态6264作为数据存储器。存储空间分为三个区域： 1.ROM区； 2.保留区； 3.RAM区。2764、6264的地址管脚直接与74LS373输出的相连，直接与8088CPU的地址管脚相连，形成片内寻址。、接到74LS138译码器的C、B、A上，输出与6264的相连，与2764的相连，地址如下：表1 存储器寻址范围CBAA19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A

9、1A0××××0000000000000000：××××0001111111111111××××1110000000000000：××××11111111111111111.4 中断控制技术及接口1.4.1 CPU中断系统 8088随着计算机技术的普及与发展，希望计算机能随时发现各种错误，出现意想不到的事件时，要求计算机能及时妥善的处理，一些低速的外部设备与主机交换信息时，要求能发挥主机的高速运算的性能，中断系统正是为这些目的而设置的。

10、设计中主要讨论与8088CPU配合工作的中断系统。 8088 可以处理256种不同类型的中断，每个中断都有一个类型码，分别称为类型0，类型1，类型255，以供CPU识别，然后转至相应的中断服务程序。8088中断分为外中断和内中断，外中断来自CPU外部，分为可屏蔽中断和非屏蔽中断，前者由INTR端引入，后者由NMI端引入。内中断来自CPU内部，由执行中断指令形成的。这里只讨论CPU的可屏蔽中断情况。1.4.2 8259中断控制器 8259是专门为了对8086/8088系统进行中断控制而设计的可编程中断控制芯片。直接应用于8088系列微型计算机系统中，单个8259能管理八级向量优先级中断

11、 ，还可以将多个8259级连起来，构成64级优先中断管理系统，8259向8086/8088CPU提供非常重要的服务。外部中断源通过8088CPU的INTR引脚向CPU请求中断，在正常情况下，这样的中断源在一个计算机系统中不止一个，可是8088CPU只有一个INTR输入端，8259就是用来管理不同的中断源，以提供一个总的可控制信号给CPU。 8259在中断系统中相当于一个“总管家”。外部设备的中断请求信号首先送给8259。即当在的中断申请输入端上有一个或多个输出端出现高电平时，8259在接受这些中断申请并分辨出优先级后，向CPU发出中断请求信号INTR，8259的主要任务是接受外部的中断请求，然

12、后根据优先级的高低和预先规定的排优规则（由8259初始化程序设置）决定哪个设备能够申请中断，由8259向CPU发出中断请求信号。若CPU处于中断允许情况下，即S时（可用STI指令使IF=1，用CLI指令清除中断允许标志位，使IF=0）。在收到INTR信号后，进入中断响应总线周期。在中断响应总线周期，CPU应向8259发出第一个脉冲作为应答，当CPU向8259发出第二个响应信号时，8259将一个字节的中断类型码N送上数据总线，CPU读取到N之后，完成乘4运算，即可从中断入口地址表中得到相应的中断入口地址，从而转到中断服务程序中去执行。8259管理的八级中断的中断服务程序入口地址构成的中断向量表应

13、存放在内存固定区域。 本设计中，8088CPU可屏蔽中断INTR与8259中断请求线INT相连，中断优先级的顺序是：接同步中断，接8279中断，接ADC0809的转换结束端EDC。8259的与74LS373的脚相连，接74LS138的。1.5 键盘及显示器接口技术 在工业现场中，为使工人了解系统的工作情况，常常要有人机对话功能。它包括对系统状态的干预，参数的改变，提供运行状态及运行结果。最常见的是键盘和LED显示。在本设计中人机通讯采用了8279可编程键盘/显示器接口芯片，能完成键盘输入和LED显示控制两种功能，是实现人机对话的主要部件。8279能对键盘、显示器自动扫描，能识别键盘上按键的键值

14、。有自动消抖电路，从而可代替为处理器完成键盘和显示控制，减轻了主机CPU的负担，因此，它深受用户欢迎，得到广泛应用。 本系统对键盘采用中断方式响应，键盘中断接到8259的上，8284时钟发生器产生的PCLK信号（2.385MHz）直接与8279的时钟信号CLK相连，这样可通过软件的时钟分频命令将时钟定为所需的100KHz，即分频数N=24。8279的片选信号接至74LS138译码器的上，8279的与74LS138的直接相连，当=1时为命令口，当=0时为数据口和状态口。 8279的扫描输出线用来扫描键盘和显示器。由经74LS138译码器提供键盘列扫描线，查询线由回送线提供，与键盘行线相连。本系统

15、设计16个键，当某一个键闭合时，消抖电路被置位，这时等待10ms后，再校验该键是否继续闭合，如闭合，将该键的地址加SHIFT和CTRL的状态一起被送入8279内部的88FIFO RAM中，每当FIFO RAM有数据时，8279的中断请求IRQ变为高电平，由8259CPU申请中断，CPU每次从FIFO RAM读出数据时，中断请求线就下降为低电平。 显示器件是5位LED数码管，采用动态显示方式，由8279的输出线，经驱动器与显示器的段码线相连，提供段选码，直接控制字型，位选线即为显示扫描线，由74LS138译码器提供。二者相互配合，使显示器呈现同时显示五个字符的稳定显示状态。1.6 并行接口825

16、5 INTEL 8255是INTEL公司为自己的微处理器系列生产的配套的通用可编程并行I/O接口芯片。 8255有两个8位并行端口，分别称为PA口和PB口，还有两个4位并行端口称为PC口。PC口高4位及低4位端口。8255的工作方式是通过CPU对8255进行初始化，送入命令字来实现的。它有三种工作方式：方式0（基本输入输出方式），方式1（选通输入输出方式），方式2（双向传输方式）。 8255的口地址：信号可直接连到74LS138译码器的上，选择输入端、通常接到74LS373的地址锁存器的、地址线上。8255的PA口选为方式0输出，输出可控硅触发字码；PB口为方式0输入，由PB口可得到同步电路中

17、提供的电源状态。由此分析判断当前应该触发的相应主电路可控硅组号；PC口为方式0，其上半部定为输入方式，下半部定为输出方式。其中输出启动测速和停止测速的信号，端输出ADC0809的启动信号，输入8253触发移相角定时时间到信号，此信号与8253的相连，与ADC0809的OE相连。1.7 可编程定时/计数器8253 8253是作为INTEL公司的微机外围器件而设计的一种可编程定时器/计数器。它内含三个彼此独立的16位计数器，每个计数器的计数频率可达2MHz。所有的工作方式都是可编程的，其功能由多个通用的定时器元件实现的。这些定时元件可被系统软件看作为一系列的I/O口，其中三个口是计数器，第四个口是

18、针对工作方式编程用的控制器寄存器。 选择输入端、通常接到CPU的、地址线上，信号可直接接到74LS138译码器的输出。8253的全部功能是通过软件编程设定的。CPU必须送出一组控制字符，将8253的每个计数器都预置成要求的方式和数值。预置之前任何计数器的工作方式、计数初值和输出都是不确定的。这些控制字规定工作方式、装入顺序，并选择用二进制或BCD码计数。 在本设计中，8253用于数字测速及数字触发移相，其中计数器2用于实现角移相定时，当角移相定时时间存入8253定时器后，定时器开始工作，当定时时间到，其输出上升沿直接开始触发闸门74LS175，使原已等待在D端的触发字码传送到Q端，经光电隔离、

19、脉冲功放后触发对应的可控硅。 计数器1和计数器0分别对光电脉冲发生器输出的脉冲数和高频脉冲的个数进行计数。1.8 ADC0809 ADC0809用于将电枢电流转换成数字量，为了检测电流，本系统选用了交流互感器作检测元件，这是由于交流互感器能够准确反映主电路的电流，又能使控制电路与主电路隔开，减少了干扰。由交流互感器检测到的三相交流电经三相桥式整流、电容滤波、电阻分压可得到05V的直流电压信号，采样电路如图1所示：图1 采样电路 由于只采样电流，仅用通道，因此将A、B、C三管脚接地。启动信号SATRT和ALE由输出脉冲信号启动，转换结束信号EDC直接与8259的相连，转换结束时，EDC输出高电平

20、信号，向8259申请中断，CPU响应中断后，在中断服务程序中读取转换数据（即采样的电流值）。第二章 数字化直流电机双闭环调速系统2.1 调速系统的硬件组成 该系统的主电路是三相全控桥，直流电机为1.5KW，8.7A，1500r/min。可控硅触发脉冲的产生和移相由微机控制并直接输出，经功放电路后送至可控硅的门极，这就构成了高分辨率的数字触发器。转速检测采用数字测速器，它将与电机联轴的光电脉冲发生器输出的脉冲数，送入微机计算后得到转速值。 A/D转换器芯片0809用于将电枢电流的整流值转换为数字量，定时器芯片8253用于数字测速和数字触发移相，I/O接口芯片8255用于输出可控硅触发信号和保证系

21、统与电源的同步。 本设计的系统原理图如图2所示：图2 数字化直流电机双闭环调速系统原理图根据双闭环调速系统原理框图，可将系统分解为四个部分，如下图所示：一、计算机控制单元；二、检测单元和接口电路；三、主电路单元和触发电路。图3 双闭环调速系统原理分解框图 其中计算机单元包含如下主要芯片：8088、8259、8253、8255、8279、6264和2764；检测单元和接口电路包括ADC0809、电流采样电路、测速单元电路和同步电源信号检测电路；主电路由晶闸管组成三相全控桥整流电路，SCR门级驱动控制电路；电机及负载单元由直流电机、平波电抗器和负载组成。下面就每一单元具体功能实现介绍。 计算机的核

22、心控制芯片是8088，中断接口芯片8259（分配地址08H，09H），键盘显示器接口8279（分配地址28H，29H），并行接口8255（分配地址20H23H），计数器8253（分配地址10H13H），控制器的PID算法实现子程序、各个芯片的初始化程序以及主程序写入存储器芯片ROM2764（分配地址00000H01FFFH），另外还有RAM6264（分配地址0E000H，0FFFFH）。主要控制芯片的功能参照计算机控制课程设计指导书。计算机单元硬件原理图如图4所示，8088主要执行程序、计算功能，8259用于处理中断事件；8255用于读入电源状态和输出控制信号（晶闸管的门极控制信号）；8253

23、的计数器0和1用于记录电机的转速，计数器2用于晶闸管的触发移相功能；AD0809用于对电机电枢电流的采样数模转化；2764用于存储初始化程序、主程序和数据存储器；6264用于做随机数据存储器；8284用于提供内部标准时钟，其它设备的时钟都是基于该标准时钟。 图4计算机控制单元硬件原理图2.2系统主时钟 在8088CPU组织的计算机系统中，专门设计了一个时钟发生器8284。它除了产生振荡，提供主时钟外，还向CPU提供准备就绪信号和系统复位信号。 在本设计中接低电平，由和外接晶振以形成8088的时钟脉冲。晶振的频率为14.31818MHz，8284将晶振频率三分频，在CLK引脚上输出4.77MHz

24、的8088系统时钟CLK88。CLK88的占空比为1/2，即高电平占1/3，低电平占2/3，时钟周期是210ns。 CLK88经两分频产生PCLK（占空比为1/2），供8279使用。 PCLK再两分频1.19MHz，供8253使用。2.3 高分辨率数字触发器 要提高控制系统的控制精度，必须相应地提高数字触发器的精度。采用16位定时器对可控硅进行准确地触发，触发器采用硬件立即触发方式。 1.同步电路 主变压器与同步变压器均接成Y/Y-12接法，同步电压经二级RC滤波以滤除电源中的干扰，并实现的相移。同步电路一方面将每两个相邻的自然换相点之间的电源状态用数字量、来表示，供微机分配触发脉冲时参考，另

25、一方面在边沿与自然换相点对齐的方波的边沿处产生同步中断脉冲，于是在电源的每个自然换相点向8259提出中断申请，使微机的触发操作与电源同步。CPU响应中断后，根据所求得的角及电源状态定时定相输出触发脉冲。同步电路原理图如图3。图5 同步电路图 2.移相角的定时 为简化结构，本系统仅扩展了一片8253定时器，它有三个16位定时器，数字触发器只用其中之一实现角的移相定时，同时配合可控硅触发字码表，完成对主控电路的三相全控桥6组可控硅的控制。 移相控制时，将的角移相范围划分为三段：；，并将转换为（）。并设段标志H（其中H=0，1，2）。于是，无论处于哪一段，8253对的移相定时都只需要对定时即可，定时

26、起点为各自然换相点，再根据H段标志去触发对应的可控硅即得要求的移相角。这样，8253最长延时为3.33ms（），各相触发脉冲的延时在时间上不重迭。当选取8253的时钟频率为1.19MHz（由PCLK经二分频）时，触发器的分辨率便高达： 而定时器预置时间常数TD与的关系为： TD= （其中）可控硅触发字码表如表2所示，其中约定：“1”为触发对应的可控硅，“0”为不触发。触发信号由扩展的8255PA口输出。与该表对应的主电路三相全控桥电路如下图。表2 可控硅触发字码表电源状态PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0触发字码应触发的可控硅S1 S2 S3K6 K5 K4 K3 K2 K10 1

27、 11 1 0 0 0 030HK5 K60 0 11 0 0 0 0 121HK6 K11 1 10 0 0 0 1 103HK1 K21 0 01 1 0 1 1 006HK2 K31 1 00 0 1 1 0 00CHK3 K40 1 00 1 1 0 0 018HK4 K50 1 11 1 0 0 0 030HK5 K60 0 11 1 0 0 0 021HK6 K1图6 三相全控桥电路图 单定时器对三相全控桥触发的原理如下：当某一自然换相点到来时，比如图7中的d点，此时=110，若，则=，H=0，应触通的可控硅为和，对应表2中的=110行；但若，则=-，H=1，应触通的可控硅为和，对

28、应表2中的=110行的上面一行；又若，则=-，H=2，应触通的可控硅为和，对应表2中的=110行的上面二行。 从上面的分析可得出这样的规律：当自然换相点到来时，微机读取电源状态。将表2中对应那一行作为基本行M，然后根据给定的求得其所在的段号H，于是实际应输出的触发字码所在的行应为基本行M上移H行，定时器延时为=-H。图7 电源状态及触发波形图3.触发脉冲的输出 本触发器采用了两片74LS175四D触发器作触发信号闸门，实现硬件立即触发，触发脉冲宽度由74LS123单稳态电路控制，移相定时器8253工作方式0，当其延时结束时，其输出上升沿直接开启触发闸门175，使原已等待在D端的触发字码传送到Q

29、端，经光电隔离、脉冲功放后触发对应的可控硅。当触发闸门复位时，其Q端为“1”，6块触发功放板上的光耦TIL113截止，导通，于是脉冲功放管3DK9均处于截止状态，无触发脉冲输出。当移相延时结束需输出触发脉冲，开放，其中必有两位为“0”，于是对应的光耦导通，截止，脉冲功放管3DK9导通，触发脉冲经脉冲变压器输出到相应的可控硅。图8 脉冲功放电路图2.4 高精度数字测速器 测速装置属于电机调速系统中的速度闭环。转速检测的精度和快速性对整个控制系统的静、动态指标影响极大。该装置使用每转1024线的脉冲发生器作为转速传感器，它产生的脉冲列频率与电机转速有固定的比例关系。微机对该频率按M/T法进行处理后，便可在较宽的速度范围内获得高精度和快速响应的数字测速值。 1.M/T法测速原理 该法是在对光电脉冲发生器输出的脉冲数进行计数的同时，对高频脉冲的也进行计数。反映转角（），反映测速时间，通过计算可得转速值n。其原理如图9所示：图9 M/T测速法原理示意图 其中，测速时间由脉冲发生器的脉冲来同步，即等于个脉冲周期。设从图上a点开始，计数器