微机调速实验指导书

1、微机控制调速课程简易实验指导书姜宏伟 中原工学院 2009.8-10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PID

2、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： 2.位置式数字PID算法公式3.增量式数字PID算法公式 4.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，Ra=0.05，Ld=2mH，假设负载及电动机转动总惯量GD2=125kgm2，则：

3、传递函数为利用Matlab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): 0.1217 z + 0.112-z2 - 1.736 z + 0.7788 Sampling 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uk，输出转速状态为yk。则5.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

4、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=0.001ssys=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=1:100 time(k)=k*ts;%时间参数 r(k)=500;%给定值

5、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)220 u(k)=220; end if u(k)=0 u(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);endhold on;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

6、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1：4.程序中可加入如下语句if k50 r(k)=400; elser(k)=800;end然后观察连续调速时图形变化的情况。 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：Protues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

7、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、1 C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

8、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Proteus从开始菜单中，运行程

9、序，如图： 图1：2.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3：4.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。 图4：5.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）。 图6：6.使用keil C或wave软件编写汇编

10、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

11、流电动机PWM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2：PWM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

12、,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。 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。#include sbit PWM=P10;unsigned int TT;unsigned int TT1;unsigned int TT2;unsigned char T1H10;unsigned c

13、har T1L10;unsigned char T2H10;unsigned char T2L10;#define Pinlv 500; /PWM频率unsigned char sudu=5; /速度变量void main() unsigned char i; 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

14、T1Li=TT1%256; T2Hi=TT2/256; /低电平时定时器装入时间 T2Li=TT2%256; PWM=1; /高电平 TMOD=0x01; /定时器0工作方式1 TH0=T1Hsudu; /TT1 TL0=T1Lsudu; TR0=1; /开定时器0 EA=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()interrupt 1 /产生PWM波 if (PWM=0) PWM=1; /高电平 TH0=T1Hsudu; /TT1 TL0=T

15、1Lsudu; else PWM=0; /低电平 TH0=T2Hsudu; /TT2 TL0=T2Lsudu; void int0()interrupt 0 /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。 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PWM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

16、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1：L298外形及管脚图 图2：L298仿真模型L298N可接受标准TTL逻辑电平信号，9管脚接4.57 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围为2.546 V。输出电流可达2.5 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发

17、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1：L298逻辑功能ENAIN1IN2电机状态0XX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

18、波生成方法与上一实验方法相同。四、实验内容1.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 char T1H;unsigned char T1L;unsigned char T2H;unsigned char T2L;bit PWMBJ;void main() unsigned int pinlv=1000; unsigned int TT; unsign

19、ed int T1; unsigned int T2; 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; EA=1; ET0=1; TR0=1; P20=1; /正反转控制 P21=0; while(1);void timer0()interrupt 1 /定时器0中断程序 if (PWMBJ=1) PWMBJ=0; P24=0; TH0=T2H; TL0=T2L; els

20、e PWMBJ=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Proteus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 per revo

21、lution）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)2. 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。 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 2.编制电机控制

22、及转速测量程序#includesbit P20=P20;sbit P21=P21;sbit P24=P24;unsigned char T1H;unsigned char T1L;unsigned char T2H;unsigned char T2L;bit PWMBJ;unsigned int T; /信号脉冲周期void delay(); /延时void main() unsigned int pinlv=1000; unsigned int TT; unsigned int T1; unsigned int T2; float zkb=0.9; unsigned char sudu;/转

23、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0 IT0=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= s

24、udu%10; delay(); void int0()interrupt 0 /信号脉冲周期测量 T=TH0*256+TL0; TH0=0; TL0=0;void timer1()interrupt 3 /PWM波控制 if (PWMBJ=1) PWMBJ=0; P24=0; TH1=T2H; TL1=T2L; else PWMBJ=1; P24=1; TH1=T1H; TL1=T1L; void delay() /延时 unsigned int i=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

25、程按图3。 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。 图4：电动机调速控制原理图 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com2通讯。 图7：VB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

26、验六：步进电机控制Proteus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

27、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/(68T) 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122000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）。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。 图：2

28、.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。#include unsigned int THTL;unsigned char TH;unsigned char TL;unsigned code pai=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09; /0001 0011 0010 0110 0100 1100 1000 1001 四相8拍unsigned char paishu=0;/拍计数 unsigned char sudu=180; /速度1-254,该数值越大，则速度越小。unsigned char sudush

29、u=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1 TH0=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IT1=1; while(1)P2=sudu; /P2口显示速度数void timer0() interrupt 1/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

30、(sudushusudu) /定时计次 sudushu=0; paishu+; if (paishu7) paishu=0; P1=paipaishu; /换拍 void bt0()interrupt 0 /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。 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Proteus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

31、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，

32、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。定子磁动势图6-3：定子磁动势产生转子磁动势定子磁动势图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01XX101X010XX010X1正转时X变化100110011001正转切换相A+B-C+B-C+A-B+A-B+C-A+C-反转时X变化011001100110反转切换相C+A-B+A-B+C-A+C-A+B-C+B-3.无刷直流电动机驱动三相无刷