PLPC电机控制标准系统

1、黑龙江科技学院大学生科研基金工程设计说明书项目名称：基于P89LPC932的电机控制系统申 请 者：王洪磊组员：付强邓学岩.徐成宏指导教师：魅基于P89LPC932的电机控制系统编者按：运用P89LPC932的脉宽凋制功能实现对电机的恒转速控制，用外接键盘实现 对电机的速度输入，采用数字PID控制算法实现对电机的恒转速控制的选题是一个应届生 的毕业设计。直流电动机因苴良好的启动、制动性能，良好的机械特性，使得英在现代工业控制领域 得到了广泛的应用。自从PWM （脉冲宽度调制电路）引入到电机控制以后，给自动控制领 域带来了深刻的变化，PWM调速装苣在直流调速、伺服控制系统中得到了广泛的应用。纯硬

2、件的PWM系统，其硬件电路较为复杂，实现不易。而采用Philips公司新推出的 芯片P89LPC932,利用英内部本身自带的脉宽调制器能够很方便的实现对PWM波形的控 制。本系统中采用PWM控制器作为PWM控制器及微处理器，由他来实现以下的任务：1用外接键盘实现对电机的速度输入，能够实时给泄电机的转速。2设il一个测速装置由计数器0端口来测量电机的转速并经P89LPC932的串行口送 LED显示。3设计数字PID算法实现对电机的恒转速控制，即由键盘输入给左了电机的速度之后 在电机允许的范围之内，改变其负载的大小，电机的转速能够维持基本恒泄不变。第一章硬件电路的实现1.1概述本系统以P89LPC

3、932作为核心控制部件，外加一左的辅助电路来完成系统的预期任务 即电机的恒转速控制并送显示。利用英外接键盘作为电机的速度输入端，通过键盘输入转速 来输岀与之相对应的PWM波形。加以一定的驱动电路来驱动电机。利用磁铁和磁的霍尔传 感器的霍尔特性设汁一测速电路实时测量电机的转速。利用P89LPC932的串口送电机的实 测转速。设讣一数字PID调节器，通过数字PID算法实现对电机的恒转速控制。整体电路的原理框图如图1-1所示。图1-1整体电路原理框图图1-1电路中键盘输入数据是由P89LPC932实时扫描来实现的，一旦键盘输入新的数 据则立即送出新的与键盘输入数据相对应的相应占空比的PWM波形。因为

4、由P89LPC932 输岀的电压高电平仅为+3,输出电流仅仅为2MA左右，因此要驱动本系统中的12V小电机 必须将电流、电压加以放大，在本电路中采用功率三极管加以实现。测速电路是采用磁铁和 磁的霍尔传感器的霍尔特性来测量电机的转速的。显示电路用到了 P89LPC932的串行口， 由串行口送出电机的速度。在监控程序中，将电机的实测转速与通过键盘输入所确左的电机 应具有的给泄转速比较，一旦二者之间有偏差，马上调用数字PID算法进行纠正，改变PWM 波形的输岀占空比，使得电机的实际转速相给泄转速靠拢，从而实现电机的恒转速控制。关 于P89LPC932的介绍请见参考文献11.2输入电路为了实时给定电机

5、的转速，可以通过外接键盘来输入设定，具体电路如图1-2所示。图1-2速度输入电路由于用键盘输入转速和数字PID参数，所以需要的按键数目较多。因此键盘接口采用 行列式键盘接口，按键的识别方法采用线反转法。键盘的工作原理请见参考文献单片机原 理与应用。最终，由键盘输入数据大小来确左相应PWM波形的占空比，从而改变电机的转速。扫 描键盘程序中首先是判断键盘是否有数据输入。若有新数据输入则立即送出与输入数拯相对 应的PWM波形。只有在键盘没有数据输入的情况下，监控程序才会判断电机的实际测量转 速与键盘所输入的给泄转速是否相等，若二者有偏差，则必须调用数字PID算法来实现电 机的恒定转速控制。1.3驱动

6、电机电路因为在电机驱动系统中，主要是对P89LPC932输出的PWM波形进行功率放大，因此 首先必须要介绍一下P89LPC932自带的脉宽调制器的工作原理，详细说明请见参考文献LPC900系列Flash单片机应用技术（上册）。PWM4-129012在图1-3中，三极管9012的特性参数如下：Pcm=310MW, Icm=50MA, ut=18V, Uibroo =3V, Icbo=0.05MA Iceo=0.1|.lA. hFE =60103, fr =80MH乙Q0管为功率三极管，因为在书上找不到其资料的详细说明，只是在网络上找到了英资 料的简单说明，Q0管的型号为D880特性参数为140V

7、10A100W。因此采用此功率三极管 在本系统是足够的。Q1管9012作为基极驱动电路由于Q0管接成了射极跟随器的形式，Q0的发射极电压 跟随英基极电压的变化，由于其管压降的作用，当Ub=+12V时，Ue=11.4V,并且经过测量 我们知道其射极最大输出电流为60MA可以驱动本系统12V小电机的运行。D0为快速恢复二极管，型号为1N4148,作为电机的保护管，并且在功率三极管的射极 输出为低电平时，D0管又可以作续流二极管的作用，由于在其输出为高电平期间电机电枢 电感的储能作用，此时通过D0管使电机电流继续导通。1.4测速电路因为实验条件的限制，本次课题设讣所采用的测速电路是利用磁铁和磁霍尔传

8、感器的霍 尔特性来设汁岀来的测速电路，其中传感器型号为NJK-5002C,特性参数：NPN型，工作 电压U=636V （直流），输出电流I=200mA.原理图如图14所示。英中磁铁吸附在电机的 传动轴，当磁铁接近磁霍尔传感器时，霍尔传感器输岀0V否则传感器输出为+12V。由于霍 尔传感器输出的电流较小且电压过大，所以在霍尔传感器与单片机之间加了电流驱动和分压 电路。9013为NPN型三极管，英特性参数如下：Pcm=310MW, Icm=50MA, u（bocco = 18V, UiBREBo =3V, Icbo =0.05MA Iceo=0.1j.iA hFE =60103, fT =80MH

9、乙当电机转动时，磁铁会周期性的接近磁霍尔传感器，磁霍尔传感器就会输出一个连续的 方波信号，这个方波信号就可以作为P89LPC932的T0计数器的计数脉冲。图14测速电路原理图15显示电路为了送显示电机的转速，我们用到了 P89LPC932的串行通信口，为了送出待显示的笔画 码用到了其串行工作方式Oo芋I4I1 I I I I I I II I I I I I I II I I I I I I 1I I I I I I I 1S 5 一44-Q W M Th S 2 卜 乜00000B Y7 M S 2 r J 一m寸UJ.| 74LS164 - 一V0 iw的才 ssr- 乜00U乜kFno7

10、4LS164x co74LS164rao74LS164xco图1-8显示电路在显示电路中，利用74LS164 )位移位寄存器锁存需要送出的笔画码。74LS164是一种 串并数据输入并行或串行数据输出，可以异步复位的8位数据寄存器，常用做串并数据转换。 显示电路原理图如图1-8所示。采用串行接口电路来作为显示电路，占用口线资源少，编程简单，而且其硬件电路的实 现也不复杂。其中两位是控制转速，另两位是实际转速。第一章系统软件设计为了使系统发挥其最大的作用，并且为了以后更新换代升级的方便，在系统的硬件确宦 以后，必须有足够强大的且功能完善的软件来支持，一个系统有一个好的软件的支持，就好 比这个系统有

11、了一颗奔腾的芯”，能够很好的指导和协调硬件的工作，生生不息。本系统中的监控程序设计采用模块化的设计方法。多个功能模块的功能相互独立，又能 够互相调用，修改调试非常的方便。其资源分配都具有明显的表识符号，具有较强的可读性 性。2. 1主程序设计由于监控程序选择在左时器0中断服务程序中，主程序完成的任务相对简单。它只是完 成自检、初始化等工作而进入等待方式。经过实验发现PWM不能工作在休眠状态，当工作在 休眠状态时，PWM输出的电压几乎为0,其流程图如图2-1所示。1. 看门狗初始化为了防止系统死机，使系统能够更好的工作，通过串行编程对Flash的UCFG1寄存器的 WDTE位启动，立时装置必须泄

12、时得到软件淸除，以防止其溢岀使HCU复位，英初始化程序 如下：WDL=0xffaEA=0cWDC0N=0Xe5oWFEEDl=0XA5oWFEED2=0X5AoEA=lo装入8位倒计数器的新值/4096分频，看门狗振荡器作为时钟源，看门狗运行控制喂狗两条写入看门狗复位寄存器WDREST的命令要按照一泄的顺序进行，否则看门狗电路仍 然按照最初的设置直到溢岀。2. 左时器、计数器初始化包括设置工作方式，即对TM0D进行初始化.由于立时器、计 数器0的工作方式为工作方式1,英初始化程序如下：IEN0二0X88。/开全局中断和定时器1溢岀中断THOD二0X15。/定时器1、计数器0的工作方式都为1TH

13、1二0X15。/定时器设初值TLl=0Xa0oTH0=0.计数器淸零TL0=0cTR1二1。/泄时器启动TRO二1。计数器启动3. PWM初始化该系统用OCC也就是P89LPC932的第4脚所输岀的方波作电机的脉宽调制信号。PWM控 制信号的初始化程序如下：OCRCH 二 OXff。/输出比较OCRCL=OXffoTH2=0XFFoTL2二OXFF。/设泄 PWM 频率TOR2H=OXFFoTOR2L=OXFFoCCCRC二1。/非反向的PWM,在比较匹配时置位：在CCU立时器递减向下益岀时淸零TCR21=0X8Bo/写分频，锁TCR20二0X80。/置 PLLEN 等读出为一while(TC

14、R20!=0x80)o TM0D21=lo /启动PWM上时器4. 键盘扫描本系统采用线反转法进行键盘扫描，线反转法只需要两步便能获得所在的行列值，显得 十分简练。图2-1主程序流程图2. 2系统左时监控一个完整的系统都离不开对系统状态的监控，就象一个十字交通口.必须有红、绿灯来 指示车辆的正常通行，还要有电子眼监视违规车辆并记录。为了更好的协调软件，硬件个部 分正常工作，就必须对整个系统进行严密监控。本系统是有左时器1中断服务程序担任监控任务。但由于电动机是一种有惯性、有滞后 的环节，当电动机负载过大时，滞后就会更加明显，因此必须选择一个合适的监控扫描时间 这是至关重要的。如果每次的监控扫描

15、时间过长，会增大整个系统的调肯时间。时间过短, 滞后环节的影响来不及反应。经过多次的实验总结，监控扫描时间间隔1秒比较合适。即每 1秒对电机测速装置转换进行一次采样。并进行相应的处理，再经过数字PID调卩器调节来 实现电机的恒转速控制。英监控程序流程图如图2-2所示。图2-2圮时器1中断服务程序流程图第三章数字PID及其算法在模拟系统中，苴过程控制方式就是将被测参数，如温度、压力、成分、液位等由传感 器变换成统一的标准信号送入调节器，在调节器中，与给左值进行比较，然后把比较岀的差 值经PID运算送到执行机构，改变进给量，以达到自动调节之目的。这种系统多用电机(或 气动)单元组合仪表DDZ (或

16、QDZ)来完成。而在数字控制系统中，则是用数字调肖器来模 拟调卩器，其调巧过程是首先把过程控制参数进行采样运算处理，运算结果由模拟量输岀通 道输出，并通过执行机构去控制生产，以达到给定值。讣算机控制的主要任务是设计一个数字调肖器常用以下控制方法：1程序和顺序控制2比例积分微分控制(简称PID控制)调节器的输出是其输入的比例，积分，微分的函数。PID控制现在应用最广，技术最成 熟，苴控制结构简单，参数容易整左，不必求出被控对象的数学模型便可以调肖，因此 无论模拟调节器或数字调节器大都采用PID控制规律。3复杂规律的控制4智能控制3. 1 PID算法的数字实现PID调节是Proportional

17、(比例)、Integral (积分)、Differential微分三者的缩写， 是连续系统中技术最成熟，应用最广泛的一个调盯方式。PID调肖的实质是根据输入的偏差 值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以控制输出。在实际应用中， 根据被控对象的特性和控制要求，可以灵活的改变PID的结构，取其中的一部分的环节构成 控制规律，如比例(P)调节、比例积分(PI)调节、比例积分(PID)调节等。特别是在计 算机控制系统中，更可以灵活应用，以充分发挥计算机的作用。3. 1.1 PID算法的数字化在模拟系统中PID算法的表达式为P (t)二Kp e (t) +1/Ti f e (t) dt

18、+TD*de (t) /dt(31)式中，P(t)调节器的输岀信号：e(t)调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差；Kp调节器的比例系数；Ti调节器的积分时间；Td调节器的微分时间：由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。因此在 计算机控制系统中，必须首先对式(3-1)进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连 续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示：Fe(r)c/t = XE(j)Ar = TE(j)j=0j=0(32)(33)血(r)E(K)_E(K-L) _E(K)_E(K_B dT AtT将式(3-2)和式(3-3)代入式(3-1),

19、则可得到离散的PID表达式:T k丁P(K)=Kp(E(K) +丫 (J) + 守E(K)-EK-1)j=Q1(3-4)式中，t二T采样周期,必须使T足够小，才能保证系统有一泄的精度。E(K)-第K次采样时的偏差值。E(K-l)采样序号,K=0,1, 2.。P(K)-第K次采样是调节器的输出。由于式(3-4)的输出值与阀门开度的位置一一对应，因此，通常耙式(3-4)称为位宜型 PID的位置控制算式。由式(3-4)可以看出，要想讣算P(K),不仅需要计算上次与本次的偏差信号E(K)和 E(K-l),而且还要在积分项把历次的偏差信号E(j)进行相加，既这样，不仅计算繁琐，而且为动态保存E(j)还要

20、占用很多内洱?因此，用式(6-4)直接 进行控制很不方便。为此，我们做如下改动。根据递推原理，可以写出(K-1)次的PID输出表达式：半E(K-1) EK 2)(35)P(K 1) = KpE(K l) + ?f E(j) +7/ J=0用式(3-4)减去式(3-5)可得:P(K)二 P(K-l) + KpE(K)-E(Kl) + E(K)+心E(K)-圾K-1)+.E(K-?) (3_6)式中：积分系数1 微分系数由式(3-6)可知，要计算第K次输出P(K),只需知道P(K-l), E(K), E(K-l), E(K-2) 即可，比用式(3-5)简单的多。在很多的控制系统中，由于执行机构采用

21、的是采用步进电机或多圈电位器进行控制的, 所以，只要给一个增量信号即可。因此，把式(6-4)和式(6-5)相减，得到。AP(K)二 P(K)-P(K-1)二 KE(K)-E(K-l)+K,E(K)+KNE(K)-?E(K-l) + E(K-2)(37)式中，Ki, Kd同式(3-6) O式(3-7)表示第K次输出的增量?(!),等于第K次与第K-1次调肖器输岀的差值，即 在第K-1次的基础上增加(或减少)的量，所以式(6-7)又叫做增屋型PID控制算式。在位置控制算式中，由于全量输出，所以每次输出均与原来的位置量有关，为此这不仅 需要对e(j)进行累加，而且计算机的任何故障都会引起P(K)大幅

22、度变化，对生产不利。增量控制虽然改动不大然而却带来了许多优点：1. 由于计算机输出增疑，所以误动作影响小，必要时可以用逻辑判断的方法去掉。2. 在位宜型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输岀值等于阀门 的原始开度，即P(K-l),才能保证手动/自动无扰动切换，这将给程序设汁带来困难。而增 量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法容易实现手动/自动 切换。3. 不产生积分失控，所以容易获得较好的调节效果。增呈:控制因其特有的优点已经得到了广泛的应用。但是这种控制也有其不足之处：(1) 积分截断效应大有静态误差；(2)溢出的影响大。因此，根据被控对象的实际情况 加以选择。一般认为，在以晶闸管或侍服电机作为执行器件，或对控制要求较高的 系统中，应当采用位置型算法，而在以步进电机或多圈电位器作为执行器件的系统 中，则应采用增量式算法。第五章系统总体评价及改