畢業(yè)設(shè)計-數(shù)字空控制PWM雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計說明

1、數(shù)控PWM雙閉環(huán)DC調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計目錄摘要如今，自動控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而DC調(diào)速作為電氣傳動的主流，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中發(fā)揮著重大作用。本文主要研究基于數(shù)字控制的PWM雙閉環(huán)DC調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由控制部分(89C52)、螺栓閉環(huán)和DC電機三部分組成。長期以來，DC電機以其調(diào)速靈活、方法簡單、調(diào)速容易平滑、控制性能好而在傳動領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著微機技術(shù)的飛速發(fā)展，它在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文研究了基于微機控制的閉環(huán)可逆DC PWM調(diào)速系統(tǒng)。從DC調(diào)速系統(tǒng)的原理出發(fā)，逐步建立閉環(huán)DC PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。編制微機硬件和軟件，實現(xiàn)對電機的精確控制，用單片機控制電

2、機，實現(xiàn)電氣自動化。基于89C52單片機，主要實現(xiàn)鍵盤輸入、數(shù)碼管顯示、PWM產(chǎn)生等功能，還可以實現(xiàn)碼盤的測速和DA處理。關(guān)鍵詞:DC調(diào)速，數(shù)字控制，脈寬調(diào)制，雙閉環(huán)，89C52單片機，8279鍵盤顯示設(shè)計任務(wù)設(shè)計:實現(xiàn)數(shù)控PWM雙閉環(huán)DC調(diào)速。主要電路設(shè)計如下:電機運行主電路、雙閉環(huán)控制器、89C52單片機最小系統(tǒng)及PWM產(chǎn)生電路、8279鍵盤及其顯示電路、測速及報警電路、AD/DA轉(zhuǎn)換電路。參數(shù)計算:電路中電阻和電容的值，電流調(diào)節(jié)器ACR中Ki和Ci的確定。設(shè)計要求:DC汽車公司的基本數(shù)據(jù)如下:系統(tǒng)設(shè)計總體方案:在電機運行主電路的基礎(chǔ)上，通過控制PWM的占空比來實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和速度控

3、制。雙閉環(huán)包括電流環(huán)和速度環(huán)。通過不斷檢測電流和速度，然后與給定值比較，就可以控制電機。作為單片機系統(tǒng)的控制核心，它主要采集AD反饋的信息，以及碼盤輸入的信息和按鍵的信息。然后，做出相應(yīng)的回應(yīng)。本設(shè)計主要是關(guān)于89C52單片機、雙閉環(huán)和電機主電路的設(shè)計。三、單元電路的設(shè)計:電機主電路的設(shè)計；圖1電機運行的主電路該電路為三相橋式不可控整流電路，其輸入為三相交流AC1、AC2和AC3。通過橋式整流，轉(zhuǎn)換成直流電。電路中的平波電抗器和電容主要起濾波作用，使其在最低負載(Id=Idim)下與電機在連續(xù)段的機械特性上共同工作。G1，G2，G3，G4是IGBT開關(guān)設(shè)備。通過控制它們，實現(xiàn)了電機的速度控制。

4、在本設(shè)計中，PWM主要用于控制它們。其中，四個二極管D7D10為續(xù)流二極管，用于防止負載電流突變，平滑電流和續(xù)流。設(shè)計選用的IGBT管型號為SGH80N60UFD，其參數(shù)如下:電子管類型:NMOS場效應(yīng)管極限電壓VM:600v；極限電流im:80 a；耗散功率P:195 W；額定電壓u:220v；額定電流I: 45aACR模擬電流調(diào)節(jié)器(PID)的具體設(shè)計；模擬調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律；U(t)是調(diào)節(jié)器輸出，e(t)是調(diào)節(jié)器誤差輸入，KP是調(diào)節(jié)器比例增量。是調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。這種設(shè)計僅用PI調(diào)節(jié)器就能滿足要求。a)電流回路參數(shù)計算確定時間常數(shù):1)整流裝置后的時間常數(shù)Ts可查表得到:

5、Ts = 0.0017s；選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu):計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù):：檢查近似條件:滿足大概調(diào)整。滿足設(shè)計要求。b)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計電路圖如下:圖2電流環(huán)路調(diào)節(jié)器3.ASR數(shù)字調(diào)節(jié)器(PID)的具體設(shè)計:PI調(diào)節(jié)器是電氣傳動自動控制系統(tǒng)中最常用的控制器。在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時，可以按照模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器，然后離散化，得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。PI調(diào)節(jié)器時域表達式:其中Kp= Kpi是比例系數(shù)，KI =是積分系數(shù)。該方程被離散成差分方程，第k拍的輸出為:(*)其中，Tsam是采樣周期數(shù)字PI調(diào)節(jié)器有兩種算法:位置算法和增量算法:公式的位置算法也就是公

6、式(*)表示的差分方程。該算法的特點是比例部分只與當(dāng)前偏差有關(guān)，而積分部分是系統(tǒng)所有過去偏差的累加。位置PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)清晰，P和I的作用明確，參數(shù)調(diào)整簡單明了，但需要存儲更多的數(shù)據(jù)。增量PI調(diào)節(jié)器算法；PI調(diào)節(jié)器的輸出可通過以下公式獲得:把最后一拍的輸出值保存在電腦里就行了。類似于模擬調(diào)節(jié)器，在數(shù)字控制算法中，需要限制u的幅值，這里只需要在程序中設(shè)置幅值限制值Um，當(dāng)u(k) Um時，幅值限制值Um作為輸出。當(dāng)不考慮限制時，位置算法和增量算法是相同的，但當(dāng)考慮限制時，它們略有不同。增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需要輸出限幅，而位置算法必須同時設(shè)置積分限幅和輸出限幅，缺一不可。算法流程:圖3數(shù)字PI調(diào)節(jié)

7、器程序框圖4.單片機及其接口電路的設(shè)計。(1)1)89c 52的介紹:本設(shè)計采用89C52單片機作為控制芯片，功能豐富，使用簡單。具體功能如下:兼容MCS51指令系統(tǒng)，8k可重復(fù)擦除( 1000次)ROM，32個雙向I/O端口，256 x8位部分RAM、三個16位可編程定時器/計數(shù)器中斷、時鐘頻率0-24 MHz，2個串行中斷，可編程UART串行通道兩個外部中斷源，總共六個中斷源。兩條讀寫中斷線路，三級加密位低功耗空閑和省電模式。軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。(2)8279鍵盤及其顯示電路:圖4.8279鍵盤及其顯示電路A)8279的功能:DB0DB7:雙向數(shù)據(jù)總線。在CPU和8279之間傳輸數(shù)據(jù)和

8、命令。CLK:8279系統(tǒng)時鐘，100KHz是最好的選擇。復(fù)位:復(fù)位信號，輸入線，當(dāng)RESET=1時，8279復(fù)位，其復(fù)位狀態(tài)為:16位字符顯示，掃碼鍵盤-雙按鍵鎖定，程序時鐘碼1。CS:片選信號，低電平有效。A0:區(qū)分信息的特征位。當(dāng)A0=1時，讀取狀態(tài)標(biāo)志位或?qū)懨?；?dāng)A0=0時，讀寫通用數(shù)據(jù)。:讀取控制線。RD = 0，8279將向外部總線發(fā)送數(shù)據(jù)。:寫控制線。WR = 0，8279將從外部總線捕獲數(shù)據(jù)。IRQ:中斷請求輸出線，高電平有效。在鍵盤操作模式下，當(dāng)FIFO傳感器的RAM中有數(shù)據(jù)時，為“1”，CPU每次讀取都變?yōu)?，如果RAM中仍有數(shù)據(jù)，IRQ再次變?yōu)椤?”。在傳感器的工作模式

9、下，無論傳感器矩陣在哪里變化，IRQ都會為“1”。SL0SL3:掃描按鍵開關(guān)或傳感器矩陣和顯示器，可處于編碼模式或解碼模式。RL0RL7:回復(fù)輸入線，為鍵盤或傳感器的列(或行)信號輸入線；平時保持為“1”，當(dāng)矩陣節(jié)點上的一個按鍵(開關(guān))閉合時，變?yōu)椤?”。移位:移位信號輸入線，高電平有效。通常用來擴展按鍵開關(guān)的功能，可以作為鍵盤的上下功能鍵。在傳感器模式和門控模式下，移位無效。CNTL/STB:控制/選通輸入線，高電平有效。通常用于擴展按鍵開關(guān)的控制功能，作為控制功能鍵使用。輸入模式選通時，該信號的上升沿可以將RL0RL7的數(shù)據(jù)存入FIFO/RAM；在傳感器模式下，該信號無效。OUTA0OUT

10、A3:動態(tài)掃描顯示的輸出端口(高四位)。OUTB0OUTB3:動態(tài)掃描顯示的輸出端口(低四位)。BD:消隱輸出線，低電平有效。當(dāng)切換顯示或使用顯示消隱命令時，顯示被消隱。B)B)8279和89C52之間的連接879和89C52的很多信號都是兼容的，可以直接連接，非常方便。879的8位數(shù)據(jù)線(DB0DB7)直接連接到89C52的端口P0。RD和WR直接與89C52的讀寫信號(RD和wr)相連。89C52的數(shù)據(jù)鎖存信號ALE接8279的CLK，其部分時鐘信號是經(jīng)過部分分頻后產(chǎn)生的。879的中斷請求信號(IRQ)由一個反相器反相，然后由89C52反相。879的三個可尋址寄存器只需要兩個地址，即命令/

11、狀態(tài)寄存器地址和數(shù)據(jù)寄存器地址。879中與地址相關(guān)的信號是A0和CS，它們的連接直接決定了寄存器的地址。硬件電路確定后，寄存器的地址就確定了。C)74LS154:它是一個4線-16線解碼器。當(dāng)選通端(G1，G2)都處于低電平時，地址端(ABCD)的二進制碼可以在相應(yīng)的輸出端被編碼并在低電平被轉(zhuǎn)換。如果G1和G2之一用作數(shù)據(jù)輸入，輸出通過ABCD尋址，74LS154也可以用作1線至16線數(shù)據(jù)分配器。引腳功能介紹:a、B、C、D解碼地址輸入(低電平有效)G1和G2門(低電平有效)0-15輸出(低電平有效)74LS154對應(yīng)真值表:圖5 74LS154真值表d)鍵盤工作原理:鍵盤采用行列式鍵盤，通過

12、掃描判斷按鍵是否按下。當(dāng)CBA=000時，此時Key1處于低電平，S1、S3、S5的右端.電路中的S15鍵處于低電平。如果S1被按下，RL0處于高電平，變?yōu)榈碗娖剑瑥亩_認S1被按下，其他按鍵的確認也是如此。當(dāng)CBA=001時，Key2處于低電平，key S2的右端，S4，S6.S16處于低水平。檢測原理與Key1相同。e)數(shù)碼管顯示原理:本設(shè)計采用普通陰極數(shù)碼管。當(dāng)cs1、cs2、cs3.電路中的cs8處于低電平時，數(shù)碼管將開始工作。當(dāng)數(shù)碼管的A、B、C、D、E、F、G、H接相應(yīng)的高電平時，相應(yīng)的二極管就會點亮，不同的組合會形成不同的顯示模式。當(dāng)cs1、cs2、cs3.cs8分別給定低電平，

13、有一個很短的時間延遲(肉眼無法分辨的時間延遲)，可以形成數(shù)碼管的動態(tài)顯示。74LS164:74LS164是一個8位移位寄存器。當(dāng)清零端(CLEAR)為低電平時，輸出端(QA-QH)都為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入(A，B)可以控制數(shù)據(jù)。當(dāng)A或B是 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/%20%20%20%20838dz%20%20%20%20/ t _blank low level，禁止新的數(shù)據(jù)輸入，在時鐘脈沖上升沿的作用下，Q0處于低電平。當(dāng)A和B中的一個為高電平時，允許另一個輸入數(shù)據(jù)，CLOCK的上升沿決定Q0的狀態(tài)。時鐘:時鐘輸入清除:同步清除輸入(低電平有效)a、b:串行數(shù)據(jù)輸入

14、Qa-qh:輸出端子89C52單片機產(chǎn)生PWM圖6單片機產(chǎn)生的PWM和光電隔離電路通過89C52微控制器中的定時器，設(shè)置時間間隔，不斷反轉(zhuǎn)高低電平形成PWM波，P2.0腳為PWM波。然后，通過光電隔離器實現(xiàn)隔離。然后通過OP07放大電路放大，可以滿足電機主電路中IGBT導(dǎo)通三倍左右，從而控制電機。PWM1可接圖1中的G1、G4，PWM2可接圖1中的G2、G3，通過單片機對PWM的控制來控制電機轉(zhuǎn)速。光耦合器(OC)簡稱光耦合器。光耦合器使用光作為傳輸電信號的介質(zhì)。對輸入輸出電信號有很好的隔離作用。其主要優(yōu)點是信號傳輸單向，輸入輸出完全電隔離，輸出信號對輸入無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點

15、，使用壽命長，傳輸效率高。光耦的使用不僅實現(xiàn)了電氣隔離和絕緣，而且減少了電機運行對單片機的影響，有利于單片機對電機的精確控制。AD/DA設(shè)計:A)DA設(shè)計:單片機對采集到的信息做出響應(yīng)后，需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，才能被外部電路接收。這時候就需要進行DA轉(zhuǎn)換了。下面這個電路就是把單片機的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成外部模擬量的電路！圖7 DA轉(zhuǎn)換電路TLV 5638: TLV 5638是TI公司的12位D/A轉(zhuǎn)換器。它有兩個輸出通道，數(shù)據(jù)傳輸接口為三線式串行接口，可直接與常見的微控制器或微處理器相連。每次傳輸由幀中的16位數(shù)據(jù)組成，包括4位控制命令字和12位輸出數(shù)據(jù)。這個設(shè)計只需要一個通道！TLV5638引腳

16、功能描述: DIN:串行數(shù)據(jù)輸入 SCLK:串行接口時鐘輸入 /CS:片選信號輸入，低電平有效。 outa:通道a的模擬電壓輸出 AGND:模擬地面 REF:模擬基準電壓輸入/輸出 outb:通道b的模擬電壓輸出 VDD:電源(2.7V5.5V)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換由單片機編程實現(xiàn)，輸出Ui*的周長為0-5V。B)AD設(shè)計:外部電路的模擬量要被計算機接收，必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。這需要一個AD轉(zhuǎn)換電路。下面是將外部電路中的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電路:圖9 AD轉(zhuǎn)換電路5.電源電路設(shè)計:a)正負12V電壓的設(shè)計電路圖如下:圖10交流220V至正負12V電源以上電路實現(xiàn)了AC220V變成正負DC12V電源的電路。

17、首先降壓變壓器把AC220V變成AC16V，然后通過橋式整流，變成DC。然后經(jīng)過濾波后，通過三端集成穩(wěn)壓塊，將壓降穩(wěn)定在正負12V，可供其他運算放大器或芯片使用。B) +5V電源電壓設(shè)計電路圖:圖11交流220V至+5V電源該電路的設(shè)計原理與正負12V基本相同，唯一不同的是三端穩(wěn)壓器LM7805。M/T速度測量和報警指示:代碼撥號接入電路和報警指示圖:圖12速度測量電路和報警電路在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖數(shù)測量轉(zhuǎn)速的方法有三種:(1)測量在指定時間產(chǎn)生的脈沖數(shù)，得到被測轉(zhuǎn)速，稱為M法測速；(2)測量兩個相鄰脈沖的時間來測量速度稱為T法測速；(3)同時測量探測時間和脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖數(shù)來測量速

18、度的方法稱為M/T法。上述三種測速方法中，M法適合測量更高的速度，可以獲得更高的分辨率；t法適用于低速測量，可獲得高分辨率。M/T法則適用于測量，無論高速還是低速。碼盤將電機DC的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入89C52單片機進行處理。P2.3端口在這里是用來接收碼盤發(fā)出的信號的！以便對信息進行判斷和處理，并做出相應(yīng)的反應(yīng)！報警指示:通過霍爾傳感器連續(xù)檢測電流，然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)送給單片機。通過計算和比較，如果數(shù)值在規(guī)定值內(nèi)，則電路一切正常。如果該值超過規(guī)定值，則為過電流。然后單片機一聲令下，電機停止運轉(zhuǎn)，LED亮起表示故障，讓工作人員進行維修！系統(tǒng)運行過程介紹:首先，給系統(tǒng)加電，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。通過按鍵設(shè)置轉(zhuǎn)速，單片機接收信息，輸出相應(yīng)占空比的PWM波，控制電機在合適的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。同時8位數(shù)碼管開始顯示，其中4位可以顯示給定轉(zhuǎn)速，另外4