计算机控制技术课程设计(双闭环调速系统).doc

计算机控制技术课程设计任务书 成绩 成绩 计算机控制技术课程设计任务书计算机控制技术课程设计任务书 题目 题目 数字双闭环直流调速系统设计 使用班级 电气使用班级 电气 081 082 设计内容设计内容 采用带有 AD 转换器的 8051 系列单片机为控制器芯片 对直流电机进行电流 转速双闭 环调速系统设计 A 硬件系统设计 包括控制电路系统与主电路系统 控制电路主要包括 单片机选型 单片机外围电路 三相电源过零检测电路 前向通道电路 反馈通道电路 人机接口电路 主电路主要包括 UPE 及保护电路 功率驱动放大电路 电机接口电路 B 软件系统设计 主要包括 电流环采样 转速环采样 电流环控制器算法 转速环 算法 中断控制 故障报警等 设计步骤设计步骤 一 总体方案设计一 总体方案设计 二 控制系统的建模和数字控制器设计二 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 A D 转换和电机驱动接口电路 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 转换和速度 电流检测子程序框图 3 编写控制程序和功率驱动子程序模块粗图 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 五 编写课程设计说明书 绘制完整的系统电路图 A3 幅面 幅面 课程设计说明书要求课程设计说明书要求 1 课程设计说明书应书写认真 字迹工稚 论文格式参考国家正式出版的书籍和论文编 排 2 论理正确 逻辑性强 文理通顾 层次分明 表达确切 并提出自己的见解和观 点 3 课程设计说明书应有目录 摘要 序言 主干内容 按章节编写 主要结论和参考 书 附录应有系统方枢图和电路原理图 4 课程设计说明书应包括按上述设计步骤进行设计的分析和思考内容和引用的相关知识 摘要 II 摘要摘要 双闭环 转速环 电流环 直流调速系统是一种当前应用广泛 经济 适 用的电力传动系统 它具有动态响应快 抗干扰能力强的优点 直流双闭环调 速系统中设置了两个调节器 即转速调节器 ASR 和电流调节器 ACR 分别调 节转速和电流 可实现频繁的无级快速起动 制动和反转 能满足生产过程自动 化系统各种不同的特殊运行要求 在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系 统领域中得到了广泛的应用 并且随着电力电子器件开关性能的不断提高 直流 脉宽调制 PWM 技术得到了飞速的发展 传统的模拟和数字电路 PWM 已被 大规模集成电路所取代 这就使得数字调制技术成为可能 目前 在该领域中大部 分应用的是数字脉宽调制器与微处理器集为一体的专用控制芯片 电动机调速 系统采用微机实现数字化控制 是电气传动发展的主要方向之一 采用微机控制 后 整个调速系统实现全数字化 结构简单 可靠性高 操作维护方便 电动机稳态运 转时转速精度可达到较高水平 关键词关键词 双闭环 转速调节器 电流调节器 ABSTRACT III ABSTRACT Double loop speed loop current loop DC drive system is a widely used currently the economy for the power transmission system It has a fast dynamic response the advantages of anti interference ability DC double closed loop speed control system set up two regulators the speed regulator ASR and the current regulator ACR adjust the speed and current respectively Level can be achieved quickly without frequent starting braking and reverse production process automation systems to meet a variety of special operating requirements the need for speed or fast a number of positive and negative field to the electric drive system has been widely applications Switching power electronic devices and with the continuous improvement of performance the DC pulse width modulation PWM technology has been rapid development Traditional analog and digital VLSI circuits PWM has been replaced by digital modulation technique which makes it possible Currently most applications in the field of digital pulse width modulator is set as one with a dedicated microprocessor control chip Motor speed control system uses computer digital control electric drive is one of the main directions of development Using computer control the entire all digital speed control system simple structure high reliability easy operation and maintenance steady state operation when the motor speed can reach a higher level of accuracy Keywords DOUBLE LOOP THE SPEED REGULATOR THE CURRENT 目录 IV 目目 录录 计算机控制技术课程设计任务书计算机控制技术课程设计任务书 I 目目 录录 IV 第一章第一章 数字双闭环直流调速系统总体设计数字双闭环直流调速系统总体设计 1 1 1系统总体设计 1 第二章第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计数字双闭环直流调速系统硬件设计 2 2 1硬件电路整体结构图 2 2 2控制电路设计 4 第三章第三章 数字双闭环直流调速系统软件设计数字双闭环直流调速系统软件设计 7 3 1主电路整体结构图 7 测速软件设计 9 3 2 中断程序流程图 10 心得体会 心得体会 12 参考文献参考文献 13 附录附录 14 第一章 数字双闭环直流调速系统总体设计 1 第一章第一章 数字双闭环直流调速系统总体设计数字双闭环直流调速系统总体设计 1 1 系统总体设计系统总体设计 双闭环直流调速系统 该方案主要由给定环节 ASR ACR 触发器和整流装置环节 速度检测环节 以及电流检测环节组成 为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用 系统设 置了电流调节器 ACR 和转速调节器 ASR 电流调节器 ACR 和电流检测反馈回 路构成了电流环 转速调节器 ASR 和转速检测反馈回路构成转速环 称为双闭 环调速系统 因转速换包围电流环 故称电流环为内环 转速环为外环 系统 设置了电流调节器 ACR 和转速调节器 ASR 由图可见 电流调节器 ACR 和电 流检测反馈回路构成电流环 转速调节器 ASR 和转速检测反馈回路构成转速环 因此称之为双闭环调速系统 转速环为外环 电流环为内环 ACR 和 ASR 均 为比例积分调节器 并设有限幅电路 ACR 输出限幅值为 ctm U 它限制了晶闸 管整流器输出电压的最大值 dm U ASR 输出限幅值为 im U 它决定了主环中的 最大允许电流 dm I 系统特点 1 两个 PI 调节器均设置有限幅 一旦 PI 调节器限幅 即饱和 其输出 量为恒值 输入量的变化不再影响输出 除非有反极性的输入信号使调 节器退出饱和 即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系 相当 于使该调节器处于断开 而输出未达限幅时 调节器才起调节作用 使 输入偏差电压在调节过程中趋于零 而在稳态时为零 2 电流检测采用三相交流电流互感器 3 电流 转速均实现无静差 由于转速与电流调节器采用 PI 调节器 所以 系统处于稳态时 转速和电流均为无静差 转速调节器 ASR 输入无偏 差 实现转速无静差 闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用 在于它能随着 负载的变化而相应地改变整流电压 而开环系统不能自动调节 以负载增大为 例 闭环调速系统的自动调节过程如下 第一章 数字双闭环直流调速系统总体设计 2 图 1 1 2 双闭环直流调速系统动态结构图 双闭环系统中 由于增设了电流内环 电压波动可以通过电流反馈得到比 较及时的调节 不必等它影响到转速以后才能反馈回来 抗扰性能大有改善 为了获得近似理想的过度过程 并克服几个信号综合于一个调节器输入端 的缺点 最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制 用两 个调节器分别调节转速和电流 构成转速 电流双闭环调速系统 第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计 第二章第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计数字双闭环直流调速系统硬件设计 2 1 硬件电路整体结构图 硬件电路整体结构图 图 2 1 数字式双闭环直流调速系统硬件结构图 图 2 2 数字式双闭环直流调速系统 转速检测电路设计 转速检测电路设计 转速的检测可把接到一个测速发电机上即可检测转速 如图 8 所示 n U 第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计 3 TGU2 Un RP4 图2 3 转速检测电路 图2 4 电流检测电路 限幅电路限幅电路 图 2 5 继电器驱动电路 继电器驱动电路 接受输入信号并放大 驱动电机运转 图 2 6 电流调节器结构的选择 根据设计要求并保证稳态电流无差 可按典型 I 型系统设计电流调节器 电流环控制对象是双惯性型的 因此可用 PI 型电流调节器 其传递函数为 WACR S Ki is 1 is Ki 电流调节器的比例系数 i 电流调节器的超前时间常数 第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计 4 检查对电源电压的抗干扰性能 Tl T I 0 0167s 0 0057s 2 93 参照教材中表 2 3 的典型型系统动态抗扰性能 各项指标都是可以接受的 图 2 7 电流环等效近似处理后校正成为典型 I 系统框图 1 3 5 转速调节器结构的选择 转速环开环传递函数应共有两个积分环节 所以应该设计成典型 II 系统 系统 同时也能满足动态抗扰性能好的要求 图 2 8 转速环等效近似处理后校正成为典型 II 系统框图 ASR 也应该采用 PI 调节器 其传递函数为 WASR s Kn ns 1 ns Kn 转速调节器的比例系数 n 转速调节器的超前时间常数 2 2 控制电路设计控制电路设计 根据双闭环调速系统原理框图 可将系统分解为三个部分 如下图所示 一 计算机控制单元 二 检测单元和接口电路 三 主电路单元和触发电路 M TG n ACRASR n I GT TA n U n U n U i U i U i U ct U V d I 1 2 2 3 4 第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计 5 图2 9 双闭环调速系统原理分解框图 2 2 12 2 1计算机控制单元 计算机单元硬件原理图如图2 2 2所示 80c51主要执行程序 计算功能 8259用于处理中断事件 8255用于读入电源状态和输出控制信号 晶闸管的 门极控制信号 8253的计数器0和1用于记录电机的转速 计数器2用于晶 闸管的触发移相功能 AD0809用于对电机电枢电流的采样数模转化 2764用 于存储初始化程序 主程序和数据存储器 6264用于做随机数据存储器 8284用于提供内部标准时钟 其它设备的时钟都是基于该标准时钟 图 2 10 PWMPWM 信号发生电路设计 信号发生电路设计 钟电路是用来产生 AT89C51 单片机工作时所必须的时 钟信号 AT89C51 本身就是一个复杂的同步时序电路 为保证工作方式的实现 AT89C51 在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作 时钟的 频率影响单片机的速度和稳定性 图 2 11 输入信号接口电路和 LED 静态显示接口电路 按键控制与 LED 显示单元完成系统参数 占空比和转速 的实时显示 以 及通过键盘输入系统的给定 占空比 本系统中通过 74ls138 芯片来扩展键盘 和显示接口 8088 62642764 AD0809 8279 8259 8253 低8位地址总线 高8位地址总线 138138 8255 245 数据总线 8284 电流采样 转速信号 输出控制 信号 输入电源 同步信号 第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计 6 图 2 12 图 2 13 三相过零检测电路 为了达到与电源电压同步的目的 除了可以使用锁相同步电路外 还可以 实时检测电源电压的过零点和频率 根据过零点和频率就可以跟踪输入的电源电压的相位 实 现同步输入 图 2 14 第三章 数字双闭环直流调速系统软件设计 7 第三章第三章 数字双闭环直流调速系统软件设计数字双闭环直流调速系统软件设计 3 1 主电路整体结构图 主电路整体结构图 开始 按键查询 开始是否按下 定时器 T0 开始计时 加速是否按下 初始化 是是 增大矩形波占空 比 减速是否按下 是 减小矩形波占空 比 Swap 或 close 是 否按下 改变转向或关闭电 机 通过控制总中断使能 EA 控制电机的开关 同时使能对霍尔传感器输出的方波在单位 时间内脉冲个数的计数 其中定时器 T0 T1 分别对脉冲的宽度 霍尔元件输出的脉冲数 对应的 1 秒时间定时 对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定时长度 由变量 high 控 制 变量 change sub speed add speed 分别实现电机的转向 加速 减速 通过按键实现对电机开关 调速 转向的控制的程序 void motor control if open 1 EA 1 if close 1 EA 0 if swap 1 第三章 数字双闭环直流调速系统软件设计 8 change change while swap 0 if sub speed 1 high if high 30 EA 0 while sub speed 0 if add speed 1 high if high 5 high 5 while add speed 0 测速软件设计 第三章 数字双闭环直流调速系统软件设计 9 开始 初始化 OPEN 是否按下 定时器 T1 开始计时 对单位时间内的脉冲计数 N 根据公式计算出电机的速度 液晶显示电机速度 图 3 1 软件测速的方框图 T1 中断服务程序 单位时间 S 方波的个数 void time1 int void interrupt 3 count speed if count speed 20 count speed 0 num display num medium num medium 0 第三章 数字双闭环直流调速系统软件设计 10 3 2 中断程序流程图中断程序流程图 图 3 2 中断流程图 算法实现 通过按键实现对电机开关 调速 转向的控制的程序 void motor control if open 1 EA 1 if close 1 EA 0 if swap 1 change change 第三章 数字双闭环直流调速系统软件设计 11 while swap 0 if sub speed 1 high if high 30 EA 0 while sub speed 0 if add speed 1 high if high 5 high 5 while add speed 0 测速程序 T1 中断服务程序 单位时间 S 方波的个数 void time1 int void interrupt 3 count speed if count speed 20 count speed 0 num display num medium num medium 0 心得体会 心得体会 心得体会 此次课程设计 留给我印象最深的是要设计一个成功的电路 必须要有要 有扎实的理论基础 还要有坚持