计算机控制技术课程设计

目录1 引言12 课程设计任务和要求23 直流伺服电机控制系统概述23.1 直流伺服系统的构成23.1.1 伺服系统的定义23.1.2 伺服系统的组成23.1.3 伺服系统的控制器的分类33.1.4 直流伺服系统的工作过程44 直流伺服电机控制系统的设计54.1方案设计步骤54.2 总体方案的设计54.3控制系统的建模和数字控制器设计74.4数字PID工作原理84.5数字PID算法的simulink仿真85 硬件的设计和实现95.1 选择计算机机型（采用51内核的单片机）95.1.1 80C51电源105.1.2 80C51时钟105.1.3 80C51 控制线105.1.4 80C51 I/O接口115.2 设计支持计算机工作的外围电路（键盘、显示接口电路等）115.2.1数据锁存器115.2.2键盘115.2.3显示器125.2.4数模转换器ADC0808125.3 其它相关电路的设计或方案135.3.1 供电电源设计135.3.2 检测电路设计135.3.3 功率驱动电路145.4 仿真原理图146软件设计146.1 程序设计思想146.2 主程序模块框图156.3编写主程序157 总结16附录1 ADC0808程序17附录2 数字控制算法程序18参考文献191 引言半个世纪来，直流伺服控制系统己经得到了广泛的应用。随着伺服电动机技术、电力电子技术、计算机控制技术的发展，使得伺服控制系统朝着控制电路数字化和功率器件的模块化的方向发展。 本文介绍直流伺服电机实验台的硬件、软件设计方案。通过传感器对电机位移进行测量，控制器将实际位移量与给定位移量进行比较，控制信号驱动伺服电机控制电源工作，实现伺服电机的位置控制。其电机位置随动系统硬件设计主要包括:总体方案设计、单片机应用系统设计、驱动电路设计和测量电路设计。软件编制采用模块化的设计方式，通过系统的整体设计，完成了系统的基本要求，系统可以稳定的运行。本次设计说明书主要包括主要包括主程序设计、模数转换器ADC0809程序及数字控制算法程序的设计等内容。 通过本次设计，加深在计算机控制系统课程中所学的知识的理解，提高电气设计与分析的能力，为今后的工作打下基础。2 课程设计任务和要求 课程设计对象是直流伺服电机实验台，设计一个计算机控制的直流伺服电机控制系统。由测量元件(位移传感器)对被控对象(电机)的被控参数(位移)进行测量，由变换发送单元(AD转换器)将被控参数(位移)变成一定形式的信号，送给控制器CPU，控制器将测量信号(实际位移量)与给定信号(位移量)进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号驱动执行机构(伺服电机控制电源)工作，使被控参数(实际位移量)与给定值(给定位移量)保持一致。其电机位置随动系统：式中，K=50， T1=1.1，T2=0.15，T3=0.2控制算法选用数字PID控制。 要求根据所给条件确定能够根据功能要求查找相关的元器件的说明书。能够对元器件的说明书进行学习并掌握元器件的控制方法和时序要求。能够利用相关仿真软件对电路进行仿真调试。能够按着规范的课程设计的格式完成课程设计报告。按照任务书要求，提交一份纸制课程设计报告，控制程序工程文件。3 直流伺服电机控制系统概述伺服系统也称为随动系统，属于自动控制系统的一种，它是用来控制被控对象的转角或位移，使其能自动的、连续的、精确地复现输入指令的变化规律，它通常具有负反馈的闭环控制系统。3.1 直流伺服系统的构成3.1.1 伺服系统的定义“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。3.1.2 伺服系统的组成伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。（1）功率变换器直流伺服系统功率变换器的主要功能是根据控制电路的指令，功率变换器主要包括控制电路、驱动电路、功率变换主电路等。功率变换主电路主要由整流电路、滤波电路和逆变电路三部分组成。控制电路主要由运算电路、PWM生成电路、检测信号处理电路、输入输出电路、保护电路等构成，其主要作用是完成对功率变换主电路的控制和实现各种保护功能等。驱动电路的作用是根据控制信号对功率半导体开关进行驱动，并为器件提供保护，主要包括开关器件的前级驱动电路和辅助开关电源电路等。（2）传感器在伺服系统中，需要对伺服电机的绕组电流及转子速度、位置进行检测，以构成电流环、速度环和位置环，因此需要相应的传感器及其信号变换电路。电流检测通常采用电阻隔离检测或霍尔电流传感器。速度检测可采用无刷测速发电机或无刷旋转变压器。位置检测通常采用绝对式光电编码器或无刷旋转变压器，也可采用增量式光电编码器进行位置检测。（3）控制器在直流电机伺服系统中，控制器的设计直接影响着伺服电机的运行状态，从而在很大程度上决定了整个系统的性能。位置伺服系统的伺服控制器主要包括电流控制器和速度控制器和位置控制器。其中电流控制器是关键的环节。因为无论是速度控制还是位置控制，最终都将转换为对电机的电流控制。电流环的响应速度要远远大于速度环和位置环。对于速度和位置控制，由于其时间常数较大，因此可借助计算机技术实现许多复杂的基于现代控制理论的控制策略，从而提高伺服系统的性能。3.1.3 伺服系统的控制器的分类伺服系统控制器主要有以下三种：电流控制器电流环由电流控制器和逆变器组成，其作用是使电机绕组电流实时、准确地跟踪电流指令信号。速度控制器速度环的作用是保证电机的转速与速度指令值一致，消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响。速度指令与反馈的电机实际转速相比较，其差值通过速度控制器直接产生交轴电流指令。并进一步用直轴电流指令共同作用，控制电机加速、减速或匀速旋转，使电机的实际转速与指令值保持一致。速度控制器通常采用的是数字PID控制方式。位置控制器位置环的作用是产生电机的速度指令并使电机准确定位和跟踪。通过比较设定的目标位置与电机的世纪位置，利用其偏差通过位置控制器来产生电机的速度指令当电机启动后在大偏差区域，产生最大速度指令，使电机加速运行后以最大速度恒速运行；在小偏差区域，产生逐次递减的速度指令，使电机减速运行直至最终定位。3.1.4 直流伺服系统的工作过程直流伺服电机采用改变电枢电压的电枢控制法。该方法以电枢绕组为控制绕组，在负载转矩一定时，保持励磁电压恒定，通过改变电枢电压来改变电动机的转速。直流伺服电动机输出恒定的电磁转矩，且电磁转矩只与电枢电流的大小有关。直流伺服电动机通过转子位置传感器检测出转子的位置信号。经过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩使直流伺服电动机运转起来。将直流伺服电机与微型计算机连接，首先，用位移传感器将每个采样周期内的直流电机控制试验台移动的距离进行检测，将控制信号传输到锁存器中。然后经锁存器送到微型计算机，与数字给定值进行比较，并进行数字PID运算；再经锁存器送到D/A转换器，将数字量变成脉冲信号，再由脉冲发生器产生调节脉冲，经驱动放大后控制电机转动，从而控制试验台的移动。4 直流伺服电机控制系统的设计4.1方案设计步骤一、总体方案设计二、控制系统的建模和数字控制器设计三、硬件的设计和实现1. 选择计算机机型（采用51内核的单片机）；2. 设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等）；3. 设计输入信号接口电路；4. 设计信号输出控制电路；5. 其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）四、软件设计1.分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；2.编写A/D转换和位置检测子程序框图；3.编写控制程序和D/A转换控制子程序模块框图；4.其它程序模块(显示与键盘等处理程序) 框图。五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（A3幅面）4.2 总体方案的设计本系统是采用闭环控制系统，调节器的设计方法是从内环到外环，逐步设计各环节的调节器，为了使直流伺服控制系统各个硬件设备能够正常运行，有效实现电机的实时控制。在总体方案选择时，不仅要有合理设计的硬件电路外，还要按照数字PID控制原理完成数字控制器的设计。其中位置调节器是位移的校正装置，它的类型和参数决定了位置随动系统的系统误差和动态性能。从动态要求上看，系统通过电流调节器来实现电枢电流的控制，以保证电枢电流不超过如允许值。位置控制器采用数字PID增量型控制算法。为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟PID算式离散化，变为数字PID算式，为此，在采样周期T远小于信号变化周期时，作如下近似(T足够小时，如下逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近)：于是有：u(k)是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置(如控制阀门的开度)一一对应，所以称之为位置型PID算法。在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量u(k)不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得u(k)产生大幅度变化。这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可以采用增量型PID算法。当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法。图4.1 基本原理图图4.2 程序流程图直流伺服电机控制系统由直流伺服电机，微控制器，位移传感器，计数器，定时器，A/D转换器等组成。微控制器选用Atmel公司生产的89C51单片机。A/D转换器则选用ADC0808 8位精度转换器。4.3控制系统的建模和数字控制器设计图4.3 PID算法流程图4.4数字PID工作原理PID调节器结构简单，参数整定方便，易于工业实现，适用面广，因而它是连续系统中技术最成熟，适用最广泛的一种调节器。随之计算机技术的发展，由计算机实现的数字PID控制器正在逐步取代模拟PID。数字PID算法的基本原理就是利用偏差来计算系统的输出量，实现不断纠偏的过程，使系统最终趋于稳定。数字PID控制分为位置式PID控制和增量式PID控制。由于位置式PID采用全量输出，输出的是执行机构的实际位置，每次输出均与过去状态有关，计算时要对偏差进行累加，工作计算量大，并且，一旦数据处理计算芯片出现问题，将会使输出大幅波动，从而造成执行机构大幅波动，很有可能引起巨大的事故。而增量式PID算法较好。所以本系统采用增量式PID算法。增量式PID算法公式如下所示：其中为积分系数，为微分系数。4.5数字PID算法的simulink仿真图4.4 PID算法simulink仿真参数整定的结果：图4.5 PID算法仿真结果1Simulink的仿真结果：图4.6 PID算法仿真结果25 硬件的设计和实现5.1 选择计算机机型（采用51内核的单片机）此设计采用AT89C16RD2作为控制芯片。它是在MCS-48系列的基础上发展的高性能的8位单片机。所出的系列产品有8051、8031、8751。其代表就是8051。其他系列的单片机都以它为核心,所以本设计采用的核心芯片是8051单片机。CPU是它的核心设备,从功能上看,CPU包括两个部分:运算器和控制器,它执行对输入信号的分析和处理。每片80C51包括：一个8位的微型处理器CPU；128B的片内数据存储器RAM；64kb片内程序存储器ROM；四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART的串行I/O口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率是11.05926MHZ。以上各个部分通过内部总线相连接。整个系统电控部分以ATMEL公司的8051为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三个过程。这种芯片内置4KROM，因为系统要求控制线较多，如果采用8031外置EPROM程序控制结构，则造成控制线不够，而8051却可以利用P0、P2口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制LED数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。现在介绍下在此设计中用到的引脚,引脚图如图3-1所示。单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。图5.1 80C51单片机引脚图5.1.1 80C51电源VCC - 芯片电源，接+5V；VSS - 接地端；5.1.2 80C51时钟XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。5.1.3 80C51 控制线ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。PSEN:外ROM读选通信号。RST/VPD:复位/备用电源。RST（Reset）功能：复位信号输入端。VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。EA功能：内外ROM选择端。Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。5.1.4 80C51 I/O接口P0口（39脚32脚）：P0.0P0.7统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。它分时提供8位双向数据总线。P1口（1脚8脚）：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于MCS52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。P2口（21脚28脚）：P2.0P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。P3口（10脚17脚）：P3.0P3.7统称为P3口。它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。5.2 设计支持计算机工作的外围电路（键盘、显示接口电路等）5.2.1数据锁存器74HC573锁存器的使用可以大大的缓解处理器在这方面的压力。当处理器把数据传输到锁存器并将其锁存后，锁存器的输出引脚便会一直保持数据状态直到下一次锁存新的数据为止。这样在数码管的显示内容不变之前，处理器的处理时间和I/O引脚便可以释放。5.2.2键盘键盘是一组按键的集合，它是最常用的单片机输入设备操作人员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通讯。键盘用于启动、停止、正反转切换和转速输入。为了能更方便地利用数字键输入转速，设置了行列键盘，占用和P口。采用行列键盘可以在获得多键盘的同时节省I/O口，但占用大量的CPU资源，对控制系统不利。本设计采用改进扫描算法，即先扫描全行或全列，没有电平改变时返回主程序，当检测到有键按下时，再进入进一步的扫描和按键判断，可在一定程序上减轻CPU负担。5.2.3显示器显示器使用的是6位共阳极LED数码管。 LED数码管连接到电源正极的称为共阳极数码管。实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。5.2.4数模转换器ADC0808ADC0808是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。1) 主要技术指标和特性（1）分辨率： 8位。（2）总的不可调误差： ADC0808为LSB,ADC 0809为1LSB。（3）转换时间： 取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128s。（4）单一电源： +5V。（5）模拟输入电压范围： 单极性05V；双极性5V,10V(需外加一定电路)。（6）具有可控三态输出缓存器。（7）启动转换控制为脉冲式(正脉冲)，上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始。（8）使用时不需进行零点和满刻度调节。2) 内部结构和外部引脚ADC0808/0809的内部结构和外部引脚分别如图11.19和图11.20所示。内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然，在此就不再赘述，下面仅对各引脚定义分述如下（1）IN0IN78路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。（2）D7D0A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。（3）ADDA、ADDB、ADDC模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高位。地址信号与选中通道对应关系如表11.3所示。（4）VR(+)、VR(-)正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。在单极性输入时，VR(+)=5V，VR(-)=0V；双极性输入时，VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。图5.2 ADC0808引脚图5.3 其它相关电路的设计或方案5.3.1 供电电源设计供电电路分别为单片机、运算放大器、功率驱动芯片和无刷电机提供电源。供电电源电路供电电路中，使用两组变压器、使主电路和控制电路分开供电，提高电路的可靠性。主电路组变压器输出经滤波电容后再经过平波电抗器，使输出的直流电流更平滑，也可以有效抑制电路中的瞬时过流。 5.3.2 检测电路设计1) 位置检测当伺服电机旋转时，遮挡盘的齿部进入霍尔传感器定子内。根据这霍尔元件的输出状态，就可以准确地确定转子的磁极位置。2) 电流检测电路在该电机转速控制系统中，为了得到较好的动态性能，以及对主电路电流进行监控，需要对主电路电流信号进行采样反馈。相电流检测环节的目的是对主电路电流信号进行检测。利用功率驱动采样电阻上的电压信号经过放大处理以后，送到单片机某一路A/D转换通道，经A/D转换以后，所得到的结果即可用于电流调节器和系统的过流保护装置。5.3.3 功率驱动电路 直流伺服电动机的功率驱动电路采用专用的功率驱动芯片组成的三相全桥逆变电路，通过对大功率管的导通与关断，达到控制电机的目的。5.4 仿真原理图图5.3 Proteus仿真原理图6软件设计6.1 程序设计思想从设计要求出发，本次设计主要完成以下工作：（1） 检测键盘，从键盘接收电机起停、正反转、控制速度命令，控制电机运转，向显示器传送电机的实时转速。（2）用位移传感器将每个采样周期内的直流电机控制试验台移动的距离进行检测。完成传感器信号检测，并对检测的传感器信号进行译码，产生驱动功率全桥电路的信号逻辑，使电机运转。（3）根据获得的电机转速的设定值以及从传感器信号测得的电机的实时转速，用PID算法计算出电机的转速控制量，调节电机的转速。经驱动放大后控制电机转动从而控制试验台的移动。6.2 主程序模块框图图6主程序模块框图6.3编写主程序系统的主程序主要作用是组织系统的整个流程，监控系统的运行。在这部分程序中它是通过控制人机交流来控制和显示系统的运行状态。具体说来就是操作人员可通过监控程序建成的人机间的桥梁-键盘，来对单片机发出控制命令，使微机完全按人的命令工作。微机也通过这个程序来向操作人员显示参数的标志，以便操作人员的了解运行的状态。系统主程序主要完成初始化、键盘查询及参数设置键功能处理、电机的起动和停止控制、速度的显示等功能。7 总结课程设计是培养学生综合运用所学知识和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。结合本次设计的要求，我利用专业知识设计了直流伺服电机控制系统。在设计过程中巩固知识的同时，也提高了自身的学习实践能力。通过此次课程设计，把所学的理论知识与实践相结合起来，使我更加扎实的掌握了有关计算机控制计术方面的知识。实践出真知，通过亲自动手进行课程设计，使我掌握的知识更加牢固。在今后社会的发展和学习实践过程中，我一定要不懈努力，不能遇到问题就想到退缩。在设计过程中虽然遇到了一些困难，同时在设计的过程中发现了自己的不足，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。但经过仔细的思考和老师的辛勤指导下，终于找出问题所在，圆满的