单片机控制变频器的闭环调速系统 计算机控制技术 课程设计.doc

计算机控制技术 课程设计（论文）题目：单片机控制变频器的闭环调速系统 课程设计（论文）任务院（系）：电气工程学院 教研室：自动化学 号 学生姓名 专业班级 课程设计（论文）题目 单片机控制变频器的闭环调速系统课程设计（论文）任务1、以AT89C52微控制器和变频器为核心，采用参数自整定PID算法设计闭环调速系统。2、确定闭环调速系统的结构、类型及系统的组成。3、完成输入通道、输出通道的设计。4、绘制系统的结构图、流程图以及参数编写自整定PID部分程序。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文）目 录第1章系统设计概述11.1 概述1第2章 方案论证22.1系统总体结构2第3章 硬件设计103.1 单片机最小系统 103.2 A/D转换设计12第4章 软件设计144.1 系统流程图42. 部分程序第5章 课程设计总结参考文献15第1章 系统设计概述1.1概述随着电力电子技术、微机控制技术的发展，由变频器组成的异步电动机变频调速系统正得以广泛应用。但在一些技术要求较高的场合，对于使用变频器组成的开环控制变频调速系统。其技术性能总是难以满足工程要求。达不到满意的效果。单片机因其功能全、价格低深受欢迎，因此，开发用单片机控制变频器来实现闭环交流调速系统的控制将具有重要意义。变频器闭环调速系统主要应用单片机控制技术。单片机在过程控制中、直接数字控制中有着显著的优点，它体积小可以做成体积极小的控制器用于一些体积不大的设备和空间有限的生产过程、控制过程。其价格低廉是最主要的优势，相比PLC、工控机等有着较高的性价比。控制过程应用单片机已经成为了一种不可抗拒的趋势。第2章 方案论证2.1系统总体结构本设计AT89C52单片机完成对整个系统的两级监控管理,协调各模块之间的工作,并进行复杂的控制决策。控制量经DAC0832转换模块后输出至变频器,变频器根据接收到的信号产生变压变频的电源信号,以驱动交流电机实现调速。系统的开关量控制模块,可方便地实现电机的启动、停止及加减速等功能。TLV2548 A/D转换器模块接收整流滤波处理后的速度反馈信号,构成调节闭环,使系统稳定工作。因此实现了一套结构简单、功能齐全和运行可靠的交流变频数字调速系统。其总体结构框图如图2.1。图2.1 系统总体框图第3章 硬件设计3.1单片机最小系统变频器闭环调速系统主要应用单片机控制技术。单片机在过程控制中、直接数字控制中有着显著的优点，它体积小可以做成体积极小的控制器用于一些体积不大的设备和空间有限的生产过程、控制过程。其价格低廉是最主要的优势，相比PLC、工控机等有着较高的性价比。控制过程应用单片机已经成为了一种不可抗拒的趋势。3.1.1单片机的选取AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。其主要工作特性是：（1）与MCS-51系列产品指令和引脚完全兼容。（2）片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；（3）片内数据存储器内含256字节的RAM；（4）具有32根可编程I/O口线；（5）具有3个可编程定时器；（6）中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；（7）串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；（8）具有一个数据指针DPTR；（9）低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；（10）具有可编程的3级程序锁定位；（11）AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；（12）AT89C52最高工作频率为24MHz。单片机正常工作时，都需要有一个个时钟电路和一个复位电路。本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。2.1.2单片机最小系统AT89C52单片机芯片作为主控制核心，包括晶振电路部分，中断、复位按钮。如图3.1。图3.1 单片机最小系统3.1.3显示驱动电路设计显示驱动电路，本次设计采用两个LED显示器。8255A芯片做扩展引脚芯片。通过显示器显示出输入的模拟量信号的大小，即电流信号的大小。（1）8255A芯片介绍8255A是一个40引脚双列直插式封装芯片，如图2.2所示为其功能示意图。：数据线，三台双向8位缓冲器，用来读写数据和写控制字。图3.2 8255A功能示意图（2）LED显示器及其接口电路设计本次设计选用小型的显示系统LED显示，相比大型显示器而言，它的价格低廉、低功耗、低电压、低辐射、响应快、体积小、重量轻，优势明显，因而得到了广泛应用。LED即发光二极管，是一种注入式电致发光半导体期间，它由P型和N型半导体组合而成，能够把电能转变为光能。常用的LED有单个LED显示管、数码管和点阵显示器等。一般7段数码管应用较多。本次设计也是选用两个7段数码管。常用7段LED显示器的结构如图2.3所示为其外形和内部排列，可见7段数码管实际共8段，其中a、b、c、d、e、f、g共7段用来显示十进制或十六进制数字与一些字符，另一段DP用来显示小数点。当发光二极管导通时，相应的段就会发光。只要控制不同组合的段发光，就能显示出各种数字与字符。图3.3 LED显示器的结构与单片机接口电路如图3.4所示图3.4 LED静态驱动电路3.1.4键盘电路设计键盘电路由三个按钮和一个电位器组成，S1起启动或停止系统工作作用。在系统停止时按下S1启动系统使系统工作；在系统工作时，按下S1使系统停止工作。S2是系统的中断按钮，当系统故障或者需要系统暂停工作时，S2按钮中断正在工作的系统。S3是系统的复位按钮，无论点样头工作在何种状态下按下S3按钮，系统将回到初始状态。电位器实际上是一个滑动变阻器，通过A/D转换器给单片机输入一个420mA的电流信号。采用+5V的直流电源，2501250的滑动变阻器。通过单片机输出给变频器，分别对应电动机050Hz的输出频率。当单片机输出4mA时电动机是0Hz。如果单片机输出的是0mA，说明单片机出现问题，需要检查。以下为键盘输入电路示意图，3.5图。3.5 键盘电路电路图3.2 A/D转换器设计本设计选用TLV2548 A/D转换器。TLV2548是美国TI公司生产的多通道、12位数据采集芯片（ADC）。芯片为单电源2.75.5V供电，转换时间为3.86us,是一款高性能、低功耗、CMOS工艺、串行接口的A/D转换器。特性如下：1、12位分辨率，微分/积分非线性误差1LSB；2、单电源2.75.5V范围供电电源，内置参考源；3、内置转换时钟源及8FIFO；4、8路模拟输入，模拟输入范围为0到电源电压，500kHz带宽；5、SPI（CPOL=0,CPHA=0）/DSP兼容串行接口，SCLK可高达20MHz；6、200kHzSPS采样速率，3.86us转换时间；7、低工作电流(1.0mA,3.3V时；1.1mA,5.5V，外供参考源时)；TLV2548与从单片机的接口连接图如下：图3.6 TLV2548与ATB9C52从单片机接口图3.3 D/A转换器设计本次设计选用DAC0832转换器，该D/A转换器是微处理器完全兼容的，具有8位分辨率的D/A转换集成芯片。以其价廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛应用。采用单缓冲方式接口，如图3.7所示：图2.7 DAC0832的单缓冲器方式接口电路该转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路组成，为20脚双列直插式封装结构。在应用时具有如下特性：（1）DAC0832是微处理器兼容型D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制，故这种芯片有许多控制引脚，可以喝微处理器的控制线相连，接收微处理器的控制。（2）有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出。（3）DAC0832内部无参考电压，须外接参考电压。（4）DAC0832为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。3.4 变频器调速系统设计本次设计是单片机控制变频器调速系统。通过单片机给D/A转换器，输出模拟电流信号给变频器。所以本次变频器采用模拟量控制。又单片机输出的420mA电流信号，通过变频器对偏差的计算来调节电机输出频率050Hz。电机包闸信号通过变频器继电器输出控制。变频器原理：通过交-直-交，对输入的三项交流电压进行转化，改变其输出电压以达到改变电机输出频率的目的。变频器内部自带PID调节计算，通过对电流信号的比较调节输出频率和电压，以达到消除谐波干扰，电机运行稳定等要求。变频器连接如图3.8图3.8 变频器连接示意图3.5 总体电路由单片机、A/D，D/A数字模拟相互转换、电动机等如图3.8第4章 软件设计4.1总程序流程图设计开始初始化显示当前转速设定转速调速达到指定转速平衡低于指定转速图3.1 总程序流程图4.2键盘电路程序流程图入口返回按S1 按S2 按S3转速值减1设定值转换成LED的显示数字设定值转换成LED的显示数字转速值加1将1820暂存器的值写入EEROM将设定值写入1820的暂存器设定转速值NNNYYY图3.2 键盘程序流程图4.3静态显示静态显示，是由微型机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下次送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠。通过比较及对程序的分析，本设计当中两组数码管均采用了共阴极静态显示。如图3.3子程序返回译码选择显示位送入8255PA口将数据转换为七段码开始 图3.3静态显示流程图4.4部分程序DATA SEGMENTL_CODE DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,DB 7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71HDATA ENDSCODE SEGMENTASSME CS: CODE, DS: DATASTART: MOV AX,DATAMOV DS,AXMOV BX,OFFSET L_CODEL0: MOV CX,10HMOV AL,0L1: PUSH AXXLAT L_CODEOUT PORT,ALMOV DX,0FFFFHDELAY: DEC DXJNZ DELAYPOP AXINC ALLOOP L1JMP L0CODE ENDSEND START第5章 课程设计总结计算机控制技术课程设计是自动化课程当中一个重要环节。通过了2周多的课程设计，使我从各个方面都受到了训练，通过2周的课程设计，让我在原有的知识的基础上，又有了进一步的提高和拓展，教会了我怎样把计算机控制技术上课所学的理论上的知识有机的结合在一起，应用到系统的设计当中。但在实际设计过程中遇到了一些困难，让我认识到自己所学的知识是多么的少，完全的局限与书本知识。这导致了我在选择器件标准上出现误差，在程序的操作上不够准确，会出现程序不能正常显示等。在设计的过程中，培养了我综合应用计算机控制技术设计课程及其他课程的理论知识和应用生产实际知识解决实际问题的能力，在设计的过程中还培养出了我的不会好问，积极进取的精神，通过老师和同学大家共同的努力，解决了许多个人无法解决的问题，在这些过程中我深刻地认识到了自己在知识的理解和接受应用方面的不足，在以后的学习过程中认真学习，虚心求教。参考文献1李华德主编. 交流调速控制系统.M，北京：电子工业出版社.2004.72谭建成主编. 电机控制专用集成电路.M，北京：机械工业出版社，2004.33何希才，姜余祥编著. 电动机控制电路应用举例.M，北京：中国电力出版社，2005.14胡崇岳主编. 现代交流调速技术.M，北京：机械工业出版社，2004.95 张建军，郑和喜，李兴军等. PID控制电机系统的设计 J，华北航天工业学院学报.2000，10（1）：55-59 6陈伯时，陈敏逊编著. 交流调速系统.M，北京：机械工业出版社，2005.47陈伯时主编. 电力拖动自动控制系统.M，北京：机械工业出版社，2003.78杨金岩.8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例 北京：人民邮电出版社,2005,1.9