运动控制课程设计

精选优质文档-----倾情为你奉上精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业专心---专注---专业精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业 运动控制系统课程设计题目：基于89C51单片机直流单闭环调速系统专业班级：姓名：学号：指导教师：评阅意见：评阅意见：指导老师签名：日期：2014年月日目录1、前言1.1、直流调速系统发展概述现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备。在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管向电动机供电的KZ-D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F-D系统。伴随着电子技术的发展，直流电机调速逐步由模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性成为它的发展趋势。直流电机调速基本原理相对于交流电机比较简单，改变电机电压即可改变转速。改变电压的方法很多，最常见的一种是PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，从而控制转速。PWM控制的基本原理很早就已提出，但受电力电子器件发展的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。1.2、选题介绍 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成。控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。1.3、研究分析本文主要研究利用89C51单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是目前研究的热点。当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。本设计利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。系统中采用专门的芯片组成PWM信号的发生系统，通过放大驱动电机。利用直流测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，将电压信号输入A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。2、总体设计分析单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。本系统以89C51单片机为核心，通过单片机控制，C语言编程实现对直流电机的平滑调速。系统控制方案的分析：本直流电机调速系统利用单片机系统，根据PWM调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。本文研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两部分组成。硬件部分是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。软件部分，对硬件端口的信号加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器对电机速度的有效控制。3、硬件电路设计3.1、硬件系统框图本系统采用89C51控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PWM信号，送到直流电机。直流电机通过测速电路、滤波电路和A/D转换电路将数据重新送回单片机进行PI运算，实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的，如图3.1所示。图3.1系统框图3.2、PWM信号发生电路设计3.2.1、PWM工作基本原理PWM即脉冲宽度调制是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的”占空比”达到改变平均电压大小的目的，从而控制电动机的转速。PWM也因此被称为“开关驱动装置”。如图3.2.1所示：图3.2PWM方波设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D。其中Va为电机平均速度；Vmax为电机在全通电时的最大速度；D=t/T为占空比。由上式可知，当改变占空比D=t/T时，就可得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速目的。平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但在一般的应用中，我们可将其近似看成是线性关系。3.2.2、PWM信号发生电路PWM波由具有PWM输出的单片机通过编程来产生，也可采用PWM专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率要求比较高，当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大。在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路，如图3.2.2所示。图3.3PWM信号发生电路两片数值比较器4585，即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2—Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2—Q9加1，当计数值小于或者等于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端为高电平。随着计数值的增加，Q2—Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（A>B）输出端又变为低电平，这样就在U2的（A>B）端得到了PWM的信号，它的占空比为（255-X/255）*100%，那么只要改变X的数值，就可以相应的改变PWM信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”，使用数值比较器4585的B组与P1端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。3.3、功率放大驱动电路功率放大驱动芯片有多种，其中较常用的芯片有IR2110和EXB841，但由于IR2110具有双通道驱动特性，且电路简单，使用方便，价格相对EXB841便宜，具有较高的性价比，且对于直流电机调速使用起来更加简便，因此该驱动电路采用了IR2110集成芯片，使得该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。IR2110将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出。驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，是目前功率放大驱动电路中使用最多的驱动芯片。其结构比较简单，芯片引脚图如图3.3.1所示：图3.4IR2110引脚图3.4、延时保护电路IR2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互锁时间间隔，防止被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。3.5、主电路从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。因此在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的。我们可以采取双PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。将IC1的HIN端与IC2的LIN端相连，而把IC1的LIN端与IC2的HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反，如图3.5所示。在HIN为高电平期间，Q1、Q4导通，在直流电机上加正向的工作电压。其具体的操作步骤如下：当IC1的LO为低电平而HO为高电平的时候，Q2截止，C1上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q1的栅极上，从而使得Q1导通。同理，此时IC2的HO为低电平而LO为高电平，Q3截止，C3上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q4的栅极上，从而使得Q4导通。电源经Q1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过Q4到达零电位，完成整个的回路。此时直流电机正转。在HIN为低电平期间，LIN端输入高电平，Q2、Q3导通，在直流电机上加反向工作电压。其具体的操作步骤如下：当IC1的LO为高电平而HO为低电平的时候，Q2导通且Q1截止。此时Q2的漏极近乎于零电平，Vcc通过D1向C1充电，为Q1的又一次导通作准备。同理可知，IC2的HO为高电平而LO为低电平，Q3导通且Q4截止，Q3的漏极近乎于零电平，此时Vcc通过D2向C3充电，为Q4的又一次导通作准备。电源经Q3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过Q2到达零电位，完成整个的回路。此时，直流电机反转。因此电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形，由于存在着机械惯性的缘故，电动机转向和转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的。设PWM波的周期为T，HIN为高电平的时间为t1，这里忽略死区时间，那么LIN为高电平的时间就为T-t1。HIN信号的占空比为D=t1/T。设电源电压为V，那么电枢电压的平均值为：Vout=[t1-(T-t1)]V/T=(2t1–T)V/T=(2D–1)V定义负载电压系数为λ，λ=Vout/V，那么λ=2D–1；当T为常数时，改变HIN为高电平的时间t1，也就改变了占空比D，从而达到了改变Vout的目的。D在0—1之间变化，因此λ在±1之间变化。如果我们联系改变λ，那么便可以实现电机正向的无级调速。当λ=0.5时，Vout=0，此时电机的转速为0；当0.5<λ<1时，Vout为正，电机正转；当λ=1时，Vout=V，电机正转全速运行。图3.5系统主电路3.6、输出电压波形PWM信号发生电路送来的PWM信号送给主电路，经过功率放大，形成的输出电压波形如图3.6所示：图3.6输出电压波形3.7、测速发电机测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它将输入的机械转速转换为电压信号输出，并使输出的电压与转速成正比，分为直流和交流两种。其绕组和磁路经过精确设计，输出电动势E和转速n成线性关系，即E=kn，其中k是常数。改变旋转方向时，输出电动势的极性相应改变。当被测机构与测速发电机同轴连接时，只需测出输出电动势，即可获得被测机构的转速，所以测速发电机又称速度传感器。测速发电机广泛应用于各种速度或位置控制系统，在自动控制系统中作为测速元件，调节电动机转速或通过反馈提高系统稳定性和精度。3.8、滤波电路经整流后的单向直流或单向脉动直流电，都是由强度不变的直流成分和一个以上的交流成分叠加形成的。为使脉动直流电较为平稳，把其中的交流成分滤掉，称作滤波。滤波有电容滤波、电感滤波等。本系统中对直流电采用电容滤波的方式，使得直流电压更加平稳，调速更加精确。电路图如图3.8所示。图3.7滤波电路3.9、A/D转换电路3.9.1芯片选型能够进行A/D转换的芯片很多，其中AD系列的有8位A/D转换器ADC0809、AD570、AD670、AD673、AD7574等，TLC系列的有TLC545等，其中较为常用的是ADC0809和TLC545，TLC545是美国TEXAS仪器公司新推出的一种开关电容结构逐次逼近式8位A/D转换器，具有19个模拟输入端。而ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一的+5V电源，其模拟量输入电压的范围为0V---+5V，其对应的数字量输出为00H---FFH，转换时间为100μs，无须调零或者调整满量程。因此本系统采用ADC0809作为A/D转换芯片。3.9.2ADC0809的引脚及其功能ADC0809有28个引脚，其中IN0---IN7接8路模拟量输入。ALE是地址锁存允许，、接基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电电源就可以作为基准电源。START是芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿起动一次新的A/D转换。EOC是转换结束信号，可以用于向单片机申请中断或者供单片机查询。OE是输出允许端。CLK是时钟端。DB0---DB7是数字量的输出。ADDA、ADDB、ADDC接地址线用以选定8路输入中的一路，引脚如图3.8所示。图3.8ADC0809引脚图3.10、PI转速调节器原理图及参数计算图3.9PI转速调节器电动机参数计算：PN=3KW,nN=1500rpm,UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25。主回路总电阻R=2.5，电磁时间常数Tl=0.017s,机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数=0.07。调速指标：D=30，S=10%。计算满足系统调速范围与静差率要求的闭环系统的开环放大系数K额定磁通下电机电动势转速比CeC满足系统调速范围与静差率要求的闭环系统的稳态速降∆开环系统稳态速降∆闭环系统的开环放大系数KK=计算比例调节器的放大系数由K=kpk变压器的副边电压的确定：因为UN=220V，整定的范围在30°～150°之间，所以三相全控整流公式：UD=2.34U2cosα,当α在30°时最大值，算出U2=108.5V，所以可以选择U2=120V。晶闸管参数的计算：由于电动机电流的大小为17.5A，即最大电流为：Imax=17.5A.又由整流输出的电压Ud=UN=220V，进线的线电压是120V。由电路分析可知，晶闸管承受的最大反向电压是变压器的二次线电压的电压峰值。即有晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即考虑安全性裕量，选择电压裕量为2倍的关系，电流裕量选为1.5倍的关系，所以工作的晶闸管的额定电压容量的参数可选择为：电枢回路的平波电抗器的计算：电动机在运行时保证电流连续，取此时的电流为额定电流的5%～10%。则电枢需要串入的电枢电抗大小可以算为：（其中La为电枢的固有电抗值）要把转速环校正成典型Ⅱ型系统，转速调节器ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为式中：Kn——转速调节器的比例系数；tn——转速调节器的超前时间常数；调速系统的开环传递函数为令τn=hT∑n，h=5，τn=hT∑n=5×0.515=2.573s则转速调节器的传递函数为其动态结构框图可表示为：4、系统软件设计4.1、程序设计软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序组成4.2、主程序设计主程序是一个循环程序，主要思路是：先设定速度初始值，与测速电路送来的值相比得一个误差值，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。其程序流程图如图4.2所示。软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序组成。主程序是一个循环程序，其主要思路是由单片机P1口产生数据送到PWM信号发生电路，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比进而控制电机的转速。图4.2主程序流程图结论本文设计的直流电机闭环调速系统是以低价位的单片微机8051为核心的，通过单片机实现电机调速有多种途径，相对于其它用硬件或硬件与软件相结合的方法，采用PWM控制方法实现的调速过程具有较大的灵活性和较低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。在软件方面，采用PID算法来确定闭环控制的补偿量是由数字电路组成的直流电机闭环调速系统所不能及的。参考文献[1]韩志容．华东地质学院学报．第25卷第1期，2002年[2]阎石．数字电路技术基础（第五版）．北京：高等教育出版社，2006[3]阮毅，陈伯时

．电力拖动运动控制系统．北京：机械工业出版社．2010[4]张迎新．单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）[M]．北京：国防工业出版社，2004附录1、总电路图2、程序2.1、延时程序voiddealy(){uchari;for(i=0;i<100;i++);}voidt0(void)interrupt1using0//定时T0中断服务函数{ tcnt++; //每过250usttcnt加一 if(tcnt==40)//计满40次（1/100秒）时 { tcnt=0;//重新再计 sec++; if(sec==10)//定时0.1秒，在从零开始计时 { sec=0; TH0=0x06;//对TH0TL0赋值