直流電機速控制系統(tǒng)設(shè)計

1、- - - .總結(jié)資料遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué)計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計課程設(shè)計論文論文題目：題目：直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計院院系系： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院專業(yè)班級：專業(yè)班級：自動化自動化074074 學(xué)學(xué) 號：號：070302098070302098學(xué)生：學(xué)生： 王宇王宇 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師：簽字起止時間：起止時間：2010-12-152010-12-15到到2010-12-242010-12-24課程設(shè)計課程設(shè)計論文論文任務(wù)及評語任務(wù)及評語院系：電氣工程學(xué)院 教研室：自動化 -. z學(xué) 號070302098學(xué)生王宇專業(yè)班級自動化074課程設(shè)計題目直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

2、設(shè)計課程設(shè)計論文任務(wù)課題完成的功能、設(shè)計任務(wù)及要求、技術(shù)參數(shù)課題完成的功能、設(shè)計任務(wù)及要求、技術(shù)參數(shù)實現(xiàn)功能直流電動機作為執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中，本設(shè)計要求采用單片機作為控制芯片，控制算法采用常規(guī)的 PID 控制，加上相應(yīng)的輸入輸出通道，構(gòu)成一個單閉環(huán)控制系統(tǒng)，使電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，并實時顯示轉(zhuǎn)速值。設(shè)計任務(wù)及要求1、確定系統(tǒng)設(shè)計方案，包括單片機的選擇，輸入輸出通道，鍵盤顯示電路；2、建立被控對象的數(shù)學(xué)模型；3、推導(dǎo) PID 控制算式，設(shè)計 PID 算法的程序流程圖或程序清單；4、仿真研究，驗證設(shè)計結(jié)果。5、撰寫、打印設(shè)計說明書一份；設(shè)計說明書應(yīng)在 4000 字以上。技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)電機

3、參數(shù)：他勵直流電動機，額定電壓 36V，額定功率 2.2KW，額定轉(zhuǎn)速2000 轉(zhuǎn)/分。設(shè)計指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)運行時最大超調(diào)量小于 20%進度方案布置任務(wù)，查閱資料，確定系統(tǒng)方案1 天被控對象建模1 天算法推導(dǎo)，程序設(shè)計3 天仿真研究2 天撰寫、打印設(shè)計說明書2 天辯論1 天指導(dǎo)教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 辯論：總成績：指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日-. z摘 要在運動控制系統(tǒng)中，電機轉(zhuǎn)速控制占有至關(guān)重要的作用，其控制算法和手段有很多，模擬PID控制是最早開展起來的控制策略之一，長期以來形成了典型的構(gòu)造，并且參數(shù)整定方便，能夠滿足一般控制的要求，但由于在模擬PID 控制系統(tǒng)中，參數(shù)一旦整定好后，在整

4、個控制過程中都是固定不變的，而在實際中，由于現(xiàn)場的系統(tǒng)參數(shù)、溫度等條件發(fā)生變化，使系統(tǒng)很難到達最正確的控制效果，因此采用模擬PID控制器難以獲得滿意的控制效果。隨著計算機技術(shù)與智能控制理論的開展，數(shù)字PID技術(shù)漸漸開展起來，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬PID所完成的控制任務(wù)，而且具備控制算法靈活、可靠性高等優(yōu)點，應(yīng)用面越來越廣。本文章介紹了由 51 單片機以及直流電機、矩陣鍵盤、LCD 和傳感器構(gòu)成的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中傳感器負責(zé)對電機轉(zhuǎn)速進展測量，并將測量的結(jié)果反應(yīng)給控制中心，并由控制中心將之與設(shè)定值進展比較得到偏差，再由偏差產(chǎn)生直接控制作用去消除偏差。文章不但介紹了基于單片機的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的軟件設(shè)

5、計，還涉及了硬件設(shè)計方法。文中介紹系統(tǒng)不但可以實現(xiàn)手動控制，還有無人值守，自動調(diào)速功能。關(guān)鍵詞：直流電機閉環(huán)控制單片機 矩陣鍵盤 LCD目 錄第 1 章 緒論 1第 2 章 課程設(shè)計的方案 22.1 概述 22.2 系統(tǒng)組成總體構(gòu)造 2第 3 章 硬件設(shè)計 33.1 控制器 33.2 測速發(fā)電機 33.3 A/D 轉(zhuǎn)換和 D/A 轉(zhuǎn)換器 33.4 晶閘管整流控壓 43.5 鍵盤模塊 53.6 顯示器 63.7 整體構(gòu)造原理圖 7-. z第 4 章 軟件設(shè)計 84.1 主流程設(shè)計 84.2 按鍵功能局部 94.3 PID 控制局部 94.4 參數(shù)確認 104.5 LCD 顯示局部 11第 5 章

6、 實驗試驗結(jié)果 12第 6 章 課程設(shè)計總結(jié) 13參考文獻 14局部程序 15-. z第 1 章 緒論直流電氣傳動系統(tǒng)中需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下幾種:第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行，設(shè)備制造方便，價格低廉。但缺點是效率低、不能在較寬圍平滑調(diào)速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機電動機(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等。特別是當(dāng)電動機減速時，可以通

7、過發(fā)電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量反應(yīng)給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積設(shè)備較多、體積大、費用高、效率低、安裝需要地基、運行有噪聲、維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機電動機系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機電動機系統(tǒng)不能比較的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點:維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。第四，1957 年，世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比

8、，晶閘管具有許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強大的生命力。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在 10000 以上，比機組(放大倍數(shù) 10)高 1000 倍，比汞弧變流器(1000)高 10 倍;在快速響應(yīng)性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。因此，目前在直流調(diào)速系統(tǒng)中，除*些特大容量的設(shè)備而且供電電路容量較小的情況下，仍有采用機組供電、晶閘管勵磁系統(tǒng)以外，幾乎絕大局部都已改用晶閘管相控整流供電了。隨著微電子技術(shù)的開展

9、，微機功能的不斷提高以及電力電子、計算機控制技術(shù)的開展，電氣傳動領(lǐng)域出現(xiàn)了以微機為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。計算機的開展可以使復(fù)雜的控制規(guī)律較方便的實現(xiàn)，以計算機為核心的數(shù)字控制技術(shù)成為自控領(lǐng)域的主流，也給直流電氣傳動的開展注入了新的活力，使電氣傳動進入了更新的開展階段。-. z第 2 章 課程設(shè)計的方案2.1 概述本次設(shè)計主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識，設(shè)計直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計，并在實踐的根本技能方面進展一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。能夠較全面地穩(wěn)固和應(yīng)用“微型計算機控制技術(shù)課程中所學(xué)的根本理論和根本方法，并初步掌握小型控制系統(tǒng)設(shè)計的根本方法。2.2 系統(tǒng)組成總體構(gòu)造圖 2.2 是基于單片機的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的根本組成

10、方框。主要由測速發(fā)電機，電機，矩陣鍵盤，LCD12864 ，單片機89C51組成。測速發(fā)電機輸出電壓的大小反映機械轉(zhuǎn)速的上下，并將該模擬量入如 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號給單片機。單片機 89C51 是該系統(tǒng)的核心局部，一方面負責(zé)計算電機的轉(zhuǎn)速，另一方面將計算得到的轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速相比較，經(jīng)過計算處理，得到相應(yīng)的控制信號，并用該信號傳入 D/A 轉(zhuǎn)換器，再傳入晶閘管調(diào)壓器控制控制電壓從而控制電機轉(zhuǎn)速。通過鍵盤可以設(shè)定工作模式通過輸入設(shè)定轉(zhuǎn)速，單片機自動控制電機轉(zhuǎn)速，使其接近設(shè)定值設(shè)定轉(zhuǎn)速。由單片機檢測哪一個按鍵按下，實現(xiàn)設(shè)定值的修改，并通過 LCD 實時顯示設(shè)定值以及測得轉(zhuǎn)速。電機測速發(fā)電機

11、單片機D/A 轉(zhuǎn)換器LCDA/D轉(zhuǎn)換器鍵盤晶閘管圖 2.2 系統(tǒng)框圖-. z第 3 章 硬件設(shè)計3.1 控制器采用AT89 C51作為系統(tǒng)控制的方案。AT89C51單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。相對于FPGA來說，它的芯片引腳少，在硬件很容易實現(xiàn)。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和本錢低等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。3.2 測速發(fā)電機采用 ZYS 型直流測速發(fā)電機，直流測速發(fā)電機在構(gòu)造上與普通小微型直流發(fā)電機一樣，通常是兩極電機，分為他勵式和永磁式兩種。他勵式測速發(fā)電機的磁極由鐵心和勵磁繞組構(gòu)成，在勵磁繞組入直流電流便可以建立極性恒定的磁

12、場。它的勵磁繞組電阻會因電機工作溫度的變化而變化，使勵磁電流及其生成的磁通隨之變化，產(chǎn)生線性誤差。永磁式測速發(fā)電機的磁極由永久磁鐵構(gòu)成，不需勵磁電源。磁極的熱穩(wěn)定性較好，磁通隨電機工作溫度的變化而變化的程度很小，但易受機械振動的影響而引發(fā)不同程度的退磁。3.3 A/D 轉(zhuǎn)換和 D/A 轉(zhuǎn)換器該模塊 A/D 轉(zhuǎn)換選用 ADC0809 是 M 美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 CMOS 工藝 8 通道，8 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器。其部有一個 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8 路模擬輸入信號中的一個進展 A/D 轉(zhuǎn)換。是目前國應(yīng)用最廣泛的 8 位通用 A/D 芯片。DAC

13、0832 是 8 分辨率的 D/A 轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個 DA 芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A 轉(zhuǎn)換器由 8 位輸入鎖存器、8 位 DAC 存放器、8 位 D/A 轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。3.4 晶閘管整流控壓本設(shè)計采用三相全控橋式整流電路，由一組共陰極接法的三相半波可控整流電路和一組共陽極接法的三相半波可控整流電路串聯(lián)而成。如圖 3.4 所示。-. z如圖 3.4 三相橋式全控整流電路三相全控橋式整流電路要求用雙窄脈沖觸發(fā)，即用兩個間隔 60的窄脈沖去觸發(fā)晶閘管。產(chǎn)生雙脈沖的方法有兩種， 一種是每個觸發(fā)電路在每個

14、周期只產(chǎn)生一個脈沖， 脈沖輸出電路同時觸發(fā)兩個橋臂的晶閘管，這叫外雙脈沖觸發(fā)； 另一種是每個觸發(fā)電路在一個周期連續(xù)發(fā)出兩個相隔 60的窄脈沖， 脈沖輸出電路只觸發(fā)一個晶閘管，這稱為雙脈沖觸發(fā)。 雙脈沖觸發(fā)是目前應(yīng)用最多的一種觸發(fā)方式。本設(shè)計采用 KC04 與 KC41C 組合的觸發(fā)電路如圖所示觸發(fā)電路。 KC04 與 KC41C 組成的全控橋觸發(fā)電路3.5 鍵盤模塊本次設(shè)計中采用的 4*4 的非編碼鍵盤。矩陣式非編碼鍵盤的電路原理圖如圖3.4 所示。當(dāng)沒有鍵按下時，行線和列線之間是不相連。假設(shè)第 N 行第 M 列的鍵被按下，則第 N 行與第 M 列的線就被接通。如果在行線上加上信號，根據(jù)列線的

15、狀態(tài)，便可得知是否有鍵按下。如果在行線上逐行加上一個掃描信號本實驗中用的低電平 ，就可以判斷按鍵的位置。常用的按鍵識別有兩種方法：一種是傳統(tǒng)的行掃描法；另一種是速度較快的線反轉(zhuǎn)法。本實驗中采用的是線反轉(zhuǎn)法進展識鍵。鍵盤在單片機系統(tǒng)中是一個很重要的部件。為了輸入數(shù)據(jù)、查詢和控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，都要用到鍵盤，鍵盤是人工干預(yù)計算機的主要手段。鍵盤可分為編碼和非編碼鍵盤兩種。編碼鍵盤采用硬件線線路來實現(xiàn)鍵盤編碼，每按下一個鍵，鍵盤能自動生成按鍵代碼，鍵數(shù)較多，而且還具有去抖動功能。這種鍵盤使用方便，但硬件較復(fù)雜，PC 機所用的鍵盤就屬于這種。非編碼鍵盤僅提供按鍵開關(guān)工作狀態(tài)，其他工作由軟件完成，這種鍵

16、盤鍵數(shù)較少，硬件簡單，一般在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用。3.6 顯示器液晶顯示模塊LCD12864由于其具有功耗低、無電磁輻射、壽命長、價格低、接口方便等一系列顯著優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用與各種儀表儀器、測量顯示裝置、計算機顯示終端等方面。12864 漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，置 8192個中文漢字16*16 點陣 、128 個字符8*16 點陣及 64*256 點陣顯示RAMGDRAM 。主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性:電源：VDD 3.3V+5V(置升壓電路，無需負壓)；顯示容：128 列 64 行-. z顯示顏色：黃綠顯示角度：6：00 鐘直視LCD 類型：STN與 MCU 接口：8 位

17、或 4 位并行/3 位串行配置 LED 背光多種軟件功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等3.7 整體構(gòu)造原理圖整體原理圖如圖 3.7 所示：3.7 整體原理圖第 4 章 軟件設(shè)計4.1 主流程設(shè)計在一個完整的系統(tǒng)中，只有硬件局部是不能完成相應(yīng)設(shè)計任務(wù)的，所以在該系統(tǒng)中軟件局部是非常重要的，按照要求和系統(tǒng)運行過程設(shè)計出主程序流程如圖4.1所示。-. z開場定時器初始化鍵盤選擇工作模式是否啟動電機顯示信息刷新顯示進展鍵盤掃描按鍵功能判斷更新控制并去除標(biāo)志位是圖 4.1主流程圖4.2 按鍵功能局部該局部首要任務(wù)是判定到底是哪個按鍵按下，然后實現(xiàn)對應(yīng)功能。如果是 11 號鍵按下，則工作模式

18、設(shè)定為自動模式，可以通過 09 的數(shù)字鍵來更改設(shè)定速度，由單片機通過 PID 算法來控制電機轉(zhuǎn)速接近設(shè)定值。如果是 12 號鍵按下，則工作模式設(shè)定為手動模式，可以通過 09 的數(shù)字鍵來直接控制電機轉(zhuǎn)速。4.3 PID 控制局部如圖 4.3 給出了數(shù)字 PID 增量控制算法的流程圖，利用增量控制算法也可得出位置控制算法，即，這便是位)2() 1()()() 1()(210keqkeqkeqkukuku置型控制算式的遞推算法，其流程和增量型算法類似，稍加修改即可。是-. z離線計算q0，q1，q2求 ek=rk-yke(k-2)=e(k-1) e(k-1)=e(k)將輸給 D/A)(ku將 A/D

19、 結(jié)果賦給 yk計算控制增量 )(ku)(ku)(ku)(ku)(ku)(ku)(ku)(ku采樣時刻到否A/DD/A被控對象是否圖 4.3 PID 控制算法流程圖4.4 參數(shù)確認TI =0.1 T2=0.06 得通常取，)(3 . 0)(010YtYst18. 01通常取，)(7 . 0)(020YtYst45. 02=)(1ln)(1ln2010120tytyttT8473. 012tt 根據(jù)上式確認，。0T=0.58s0T= 0.159s求得數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器控制參數(shù)據(jù)上式確認數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器控制參數(shù)。4.5 LCD 顯示局部其工作流程為先向 LCD 發(fā)送控制命令，再傳送待顯數(shù)據(jù)，

20、最后刷新屏幕。其流程圖如圖 4.5 所示。-. z入口發(fā)送命令延時發(fā)送數(shù)據(jù)延時顯示返回圖 4.5 LCD 顯示函數(shù)流程圖-. z第 5 章 實驗試驗結(jié)果通過實驗室試驗，輸入已經(jīng)確定的 Kp=1.4，T1=0.096，Td=0.15 得到如圖 5.1 所示。圖 5.1 實驗圖像超調(diào)量=297/2000=14% 小于 20%符合設(shè)計要求。第 6 章 課程設(shè)計總結(jié)這次課程設(shè)計完畢，感工業(yè)大學(xué)給我這個鍛煉的時機，感王教師給的指導(dǎo)。剛開場做設(shè)計的時候覺得無從下手，后來通過教師的指導(dǎo)慢慢的進入了狀態(tài)，看書查找資料，在實驗室做實驗，過程中出現(xiàn)了很多的問題，經(jīng)過教師和同學(xué)的幫助終于克制了。-. z參考文獻1新

21、民.智能儀器設(shè)計根底.:工業(yè)大學(xué),2021：42-562 程德福.智能儀器.：機械工業(yè),2021.9:101-1303 毅剛.單片機原理及接口技術(shù)M .：工業(yè)大學(xué),2007：55-664 胡文金.單片機應(yīng)用技術(shù)實訓(xùn)教程.：大學(xué),2005:5-215 梁森.自動檢測技術(shù)及應(yīng)用. :機械工業(yè),2021:32-33局部程序PID 算法程序*include *include *include /void PIDInit(PID *PP);/*定義構(gòu)造體和公用體*/*define N 8typedef struct PIDunsigned int setpoint; /*設(shè)定值*/unsigned in

22、t proportion; /*比例系數(shù)*/unsigned int integral; /*積分系數(shù)*/unsigned int derivative; /*微分系數(shù) */unsigned int lasterror; /*前一拍誤差*/unsigned int preerror; /*前兩拍誤差*/ PID; union stuunsigned int value;unsigned char num2; laser;union dat unsigned char dd2; unsigned int number; collect;-. z/*函數(shù)聲明局部*/unsigned int PID

23、cal(PID *pp,int thiserror); void PIDInit(PID *PP); void PortInit(void); unsigned int get_ad(void); unsigned int filter_valve(void); void Delayms(void); /*主函數(shù)局部*/ void main(void) PID vPID; /*定義構(gòu)造體變量名*/unsigned int verror;unsigned int Error;unsigned int tempi;unsigned char LASERH,LASERL; /*誤差的上下字節(jié)變量*/

24、 WDT=0*de; WDT=0*ad;/portinit();PIDInit(&vPID);vPID.proportion=10; /*設(shè)置 PID 比例系數(shù)為 10*/ vPID.integral=10; /*設(shè)定 PID 積分系數(shù) 為 10*/vPID.derivative=10; /*設(shè)定 PID 微分系數(shù)為 10*/vPID.setpoint=50; /*根據(jù)實際情況設(shè)定*/IE= 0*80;while(1)verror=filter_valve(); /*得到 AD 的濾波輸出值 */Error=vPID.setpoint-verror; /*得到誤差值*/tempi=PIDcal

25、(&vPID,Error); /*調(diào)用 PID 算法函數(shù) 得到誤差增量*/laser.value+=tempi; LASERH=laser.num0; /*value 與 num2為共同體，變量名為 laser*/LASERL=laser.num1; /*存放上下字節(jié)*/ /*PID 算法函數(shù)，返回誤差增量*/-. zunsigned int PIDcal(PID *pp,int thisError)unsigned int pError,dError,iError;unsigned int templ; pError=thisError-pp-lasterror; iError=thisEr

26、ror; dError=thisError-2*(pp-lasterror)+pp-preerror; templ=pp-proportion*pError+pp-integral*iError+pp-derivative*dError; /*增量計算*/ pp-preerror=pp-lasterror; /*存放誤差用于下次運算*/ pp-lasterror=thisError; return (int)(templ8); /*測量值*/*float measure(void) A B 角為銳角 /* COSA=1/7 SIN(A+B)=14 分之 5 倍根號 3 */*long floa

27、t value; /*求 COSB*/*float A,B;A=acos(1/7);B=asin(5/14)*sqrt(3)-A;if(0Api/2)&(0Bpi/2) return cos(B); */ /*得到 ADC 轉(zhuǎn)換值*/ unsigned int get_ad(void) while(AD0INT=0); AD0INT=0; collect.dd1=ADC0H; collect.dd0=ADC0L; return (collect.number); void Timer3_ISR(void) interrupt 14TMR3=0*7f;-. z/AMU*0SL=0*00;AD0BUSY=1;void Timer3_Init(unsigned char Highcounts,uns