基于STC12C5A60S2单片机及PC机的交流电机闭环调速系统.docVIP

基于STC12C5A60S2单片机及PC机的交流电机闭环调速系统期刊缩略版李振东（东南大学成贤学院，南京 210032）摘要：为实现自动化专业单片机与电机控制综合教学的目的，采用宏晶STC12C5A60S2 1T高速单片机和PC机设计了三相异步电动机闭环变频调速系统。系统分为下位单片机和上位PC机两部分：下位机以STC12C5A60S2为核心，采用片上A/D实现转速给定和反馈；采用D/A芯片输出模拟电压控制西门子工业变频器实现调速；发挥STC12C5A60S2的高速特点，在单片机中实现了分离积分的浮点PID闭环控制算法；并用通信方式将电动机转速实时向上位PC机发送；PC机采用VisualBASIC配合MSComm控件编程，实现转速的实时采集与曲线显示。关键词：1T单片机，STC12C5A60S2，TLC5615；开环，闭环，PID，分离积分浮点PID；交流电动机，变频调速系统，西门子G110工业变频器；VisualBASIC，MSComm。AC Motor Closed-loop Speed Regulation System Based on STC12C5A60S2 MCU and PCLi Zhendong(Chengxian College of Southeast University，Nanjing，210032，China)Abstract：For the purpose of MCU and motor control comprehensive teaching for automation speciality，designed a three-phase asynchronous motor closed-loop variable frequency speed regulation system with STC12C5A60S2 1T high-speed MCU and PCThe System is divided into two parts of MCU and PC：lower computer takes STC12C5A60S2 as a core，uses on-chip A/D to realize speed set and feedback，exports analog voltage by D/A chip，controls SIEMENS industrial converter to carry out speed regulation；The high-speed characteristic of STC12C5A60S2 carries out the integration separation floating-point PID closed-loop control algorithm；the real-time motor speed is sent to upper computer PC by communication；programed PC by VisualBASIC and MSComm control to realize the speed real-time data acquisition and curve displayKeywords：1T MCU，STC12C5A60S2，TLC5615；open-loop，closed-loop，PID，integration separation floating-point PID；AC motor，variable frequency speed regulation system，SIEMENS G110 industrial frequency converter；VisualBASIC，MSComm引言工业控制中，交流异步电动机闭环变频调速系统有广泛用途，其核心的PID控制可用软件实现。且为了提高控制质量，必须采用浮点方式的PID。 51核单片机架构经典，应用广泛，是高校微机原理与应用实践的经典机型。但传统51核单片机存在机器周期的12分频问题，速度偏慢；不利于浮点方式PID的实现。宏晶近年推出的单时钟/机器周期（1T）STC12C5A系列高速单片机，大幅度提高了运算速度，为在51核单片机实现电动机转速的浮点PID闭环控制提供了可行性。1 系统结构如图1，系统由PC机、单片机系统、变频器、电机机组等四部分组成。给定单元以模拟电压送入单片机A/D作为转速给定；测速发电机输出电压送入单片机A/D作为转速反馈；控制输出通过D/A为变频器提供控制电压实现电动机调速；通过直流发电机为电动机施加机械负载；软件包括单片机和PC机两部分，重点完成分离积分的浮点PID控制算法、单片机与PC机间的通信、实时转速采集与动态曲线显示等。2 单片机系统硬件设计2.1 STC12C5A60S2图1 系统结构STC12C5A60S2高速单片机代码兼容标准51，平均速度快8-12倍，为实现电动机转速的浮点PID闭环控制提供了实时性保障。芯片除大幅度提高了运行速度，还拥有丰富的片上外设，如：8路10位高速A/D，2路全双工异步串行口，数据Flash存储器等，可满足本系统的控制功能要求。2.2 电机机组与机械加载、卸载图2电机机组系统被控对象为鼠笼式交流三相异步电动机，为便于试验，将三相异步电动机、直流发电机、测速发电机同轴安装构成图2所示的专用机组。对电动机施加、卸除机械负载是通过直流发电机电枢回路电阻RL的接入与否实现的，图1中，开关K闭合为加载状态；反之则为卸载状态；这对于测试比较系统开环、闭环的动态、静态特性是必不可少的。2.3 转速给定与反馈电路图3转速给定和反馈电路转速可通过图3电路的模拟量给定：多圈电位器分压的0-5V经运放跟随送至单片机ADC0 模拟输入口。电路主要特点是安排了转速突加阶跃给定功能：拨动开关K可实现不同转速的阶跃给定，这对于PID参数调试和闭环控制品质测试是必不可少的。2.4 控制输出与变频器接口电路图4 D/A与变频器电路图4所示，电动机调速执行器为西门子G110工业变频器，其转速控制电压由10位D/A芯片TLC5615提供，TLC5615采用5V单电源，最大满度输出电压为5V。TLC5615有一个不同于其他D/A芯片的特殊关键问题，即：最大满度输出电压为基准电压的2倍。实验发现：当6脚基准电压接5V时，数字量为511，芯片输出就达到了满度5V，仅为9位分辨率。可见，为了保证10位分辨率，6脚基准必须为2.5V，电路中由TL431实现。对应电动机运行频率0-50Hz，变频器控制电压默认为0-10V。故用LM358单电源运放对D/A输出做2倍放大。单片机P2.6通过控制变频器DIN0信号实现电动机的起、停控制。3 单片机系统软件设计软件主体为系统控制与通信，主要包括分离积分浮点PID、变频器控制、与PC机的通信等。图6、7为部分主要程序的流程图。3.1分离积分浮点PID算法及程序设计3.1.1数字PID算法图5 PID调节器PID调节器如图5所示，SV为给定，PV为反馈，MV为PID控制输出，e为偏差，本系统中，偏差e=SV-PV。系统采用数字PID离散化算法，基本原理基于如下的增量式算法表达式：图6主程序、分离积分浮点PID子程序流程图图7 通信中断服务程序、T0中断服务程序流程图3.1.2 分离积分PID算法标准PID中的积分可消除系统静差，但可能加大系统动态超调，可以考虑改进，本系统采取分离积分的改进PID算法，其思路是：设置E0作为积分分离阀值；在偏差e绝对值=E0时，分离（丢弃）PID的积分项，仅用PD控制；到e绝对值=0.18SV时，分离积分，进行PD控制；到|ek|0.3SV）时直接使输出MV最大，到转速上升到SV的70%之后方进入分离积分浮点PID控制。开环、闭环运行的切换与功能处理在主程序中实现。3.2 与PC的通信处理单片机向PC机发送6字节二进制报文，帧格式如下：开始符下位机地址状态实际转速高字节实际转速低字节异或校验码程序运用定时中断，每隔50mS启动一次报文发送，采用中断发送方式，流程图见图7。采用XMT_BUF 数组存放报文、AIW1整数存放实际速度。组装报文时，须将AIW1分解为两个字节填入报文第4、5字节，报文第6字节为前5个字节的异或校验和，供PC机判别报文传输的正确与否。4 PC机软件设计 上位PC机程序采用VisualBASIC编写，运用MSComm控件的事件驱动方式实现与下位单片机系统的串口通信。界面如图8所示。图8 上位机运行界面PC程序通过Private Sub MSComm1_OnComm()事件程序实时更新接收数组rcv（）完成报文接收；并根据数组第4、5字节计算电动机实时转速；在第1到5字节异或校验和正确的前提下，由时间控件控制，以0.1秒到1秒的可调刷新速率采用Picture控件的Line方法实现转速的实时动态曲线显示。5 系统运行试验结果5.1标准浮点PID与分离积分浮点PID闭环控制的阶跃响应标准浮点PID控制（使PID子程序中分离积分部分暂不运行）：闭环突加阶跃给定运行，观测不同PID参数Kp, Ki, Kd时的转速阶跃响应曲线，发现控制品质对参数组合很敏感：组合合适，品质可以很好；不合适，则会明显不良甚至系统振荡。虽可调试出很好的控制品质，但参数稍有变化，控制品质就有可能发生明显的不利改变，参数整定较为困难。分离积分浮点PID控制：闭环突加阶跃给定运行，发现Kp, Ki, Kd在很宽范围变化时，系统均无超调或超调极小，系统振荡和不利振荡倾向均不出现，控制品质明显优化，参数合适范围很宽，整定难度明显降低。选定参数：Kp=0.96, Ki=0.54, Kd=0.16，转速阶跃响应如图9所示，试验中，此套参数在标准PID时系统完全振荡不能使用，而在分离积分PID时却拥有很好的控制品质。 图9 分离积分浮点PID转速阶跃响应5.2 开环与分离积分浮点PID闭环的运行特性比较5.2.1动态特性比较开环：空载起动到稳态转速；突加负载，稳态转速明显跌落；再突减负载，电动机回升到原空载转速运行。曲线见图10。图10 开环运行的转速动态曲线闭环：空载起动到稳态转速；突加负载，转速瞬间跌落后立即自动回升到原稳态转速，加载后的稳态转速没有跌落；再突减负载，电动机转速瞬间上升后立即自动回降，仍回到原稳态转速运行。曲线见图11。图11 分离积分浮点PID闭环运行的转速动态曲线5.2.2静态特性比较分别记录开环、闭环动态特性试验中的稳态转速与变频器频率数据，列入下表：开环运行闭环运行稳态转速rpm变频器频率Hz稳态转速rpm变频器频率Hz机械空载113540.0113540.0机械加载96540.0113546.2从表中可以看出：闭环的转速硬度明显优于开环，机械加载后闭环稳态转速不跌落而变频器频率上升。可见，闭环稳态转速不跌落的原因是系统通过PID运算最终提高了变频器频率从而提高了电动机同步转速对转速实现了补偿。试验数据揭示了闭环系统改善转速静态特性的物理本质。6结论本系统运用STC12C5A60S2的高速特性，完整实现了交流电动机转速的分离积分浮点PID闭环控制。分离积分PID明显优化了系统控制品质，还使得PID参数的合适范围变宽、整定难度降低。运用上位PC机与下位单片机的通信，实现了转速的实时采集与动态曲线显示，为系统的调试与分析研究提供了良好软件平台。设计的模块化分离积分浮点PID程序通过了试验验证正确，具备一定的实用推广价值。参考文献1毛玉良