微机调速实验指导书.doc

微机调速实验指导书 微机控制调速课程简易实验指导书1姜宏伟中原工学院xx.8-10说明1.图片及表暂不编号；2.实验报告格式实验名称实验目的实验原理实验内容结论。 3.实验前应进行预习，写出预习报告，编写好程序代码。 预习报告可按实验报告格式书写。 4.不做预习或无预习报告者，禁止进入实验室上机实验。 实验目录1.数字PID控制算法及Matlab仿真2.Protues电路分析仿真软件3.直流电动机PWM控制Protues仿真1。 4.直流电动机PWM控制Protues仿真2。 5.直流电动机转速测量Proteus仿真。 6.步进电机控制Proteus仿真。 7.无刷直流电动机控制Proteus仿真。 试验一数字2PID控制算法及Matlab仿真一.实验目的1.学习数字PID算法的基本原理。 2.学习数字PID调节器参数调节方法。 二.实验属性及设备验证性实验，使用电脑及相关专业软件。 三.实验原理1.概述首先建立数字PID直流电机控制模型，然后用Matlab的LTI状态分析工具箱进行仿真，并绘制转速及控制电压变化图形。 图k k ky re?2.位置式数字PID算法公式010j)(u e e K e K e Kuk k Dkj Ik Pk?3.增量式数字PID算法公式)2()(211?k k kDk Ik kP keee KeKeeKu kk ku uu?14.Matlab LTI工具箱函数（作为了解内容）例一台150kW直流电动机，额定电压220V，额定转速1000r/min，额定电流700A，R a=0.05，L d=2mH，假设负载及电动机转动总惯量GD2=125kg?m2，则)min/185.0100005.0*700220r VnRI UaN Ne?A mN CCe T/767.155.9?sRLTaaa04.005.01023?sC CRGDTT eam051.0767.1185.037505.01253752?mA kgCCeM?18.003.1传递函数为4902526521051.000204.041.51/1)()(222?s s sss Ts TTCs usym mae利用3Matlab建立传递函数方法为sys=tf(2652,1,25,490)当采样间隔为ts=0.01s时，则其z变换（离散）传递函数为dsys=c2d(sys,ts,z)Matlab输出为(Transfer function):0.1217z+0.112-z2-1.736z+0.7788Sampling time:0.01获得分子和分母的函数为num,den=tfdata(dsys,v)如果电机输入电压状态为u k，输出转速状态为y k。 则2121)3()2()3()2(?kkkkku numu numy deny deny5.Matlab绘图plot(时间数组,y数组,颜色及标记)表plot函数标示符色彩说明标记说明r红色.为点。 默认为连续线g绿色b蓝色k黑色四.实验内容1.位置数字PID算法程序clear all;close all;ts=0.01;%采样时间=0.001s sys=tf(2652,1,25,490);%建立被控对象传递函数dsys=c2d(sys,ts,z);%把传递函数离散化num,den=tfdata(dsys,v);%离散化后提取分子、分母e_1=0%上一偏差Ee=0;%偏差累计u_1=0.0;%上一状态电压u_2=0.0;y_1=0;%上一状态输出y_2=0;kp=;%PID参数ki=;%;kd=;%;for k=1:100time(k)=k*ts;%时间参数r(k)=500;%给定值y(k)=-1*den (2)*y_1-den (3)*y_2+num (2)*u_1+num (3)*u_2;e(k)=r(k)-y(k);%偏差u(k)=kp*e(k)+ki*Ee+kd*(e(k)-e_1);if u(k)2204u(k)=220;end ifu(k)=0u(k)=0;end Ee=Ee+e(k);u_2=u_1;u_1=u(k);y_2=y_1;y_1=y(k);e_2=e_1;e_1=e(k);end holdon;plot(time,r,r,time,y,b,time,u,r);%kp,ki,kd2.增量数字PID算法程序依据上述方法自己编写增量式PID算法程序。 3.程序调试好后，分别改变KP、KI和KD参数值，看输出图形有何变化，理解PID控制中比例、积分和微分对控制系统的作用。 图14.程序中可加入如下语句if k50r(k)=400;else r(k)=800;end然后观察连续调速时图形变化的情况。 5图2五.实验要求复习理解数字PID控制算法，及matlab使用方法，编制位置式和增量式算法控制程序。 实验二6Protues电路分析仿真软件一.实验目的学习Proteus的使用方法二.实验属性及设备验证性实验，使用电脑及相关专业软件。 三.实验原理1.概述Proteus的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。 该软件的特点全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。 具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS一232动态仿真、1C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 目前支持的单片机类型有68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。 支持大量的存储器和外围芯片。 总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大，可仿真 51、AVR、PIC。 2.常用元件汉语解释表Proteus常用元件英汉对照元件中文备注Res电阻POT-LIN可变电阻Cap电容Button按钮1N914二极管LED-RED红色发光二极管NPN或PNP三极管7400与非门7404非门7408与门89c5151单片机LM339电压比较器AD0808AD转换DA0832DA转换74273锁存器555555定时器Motor-DC直流电动机Motor-Stepper四相步进电动机BLDC无刷直流电动机7seg-BCD数码管+译码器四.实验内容1.起动Proteus7从开始菜单中，运行程序，如图图12.添加所需元件顺序选择按钮和，在keywords中填写元件名称，在右侧列表中双击该元件，该元件被选中，并出现在左侧选中元件列表中。 图2单击选中元件，放置在Proteus作图区，并按要求连线。 3.电源与地选择图示按钮，列表中出现power为电源，ground为地。 选择元件后可放置在绘图区。 图34.示波器应用如图示操作可获得示波器。 示波器地线默认为自动连接。 8图45.单片机控制LED电路单片机可不用连接晶振和电源（地）复位电路。 按图放置元件并连接。 图5单击电阻元件，在特性对话框中把电阻值修改为300（默认单位欧）。 9图66.使用keil C或wave软件编写汇编或C单片机程序（对灯进行控制练习，使灯按一定规律进行明灭），并生成hex文件。 单击单片机，在对话框program file中装入hex程序。 图7点击运行、暂停及停止等按钮，运行程序。 7.自己再编写一个练习程序进行上机仿真。 五.实验要求提前进行预习，掌握一种单片机程序编制方法（wave或keil C）。 如果想对proteus有更多了解，应查找相关资料。 8.附录常用头文件#include常用数据类型char，int，long int，double等。 IO口定义sbit P10=P10；IO口输出P1=jmn；P10=1；读IO口kh=P1；thm=P10；实验三直流电动机10PWM控制Protues仿真1一.实验目的1.学习PWM波生成方法。 2.学习直流电动机PWM控制方法。 二.实验属性及设备验证性实验，使用电脑及相关专业软件。 三.实验原理1.本实验采用无制动的不可逆PWM控制方法。 控制对象为小型直流电动机，采用功率晶体管作为开关器件，如图1所示。 图1直流电动机控制原理2.PWM波的产生图2PWM波形图利用单片机一个I/O口产生高低电平。 高电平时间T1，低电平时间T2，则PWM波周期为，如图2所示。 T1+T2PWM波频率为f=1/T。 这里使用单片机T0定时器模式1进行定时操作，单片机振荡频率为12MHz。 假定PWM频率为f，则T=1,000,000/f（机器周期）。 T1按占空比进行计算T1=T，T2=（1-）T则高电平装入时间TT1=65536-T1，低电平装入时间TT2=65536-T2。 3.如果进行加减速操作，则改变PWM波占空比即可。 四、实验内容1.按图3搭接电路。 电动机电源设置为+12V。 11图3直流电动机控制原理2.编制程序单片机使用T0定时器，工作方式1。 加减速按键使用中断0和中断1进行控制。 以下为C语言控制程序。 #includesbit PWM=P10;unsigned intTT;unsigned intTT1;unsigned intTT2;unsigned charT1H10;unsigned charT1L10;unsigned charT2H10;unsigned charT2L10;#define Pinlv500;/PWM频率unsigned charsudu=5;/速度变量void main()unsigned chari;TT=1000000/Pinlv;for(i=1;i=9;i+)TT1=(i+0.5)/10)*TT;/占空比分别为1.5;2.5;3.5;4.5;5.5;6.5;7.5;8.5;9.5共9档TT2=TT-TT1;TT1=65536-TT1;TT2=65536-TT2;T1Hi=TT1/256;/高电平时定时器装入时间T1Li=TT1%256;T2Hi=TT2/256;/低电平时定时器装入时间T2Li=TT2%256;12PWM=1;/高电平TMOD=0x01;/定时器0工作方式1TH0=T1Hsudu;/TT1TL0=T1Lsudu;TR0=1;/开定时器0EA=1;/开中断ET0=1;/开定时器0中断EX0=1;/开外部中断EX1=1;IT0=1;/下降沿触发IT1=1;while (1)P2=sudu;void timer0()interrupt1/产生PWM波if(PWM=0)PWM=1;/高电平TH0=T1Hsudu;/TT1TL0=T1Lsudu;elsePWM=0;/低电平TH0=T2Hsudu;/TT2TL0=T2Lsudu;void int0()interrupt0/加速if(sudu1)sudu-;3.运行程序，进行加减速操作。 通过电机转速表观察转速，并通过示波器观察PWM波变化情况，如图4所示。 13图4示波器波形图4.选做题目查找资料，对直流电动机其它控制方式进行编程控制仿真。 五、实验要求复习直流电动机PWM波控制方法，编制单片机控制程序。 实验 四、直流电动机14PWM控制Protues仿真2一.实验目的1.学习驱动芯片L298特性，并对直流电动机进行PWM控制。 二.实验属性及设备验证性实验，使用电脑及相关专业软件。 三.实验原理1.本实验L298芯片对直流电动机进行PWM控制。 L298是SGS公司的产品，恒压恒流桥式2A驱动芯片。 可以驱动两个直流电动机，也可用于步进电动机的驱动。 其输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；也可直接用单片机的IO口提供信号。 电路简单，使用比较方便。 L298外形及管脚如图1，proteus仿真模型如图2。 图1L298外形及管脚图图2L298仿真模型L298N可接受标准TTL逻辑电平信号，9管脚接4.57V电压。 4脚VS接电源电压，VS电压范围为2.546V。 输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。 1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。 L298可驱动2个直流电动机，OUT1，OUT2以及OUT3，OUT4之间可分别接直流电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。 5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。 EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。 表1是L298N功能逻辑图。 表1L298逻辑功能ENA IN1IN2电机状态0X X停止100停止101反转110正转111刹停In3，In4的逻辑图与表1相同。 由表1可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。 同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。 2.PWM波生成方法与上一实验方法相同。 四、实验内容151.按图3搭接电路。 电动机电源设置为+15V（不限）。 图3实验电路图利用PWM波对ENA进行使能控制，图中的二极管为起续流作用。 2.编制程序单片机使用T0定时器，工作方式1。 #includesbit P20=P20;sbit P21=P21;sbit P24=P24;unsigned charT1H;unsigned charT1L;unsigned charT2H;unsigned charT2L;bit PWMBJ;void main()unsigned intpinlv=1000;unsigned intTT;unsigned intT1;unsigned intT2;float zkb=0.9;TT=11059200/(12*pinlv);T1=65535-zkb*TT;T2=65535-(1-zkb)*TT;T1H=T1/256;T1L=T1%256;T2H=T2/256;T2L=T2%256;TMOD=0x01;16EA=1;ET0=1;TR0=1;P20=1;/正反转控制P21=0;while (1);void timer0()interrupt1/定时器0中断程序if(PWMBJ=1)PWMBJ=0;P24=0;TH0=T2H;TL0=T2L;elsePWMBJ=1;P24=1;TH0=T1H;TL0=T1L;3.调试程序4.在程序中改变占空比参数，改变电机速度，对IN1和IN2电平改变，使电机正反转。 5.选作内容，在此基础上，增加几个按钮，可直接对电机进行正转、反转、停止控制。 五、实验要求学习L298驱动芯片功能，编制单片机控制程序。 实验五直流电动机转速测量17Proteus仿真一.实验目的1.学习电机转速测量方法。 二.实验属性及设备验证性实验，使用电脑及相关专业软件。 三.实验原理1.电机转速测量一般可使用霍尔传感器或编码盘，这里以增量式编码盘为例。 单击直流电动机，在特性表中改变其每转脉冲（pulses perrevolution）为240个。 电机旋转时，编码盘发出连续脉冲。 当转速较高时，一般可使用在一定周期内对脉冲计数的方法。 当转速较低时，则可对其脉冲宽度进行测量，则转速(r/min)每周脉冲数脉冲宽度?260n2.测量时，编码盘信号接INT0，定时器T0设置为方式1，GATE=1。 这样，起始时，定时器T0清零，当信号脉冲高电平时，定时器T0开始计时，当信号脉冲低低电平时，定时器T0停止计时。 则定时器T0的值即为半个脉冲周期值T。 定时器T0方式1时工作原理如图1。 &INT0GATETR0+控制12振荡器图1定时器T0工作方式1工作原理图3.转速显示使用带译码器的数码管，7SEG-BCD-GRN。 四、实验内容1.按图2搭接电路。 图2实验接线图182.编制电机控制及转速测量程序#includesbit P20=P20;sbit P21=P21;sbit P24=P24;unsigned charT1H;unsigned charT1L;unsigned charT2H;unsigned charT2L;bit PWMBJ;unsigned intT;/信号脉冲周期void delay();/延时void main()unsigned intpinlv=1000;unsigned intTT;unsigned intT1;unsigned intT2;float zkb=0.9;unsigned charsudu;/转速TT=11059200/(12*pinlv);T1=65535-zkb*TT;T2=65535-(1-zkb)*TT;T1H=T1/256;T1L=T1%256;T2H=T2/256;T2L=T2%256;TMOD=0x19;EA=1;ET1=1;TR1=1;TR0=1;EX0=1;/开外部中断0IT0=1;/下降沿中断P20=1;P21=0;while (1)/sudu= (60)/(12/11059200)*T*2*240);sudu=115200/T;/转速计算P1=(sudu/100)*16+(sudu%100)/10;/显示P0=sudu%10;delay();19void int0()interrupt0/信号脉冲周期测量T=TH0*256+TL0;TH0=0;TL0=0;void timer1()interrupt3/PWM波控制if(PWMBJ=1)PWMBJ=0;P24=0;TH1=T2H;TL1=T2L;elsePWMBJ=1;P24=1;TH1=T1H;TL1=T1L;void delay()/延时unsigned inti=500;while(i-);3.调试程序，观察数码管显示与电机转速表显示是否一致。 4.选作内容1）PID控制程序编制PID控制程序，程序流程按图3。 e+-yry测速单元直流电动机直流电动机驱动单元数字PID控制器单片机图3电动机调速控制原理图调试程序，观察电机转速与设定值是否一致。 2）上位机显示转速曲线程序流程按图4，程序结构按图5。 上20ey+-yry测速单元直流电动机直流电动机驱动单元数字PID控制器曲线绘制位机图4电动机调速控制原理图PWM波产生定时器1中断程序定时参数PID及转速参数外部中断0程序定时器0中断程序绘制转速变化曲线PID参数改变串口中断程序上位机程序串口通讯计算转速初始化PID控制发送转速数据延时单片机主程序及子程序脉冲周期串口通讯转速设定图5电动机调速控制程序流程图按图6接线，增加一个串口通讯控件，串口通讯协议9600，N，8，1,晶振频率11.0592MH,使用端口1通讯。 图6实验接线图VB界面如图7，添加一个通讯控件，使用端口2通讯。 21图7VB控制界面程序运行效果如图8图8:电动机调速控制速度响应曲线注意为编程简单，PID通讯参数都使用字节数据，在单片机程序中予以修正。 五、实验要求复习转速测量及PID控制有关知识，编制单片机控制程序。 实验六步进电机控制22Proteus仿真一.实验目的1.学习步进电动机的单片机控制方法。 二.实验属性及设备验证性实验，使用电脑及相关专业软件。 三.实验原理1.四相步进电机结构如图,Proteus中如图。 图图2.四相步进电机工作原理四相步进电机常用通电方式有四拍和八拍。 四拍通电顺序为A，B，C，D。 （反转为A-D-C-B）八拍通电顺序为A，AB，B，BC，C，CD，D，DA。 （反转略）它的工作过程是这样的当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。 为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。 一个通电顺序，转子转过360/6=60。 因此四拍步距角为15，八拍步距角为7.5。 对八拍通电顺序（工作方式），一步通电时间为T，则转速为60/(6?8?T)单位r/min例如单片机振荡频率12MH，每个机器周期1s，一相通电时间12?2000机器周期，则转速为60/(6*8*12*2000*10-6)=52转/min3.步进电机参数设置点击步进电机，打开参数设置对话框，把步距角Step Angle修改为15（按四相四排方式计算）。 23图5.步进电机驱动ULN2803是达林顿管输出器件，在电路中能起到大电流输出和高压输出作用。 其管脚如图图 四、实验内容1.按图搭接电路。 24图2.编制单片机控制程序。 定时器T0用来产生控制脉冲，外部中断0和1用来进行加减速控制。 #includeunsigned intTHTL;unsigned charTH;unsigned charTL;unsigned codepai=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;/00010011001001100100110010001001四相8拍unsigned charpaishu=0;/拍计数unsigned charsudu=180;/速度1-254,该数值越大，则速度越小。 unsigned charsudushu=0;/速度计数void main()THTL=65536-2000;/振荡频率12MHz,档差2ms/拍TH=THTL/256;TL=THTL%256;TMOD=0x01;/定时器0工作方式1TH0=TH;/定时常数TL0=TL;EA=1;/开中断ET0=1;EX0=1;EX1=1;TR0=1;/开定时器IT0=1;/下降沿外部中断方式25IT1=1;while (1)P2=sudu;/P2口显示速度数void timer0()interrupt1/定时器0中断程序，产生控制脉冲TH0=TH;TL0=TL;/设定时每隔1ms中断一次sudushu+;if(sudushusudu)/定时计次sudushu=0;paishu+;if(paishu7)paishu=0;P1=paipaishu;/换拍void bt0()interrupt0/外部中断0程序（减速按键）if(sudu1)sudu-;3.运行程序，用示波器观察控制脉冲波形。 26图4.进行加减速操作，观察转速变化和控制波形变化情况。 5.简单修改程序，进行四相4拍控制操作。 五、实验要求复习步进电机工作原理及控制方法，编制单片机控制程序。 实验七无刷直流电动机控制27Proteus仿真一.实验目的1.学习无刷直流电动机控制方法。 二.实验属性及设备验证性实验，使用电脑及相关专业软件。 三.实验原理1.无刷直流电动机与直流电动机磁场原理类似。 直流电动机使用换向器，使转子磁场一直滞后定子磁场90。 图6-1直流电动机工作原理2.常用的三相Y接无刷直流电机为例，三相绕组连接如图6-2a，一相绕组由两部分组成，空间位置相差180电角度，这里按凸极式定子磁极进行说明，具体结构如图6-2(b)。 a.定子绕组连接图b.定子结构图图6-2无刷直流电动机定子结构和绕组连接当A+C-通电时，定子磁动势如图6-3所示。 三相绕组共有6种通电方式，即定子磁动势可有六种位置（相邻位置的磁动势相差60电角度）。 这样，定子磁动势不能保证一直超前转子磁动势90，但可通过换相，使定子磁动势一直超前转子磁动势9030（约90），也即，当A+C-通电瞬间，定子磁动势超前转子磁动势120，这时，定子磁场静止，转子旋转，转子磁动势滞后角度逐渐减小。 当到达90位置位置后，转子磁动势继续旋转，使滞后角度继续减小，当该角度达到60时，开始换相，假定电机正转（逆时针旋转为正），则使A+B-导通，换相瞬间定子磁动势仍超前转子磁动势120，如图6-4所示。 这样周而复始，使转子连续旋转。 定子磁动势28图6-3定子磁动势产生图6-4定转子磁动势变化图根据上述原理，需使用位置检测传感器（霍尔传感器或光电式传感器等）检测出转子磁动势的6个特殊位置，如图6-5所示。 以霍尔传感器为例，在定子上安装3个（sa、sb、sc），空间位置相距120，如图6-5所示。 当传感器处于转子N极下时，电平信号（处理后）为1，否则为0。 则定子磁动势及定子换相关系如图6-5和表6-1所示。 图6-5转子磁动势与传感器位置关系表6-1转子位置与传感器编码表转子磁动势位置123456传感器编码01X X101X010X X010X1正转时X变化100110011001正转切换相A+B-C+B-C+A-