11 基于单片机的直流电动机转速闭环控制系统1.ppt

基于单片机的直流电动机转速闭环控制系统,自动化教研室,1 项目目标,2 设计要求,3 方案设计,4 硬件设计,5 软件设计,6 项目总结,内 容 提 要,1、项目目标,（1）具有实践性：能让学生从事设计、制作工作。,（2）具有专业综合性：能让学生在系统中应用专业理论知识。 如：单片机原理及应用，自动控制理论，交直流调速系统、计算机控制系统等课程内容；,（3）具有工程训练性：能让学生在实习期间培养诸多的工程技术素质。,2、设计要求,实现闭环调速系统；含有人机接口；含有A/D或D/A；方便今后扩展、改进；低成本。,3、方案设计,学生学习过其基本原理；具有普遍性、代表性；带有Flash，方便擦写；廉价,一、MCU方案：,AT89S51、52系列STC89C52系列,二、被控对象方案：,方便应用自动控制原理、交直流调速控制、计算机控制系统等专业知识；驱动电路简单；小功率；廉价,12V 直流伺服减速电机,三、人机接口方案：,学生学习过其基本原理；具有普遍性、代表性；最基本的键盘、显示；廉价,LED数码管4*4键盘,四、电机驱动方案：,学生学习过其基本原理；具有普遍性、代表性；实现方便、廉价,H桥驱动直流电机采用PWM调速,五、ADC与DAC的选用：,学生学习过其基本原理；具有普遍性、代表性；实现方便、廉价,ADC0804,4、硬件设计,MCU,4*4键盘2组4位LED显示,A/D转换,连续平滑给定（调速）,电流检测,PWM,驱动电路,测速反馈,直流电机,一、基本方式设计,1、控制方式选择,(1)程序查询方式 便于程序控制,编程简单,易于调试. 占用CPU时间长,效率低,实时性不高(2)中断控制方式 效率高,实时性强 编程复杂,不易于调试.(3)DMA方式 速度快,不经过CPU. 需要DMA控制器及控制线,I：所有外设与CPU并行接口II: 并行口线不够，需要扩展III: 除ADC0804采用中断方式，CPU采用程序控制方式控制其它所有I/O设备。,2、通信方式选择,(1)并行方式(2)串行方式,为了减轻软件编程的压力,MCU的硬中断INT0,INT1空闲,3、驱动方式选择,H桥驱动直流电机采用PWM调速,键盘、显示就需要4*8=32位，所以必然扩展,二、I/O接口地址扩展,由于I/O设备不是太多：LED位选码需要一个373，LED段选码需要一个373，键盘输入、输出各需要一个373和244。总的芯片数量在可承受的范围内。,(1)并行扩展接口芯片？ 价格贵 系统更加复杂(2)要求不高，简单地使用数据锁存器的方法 输出接口：可用74373 输入接口：可用74244,(1)I/O独立编址方式 需要有专门的指令来区分(8088,IN,OUT). 单独的控制线信号(Z80,MREQ,IORQ;8088,M/IO)(2)I/O与存储器统一编址方式 占用存储器地址空间(M6800,51,96) 数据处理功能强,I/O和存储器可共用译码电路,I：所选MCU为89S52系列，因此必须I/O与存储器统一编址。II: 必须先计算I/O占用的51外部RAM地址范围。,三、I/O接口地址编码,1、I/O接口编址方式,为占用最少口线，LED采用动态显示；这样2组LED共需要8个位选（8位占1地址）。2组LED共用一个段码口线（8位占1地址）。键盘输出、输入各占用1地址，共2地址。ADC0804片选需要1地址。ADC0804扩展为8通道，需要8地址。,若不设计译码电路，共需要用8根地址线。则设计使用P2口（高8位地址）,2、本项目采用的I/O接口编址方式,(1)AD15给LED位选信号地址；（信号由MCU向LED写）(2)AD8给LED段码地址； （信号由MCU向LED写）(3)AD9给键盘行地址； （信号由MCU向键盘写，列扫）(4)AD10给键盘列地址； （信号由键盘列向MCU读）(5)AD11给ADC0804片选地址；（信号由MCU向0804写）(6)AD12，AD13，AD14给ADC0804扩展8通道预留地址；（信号由MCU向通道写）,由于没有外扩RAM，所以I/O占用外部RAM可以有很大范围，采用地址直接接口，省去译码电路。,2、本项目采用的I/O接口编址方式,MCU,4*4键盘2组4位LED显示,A/D转换,连续平滑给定（调速）,电流检测,PWM,驱动电路,测速反馈,电机,2、本项目采用的I/O接口编址方式,测速反馈需要对光电编码器脉冲进行计数，必然占用一个外部计数引脚。鉴于控制软件可能用到许多定时器，把T2分配给测速，因此测速脉冲分配P1.0；电机的PWM驱动分配P1.6。,电机PWM驱动及测速反馈？,(1)LED接口电路,位选码地址：1XXX XXXX B段选码地址：XXXX XXX1 B,位选码输出,段选码输入,3、I/O接口编址方式,键盘行输出地址：XXXX XX1X B键盘列输入地址：XXXX X1XX B,(2)键盘接口电路,键盘行输出,键盘列输入,3、I/O接口编址方式,(3)ADC接口电路,ADC读写地址：XXXX 0XXX BADC通道地址？,3、I/O接口编址方式,(4)ADC通道扩展电路,通道0地址：X000 0XXX B通道1地址：X001 0XXX B,3、I/O接口编址方式,4、硬件地址分配表,5、软件设计,（1）MCU资源分配 中断 定时器、计数器 时钟、串行口（2）语言选择 汇编语言 高级语言（C51）（3）任务模块化 流程图（4）实施,一、系统控制功能,（1）键盘给定：（键盘MCUPWM调节） 先按“0”，后键入4位数字，然后按确定键（A键），此时若给定选择（B键）为“键盘给定”则电机会按设定转速运行。,1、转速的设定,（2）电位器平滑给定：（电位器ADCMCU PWM调节） 给定选择（B键）为“电位器给定”则电机会按设定转速运行。,2、启动、停止、加速、减速,（1）启动：C键 （2）停止：F键 （3）加速：D键 （4）减速：E键,3、转速实时显示、监测,（1）给定值：第一组4位LED实时显示 （2）测速值：第二组4位LED实时显示,4、限流保护,当电流大于某个设定值时，转速降为0，也即PWM占空比为0.5，实现限流保护。,二、资源分配,三、语言选择,Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发环境；集编辑、编译、仿真于一体，支持汇编、PLM 语言和C语言的程序设计提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，界面友好，易学易用。,(1) 不需要了解51单片机的指令系统，仅仅要求初步了解存储器结构。(2) 程序有规范的结构，可分为不同的函数，使程序结构化。(3) 程序可读性好。(4) 提供很多标准库函数，数据处理能力强。(5) 程序易于做到模块化，移植性好。,C51语言的优势,C51存储类型与MCS-51单片机存储空间的对应关系,C51存储类型及其大小和值域,C51的存储模式,初始化,取键值,刷新显示,有键按下?,键处理,四、主程序框图,Y,N,转速控制 采用带转速单闭环的直流电动机调速系统。驱动电路 由三极管作开关元件的H桥组成。控制电路 主要包括转速给定、转速反馈、PI调节器、 PWM波形的产生。,五、闭环控制框图及算法（在T1中断里实现）,单片机应用系统是以单片机为核心，扩展外围芯片和电路，能完成一定任务的微机系统。 单片机具有体积小、成本低、抗干扰强、使用方便灵活等优点，已广泛应用于生产和科技等各个领域。,6、项目总结,1、确定系统控制方案，彻底了解控制对象和控制要求。 高速对象（电机调速、图像语音识别等）还是 慢速对象（温度、流量等过程控制）； 开环控制还是闭环控制； 等等。,2、确定控制算法，根据系统数学模型和控制要求，选择单片机的控制规律。 直流电机传动系统多用PID控制， 交流传动则除PID外，还用矢量变换控制； 温度调节等滞后系统多采用达林算法与施密斯预估算法等。,3、微机选型：综合考虑控制要求、经济条件等多种因素进行。 MCS-51系列单片机是8位高档机； 在要求更高的场合，应考虑采用MCS-96系列单片机； 对运算速度要求更高的场合，可考虑采用数字信号处理器（DSP）。,4、硬件设计：在系统控制方案的基础上，根据单片机本身的硬件资源，确定出整个系统的控制电路。 单片机片内的资