双闭环调速系统论文.doc

东南大学自动化学院课程设计课程名称： 双闭环数字调速系统的设计 院（系）： 自动化学院 专业： 自动化专业 组 长：姓名： 任培雄 学号： 08008110 小组成员：姓名： 蒋鑫源 学号： 08008109 姓名： 缪友坚 学号： 08008114 姓名： 李文昊 学号： 08008219 姓名： 赵阳 学号： 08008411 摘 要双闭环直流电机调速系统在结构上有两个闭环：内环为电流环，在控制中起“粗调”作用，其输出送执行器；外环为转速环，用来完成“细调”任务，其输出作为电流环输入。该系统由Atmel89S52控制器模块、键盘输入模块、LCD显示模块、电流检测模块、转速检测模块和D/A转换模块组成。控制器部分采用具有监控功能的max813芯片，配合软件可以很好地预防程序跑飞，保证控制系统的安全稳定性；键盘输入部分由4*4按键配以具有串行接口的HD7279A，可以解决键码并行输入所带来的连线繁冗问题；显示使用LCD1602液晶屏，使显示更加人性化；DA转换采用DAC0832，使其工作在单缓冲方式下，提高D/A数据吞吐量。系统转速测量借用实验箱上的霍尔传感器，传感器输出信号经过光耦隔离和比较电路，作为测量值输入到单片机进行运算，软件部分采用分段控制，在转速差值的不同区域给不同的输出。采用ACS712芯片对电枢回路电流进行测量，将测量值经过TLC549 A/D转换器送入单片机，作为电流反馈量，本文采用电流截止负反馈。关键字：单片机，转速环，电流环， 霍尔传感器，A/D，D/A一、双闭环直流调速系统电路原理随着调速系统的不断发展和应用，传统的采用 PI 调节器的单闭环调速系统既能实现转速的无静差调节，又能较快的动态响应，能满足一般生产机械的调速要求。为了提高生产率，要求尽量缩短起动、制动、反转过渡过程的时间，最好的办法是在过渡过程中始终保持电流（即动态转矩）为允许的最大值，使系统尽最大可能加速起动，达到稳态转速后，又让电流立即降低，进入转矩与负载相平衡的稳态运行。要实现上述要求，其唯一的途径就是采用电流负反馈控制方法，即采用速度、电流双闭环的调速系统来实现。在电流控制回路中设置一个调节器，专门用于调节电流量，从而在调速系统中设置了转速和电流两个调节器，形成转速、电流双闭环调速控制，二者之间实现串级连接。图1 双闭环直流调速系统电路原理图上图为转速、电流双闭环直流调速系统的原理图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅值决定了电流调节器ACR的给定电压最大值，对应电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压限制了整流器输出最大电压值，即限制晶闸管最小触发角。双闭环直流调速系统动态结构图如图2所示：图2 双闭环直流调速系统动态结构图图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有：根据设计要求，本系统设计为全数字式控制方式，因此要求微型计算机完成：电流环控制器运算、速度环控制器运算，以及与它们相应的反馈信号的采样和数字信号处理。二、各模块电路2.1 单片机控制模块单片机最小系统除了单片机芯片、外部晶振和电源与地间的去耦电容，还有复位电路。本系统的单片机复位电路使用具有监控电路的Max813微处理芯片，该芯片具有4个功能：具有独立的看门狗计时器，如果看门狗输入在1.6s内无变化，就会产生看门狗输出；掉电或电源电压低于1.25V时，产生掉电输出；上电时能自动产生200ms宽的复位脉冲；具有人工复位功能，当人工复位端输入低电平时，产生复位信号输出。软件中要时常喂狗，以保证程序正常运行，使是系统更加安全稳定。 2.2 显示模块系统中显示部分使用LCD1602液晶屏，采用标准14脚接口，其中包括8根数据线(D0-D7)，三根控制线（Rs,Rw,E）电源地，电源以及液晶驱动电压引脚(VCC,BL+,BL-)。1602的RAM地址映射及标准字库表如下图，其中第一行地址为80H,第二行为80H+40H.初始化指令： 写指令38H：显示模式设置；写指令01H：显示清屏； 写指令06H：显示光标移动设置； 写指令0CH：显示开及光标设置；2.3 按键输入模块本系统的设定值输入采用4*4按键，按键的行列分别于HD7279A的段驱动输出与数字驱动输出相连。对于HD7279A芯片：l 6号脚CS为片选输入端，当为低电平时，可向芯片发送指令及读取键盘数据；l 8号脚DATA为串行数据输入输出端，当芯片接受指令时，此引脚为输入端；当读取键盘数据时，此引脚在“读”指令最后一个时钟的下降沿变为输出端；l 9号脚KEY为按键有效输出端，平时为高电平，当检测到有效按键时，此引脚变为低电平。常用指令：复位（清除）指令A4H，读键盘数据指令15H。2.4 D/A转换模块单片机运算结果送执行器需经过D/A转换，本系统采用经典D/A转换芯片DAC0832，并将和同时接地，使DAC寄存器处于直通状态，而输入寄存器可控，则0832处于单缓冲工作方式，此时只需一次写操作就开始转换，可以提高D/A的数据吞吐量。DAC0832转换的结果为电流输出，经过后级LM358电路转化为电压输出，控制单相桥式整流电路的延迟角，从而改变电机的电枢电压。2.5 电流检测和A/D转换模块电流检测采用电流传感器ACS712，其内置有精确的低偏置线性霍尔传感器电路，能输出与检测的直流电流成比例的电压。电流检测输出送8位串行模数转换器TLC549，其工作原理如下:l 当CS为高时，数据输出(DATA OUT)端处于高阻状态，此时I/O CLOCK不起作用；l 内部电路在测得CS下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATA OUT端上；l 前四个I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6、D5、D4、D3)，片上采样保持电路在第4个I/O CLOCK下降沿开始采样模拟输入；l 接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位.2.6 转速检测模块转速测量模块借用实验台上的霍尔传感器，信号输出送光耦的输入端，经隔离后信号送LM311比较器，比较后数字信号送单片机T0端，用于计数。电路如下：这里转速检测采用M/T法，在系统中，使用单片机的T0和T1分别记测速霍尔传感器输出的脉冲个数数和同时间内高频时钟脉冲个数。T0工作于计数器方式，T1工作于定时器方式，时钟信号为单片机时钟12MHZ，定时器初值设为50000。T1溢出中断后这里是50ms中断，检测变量是否1秒时间到，记录T0的数值，计算出实际的转速值，并将变量num清零，重新开始记数。那么，电动机的转速为： 式中，高频时钟频率=12HZ，霍尔传感器一圈输出一个脉冲，即p=1。 五、系统软件设计5.1主程序主程序主要完成对各个可编程芯片的初始化、键盘处理、限流保护和转速计算及控制。输入设定速度后，系统开始启动，并启动T0的计数功能和T1的定时功能，采集电流和转速值并进入实时控制阶段；若有新的转速设定，则返回键处理程序，重新进行调节。Y电流过大？Y停机转速检测并控制N电流过大？Y停机转速检测并控制N开始系统初始化按键处理有键按下？显示设定速度值N电流过大？Y停车转速检测并控制N5.2电流限幅调节由于PI调节器设计比较麻烦，实际上只需保证电流不太大即可，所以软件中只进行电流限幅。void Data_Conversion(void) /电流转换AD_Data = filter();if(AD_Data=129) Volt=0;elsetra = 5.0 / 256 * AD_Data;Volt = 11590*tra - 29210 ;上述程序中，AD_Data为均值滤波的结果，程序中取14次采样值取均值。实验中只进行电机正转时的调节，而由电流检测芯片性能知，若AD_Data145，即电流大于3.6A，输出电压为0，电机停车。具体程序如下：if(AD_Data145)/电流值过限while(1)LCD_E=0;cs=0;LCD_DB=0XFF;delay_n40us(100);cs=1;delay_n40us(100);delay_n40us(400);WatchDog();delay_n40us(100);Volt_To_LCD();Display(10,2,Error,5);delay_n40us(90000);WatchDog(); 5.3转速调节同样，转速环的调节器没有使用PI调节器，而是简单地根据转速的差值分段实现调节。实验中，多次尝试分段的数目，并改变各段DAC0832值的变化幅度，观察实验结果。最终分成11段，各段的参数设置如下：void ASR(void)deltav=set_value-v;if(deltav=(-50)WatchDog();LCD_E=0;cs=0;LCD_DB=out0832;delay_n40us(100);cs=1;delay_n40us(100);else if(deltav50&deltav=100)WatchDog();LCD_E=0;cs=0;out0832 -= 3;LCD_DB=out0832;delay_n40us(100);cs=1;delay_n40us(100);else if(deltav=-100)WatchDog();LCD_E=0;cs=0;out0832 += 3;LCD_DB=out0832;delay_n40us(100);cs=1;delay_n40us(100);else if(deltav100&deltav=200)WatchDog();LCD_E=0;cs=0;out0832 -= 5;LCD_DB=out0832;delay_n40us(100);cs=1;delay_n40us(100);else if(deltav=-200)WatchDog();LCD_E=0;cs=0; out0832 += 5;LCD_DB=out0832;delay_n40us(100);cs=1;delay_n40us(100);else if(deltav200&deltav=400)WatchDog();LCD_E=0;cs=0;out0832 -= 10;LCD_DB=out0832;delay_n40us(100);cs=1;delay_n40us(100);else if(deltav=-400)WatchDog();LCD_E=0;cs=0;out0832 += 10;LCD_DB=out0832;delay_n40us(100);cs=1;delay_n40us(100);else if(deltav400&deltav500)WatchDog();LCD_E=0;cs=0;out0832 -= 12;LCD_DB=out0832;delay_n40us(100);cs=1;delay_n40us(100);else if(deltav-500)WatchDog();LCD_E=0;cs=0;out0832 += 12;LCD_DB=out0832;delay_n40us(100);cs=1;delay_n40us(100);else if(deltav=500)WatchDog();LCD_E=0;cs=0;out0832 -= 15;LCD_DB=out0832;delay_n40us(100);cs=1;delay_n40us(100);else if(deltav=-500)WatchDog();LCD_E=0;cs=0;out0832 += 15;LCD_DB=out0832;delay_n40us(100);cs=1;delay_n40us(100);if(out0832=200)out0832=200;/设置上限delay_n40us(100);WatchDog();六、实验总结本课程设计的是双闭环数字调速系统，硬件电路采用统一的电路板，元件焊接后编写程序检查每部分的硬件是否焊接完好。转速的设定值由键盘输入，但测试时常会出现显示乱码的情况，多次调试后才发现键盘处理程序处缺少“while(!key);”，即处理程序应放在按键松开后才进行。实验中只检测正电流，在确保电流检测程序正确的情况下，但当电流表显示为正值时，即使改变实验板电流输入端的连线，液晶显示的却始终为0，表征电流的电压却表明电流为负。后经检查发现是整流电路输出端连线出错，即使后面电路多次调换接线方向也是枉然。刚开始调试时，电机常常起动不了，后来才发现是电枢回路电阻太大，当减小电枢电阻时，电机才会逐渐起动起来。但仍由于出于安全考虑，输出DAC0832值增加幅度不够，电机起动较为缓慢，影响系统的实用性。由于调节器毕竟不是PI调节器，不能很好地实现快速调节及稳态无静差，多次实验发现超调较大、稳态精度约2%，调节较为粗糙。七、实验心得张芸：由于之前有做过一些竞赛及项目，硬件焊接有一定的基础，所以焊接电路时没有遇到太多的问题。硬件检查是使用软件辅助检测的方法，通过编写小段程序验证各部分硬件的正确性。由于单片机I/O口存在复用情况，如P0口是DAC0832与LCD数据段复用，所以会出现单独调试正常而综合调试出现乱码的状况，后发现在未使用某芯片能时应及时将其片选取消，这样复用就不会出现问题。虽然很早就开始接触闭环系统及PID调节的知识，但是一切都停留在理论阶段，没有机会进行实际系统的设计。本次双闭环调节系统设计中，原本两个调节器均应采用PI调节器，但由于PI调节器设计存在很大的困难，并且很难达到很好的调节效果，所以根据实际的系统情况，电流环只设计为限幅负反馈，而转速环只进行简单的分段调节。由于做过的电机实验和强电实验的次数还不够多，在带电机调试时异常谨慎，所给的电机电枢电压不敢过多，造成电机起动过于缓慢，调节也不够迅速，希望若以后有机会接触电机时能有所改善。本次闭环系统的设计帮助我进一步了解了52单