直流电机转速计算机控制系统设计

1、计算机控制技术课程设计（论文）题目：直流电机转速控制系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化学 号：学生姓名：指导教师：起止时间：课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化号 学化 自?i目 俯题流 直课程设计论文>任务右： 雀 转 单加忆 定 灿通 示 额 一、一yL F ? 祢血 応!； 。 W 要人60劇 单 上KV 十俞隹 致 青 IA 2 妇的速 ， 切FP2 攵 控制并 输 序 加 V % 纳 灿恂亍 ，柑 M3620 附H江 泌 權 说 压 于 、 应 稳 0 久 计 电 小 求 乏的速 D 设 定 量 要n规转 咕 P ; 额 调 快 常机W昌计

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3、仿撰答指导教师评语及成绩日月 希年 指辩昔:轨 时 成 平 总摘要在运动控制系统中， 电机转速控制占有至关重要的作用， 其控制算法和手段有很 多，模拟 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，长期以来形成了典型的结构， 并且参数整定方便， 能够满足一般控制的要求， 但由于在模拟 PID 控制系统 中，参 数一旦整定好后， 在整个控制过程中都是固定不变的， 而在实际中， 由于现场的系统 参数、温度等条件发生变化，使系统很难达到最佳的控制效果，因此采用模拟 PID 控制器难以获得满意的控制效果。 随着计算机技术和智能控制理论的发展， 数字 PID 技术渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟 PID 所

4、完成的控制任务，而且具备控制算 法灵活、可靠性高等优点，应用面越来越广。本文章介绍了由 51单片机以及直流电机、矩阵键盘、 LCD 和传感器构成的转速 闭环控制系统。 其中传感器负责对电机转速进行测量， 并将测量的结果反馈给控制中 心，并由控制中心将之和设定值进行比较得到偏差， 再由偏差产生直接控制作用去消 除偏差。文章不但介绍了基于单片机的转速控制系统的软件设计， 还涉及了硬件设计 方法。文中介绍系统不但可以实现手动控制，还有无人值守，自动调速功能。关键词：直流电机 闭环控制 单片机 矩阵键盘 LCD目录第 1 章 绪论 1第 2 章 课程设计的方案 22.1 概述. 22.2 系统组成总体

5、结构 . 2第 3 章 硬件设计 33.1 控制器 . 33.2 测速发电机 . 33.3 A/D转换和D/A转换器 33.4 晶闸管整流控压 33.5 键盘模块53.6 显示器53.7 整体结构原理图 6第 4 章 软件设计 74.1 主流程设计 74.2 按键功能部分 84.3 PID 控制部分 84.4 参数确认 94.5 LCD显示部分 10第 5 章 实验试验结果 11第 6章 课程设计总结 12参考文献 13部分程序 14第1章 绪论直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源， 常用的可控直流电源有以下几 种:第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过

6、改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。 但缺点是效率低、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代 末，出现了发电机电动机 （也称为旋转变流组 ），配合采用磁放大器、电机扩大机、 闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等。特别是当电动机减速时，可以通过发电机非 常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网， 这样，一方面可得到平滑的制动特性， 另一方面又可减少能量的损耗， 提高效率。 但发电机电动机调速系统的主要缺点是 需要增加两台和调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因

7、而体积设备较 多、体积大、费用高、效率低、安装需要地基、运行有噪声、维修困难等。第三，自 出现汞弧变流器后， 利用汞弧变流器代替上述发电机电动机系统， 使调速性能指标 又进一步提高。 特别是它的系统快速响应性是发电机电动机系统不能比拟的。 但是 汞弧变流器仍存在一些缺点 :维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成 一定的危害等。第四， 1957 年，世界上出现了第一只晶闸管，和其它变流元件相比， 晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。 由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸 管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可

8、靠性有所提高， 而且在技术性能上也显 示出很大的优越性。 晶闸管变流装置的放大倍数在 10000以上，比机组 （放大倍数 10） 高 1000 倍，比汞弧变流器 （1000）高 10 倍;在快速响应性上，机组是秒级，而晶闸管变 流装置为毫秒级。 因此，目前在直流调速系统中， 除某些特大容量的设备而且供电电 路容量较小的情况下， 仍有采用机组供电、 晶闸管励磁系统以外， 几乎绝大部分都已 改用晶闸管相控整流供电了。随着微电子技术的发展， 微机功能的不断提高以及电力电子、 计算机控制技术的 发展，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。计算机的发展可 以使复杂的控制规律较方便的实现， 以计算

9、机为核心的数字控制技术成为自控领 域的主流， 也给直流电气传动的发展注入了新的活力， 使电气传动进入了更新的 发展阶段。第2章课程设计的方案2.1概述本次设计主要是综合应用所学知识， 设计直流电机转速控制系统设计，并在实践 的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“微型计算机控制技 术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型控制系统设计的基本方法。2.2系统组成总体结构图2.2是基于单片机的转速控制系统的基本组成方框。 主要由测速发电机，电机, 矩阵键盘，LCD（ 12864）,单片机（89C51）组成。测速发电机输出电压的大小反映 机械转速的高低，并将该模拟量入如 A

10、/D转换器，转换成数字信号给单片机。单片 机89C51是该系统的核心部分，一方面负责计算电机的转速，另一方面将计算得到 的转速和设定转速相比较，经过计算处理，得到相应的控制信号，并用该信号传入 D/A转换器，再传入晶闸管调压器控制控制电压从而控制电机转速。通过键盘可以设定工作模式（通过输入设定转速，单片机自动控制电机转速，使其接近设定值）设定 转速。由单片机检测哪一个按键按下，实现设定值的修改，并通过LCD实时显示设定值以及测得转速。图2.2系统框图第3章 硬件设计3.1 控制器采用 AT89 C51 作为系统控制的方案。 AT89C51 单片机算术运算功能强，软 件编程灵活、自由度大，可用软

11、件编程实现各种算法和逻辑控制。相对于 FPGA 来 说，它的芯片引脚少，在硬件很容易实现。并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟 和成本低等优点，在各个领域中应用广泛。3.2 测速发电机采用 ZYS 型直流测速发电机，直流测速发电机在结构上和普通小微型直流发电 机相同，通常是两极电机，分为他励式和永磁式两种。他励式测速发电机的磁极由铁心和励磁绕组构成， 在励磁绕组中通入直流电流便 可以建立极性恒定的磁场。 它的励磁绕组电阻会因电机工作温度的变化而变化， 使励 磁电流及其生成的磁通随之变化，产生线性误差。永磁式测速发电机的磁极由永久磁铁构成， 不需励磁电源。磁极的热稳定性较好， 磁通随电机工作温度

12、的变化而变化的程度很小， 但易受机械振动的影响而引发不同程 度的退磁。3.3 A/D转换和D/A转换器该模块 A/D 转换选用 ADC0809 是 M 美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8 通道， 8位逐次逼近式 A/D 转换器。其内部有一个 8通道多路开关， 它可以根据地址 码锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。是目前国 内应用最广泛的 8位通用 A/D 芯片。DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 转换集成芯片。和微处理器完全兼容。这个 DA 芯 片以其价格低廉、 接口简单、 转换控制容易等优点， 在单片机应用系统中得到广泛的 应用。D/A转换

13、器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换 控制电路构成。3.4 晶闸管整流控压本设计采用三相全控桥式整流电路， 由一组共阴极接法的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的三相半波可控整流电路串联而成。如图3.4所示。三相全控桥式整流电路要求用双窄脉冲触发，即用两个间隔60。的窄脉冲去触发晶闸管。产生双脉冲的方法有两种，一种是每个触发电路在每个周期内只产生一个脉冲，脉冲输出电路同时触发两个桥臂的晶闸管， 这叫外双脉冲触发； 另一种是每个触发电路在一个周期内连续发出两个相隔 60°的窄脉冲，脉冲输出电路只触发 一个晶闸管，这称为内双脉冲触发。内双脉冲触发是目前应用最多

14、的一种触发方式。本设计采用KC04和KC41C组合的触发电路如图所示触发电路。KC41CA1KC04一BKC04KC04f屮屮临U U %环舌341 KC04和KC41C组成的全控桥触发电路3.5 键盘模块本次设计中采用的 4*4 的非编码键盘。矩阵式非编码键盘的电路原理图如图 3.4 所示。当没有键按下时，行线和列线之间是不相连。若第 N行第M列的键被按下， 那么第 N 行和第 M 列的线就被接通。如果在行线上加上信号，根据列线的状态，便 可得知是否有键按下。 如果在行线上逐行加上一个扫描信号 （本实验中用的低电平） ， 就可以判断按键的位置。 常用的按键识别有两种方法： 一种是传统的行扫描

15、法； 另一 种是速度较快的线反转法。本实验中采用的是线反转法进行识键。键盘在单片机系统中是一个很重要的部件。 为了输入数据、 查询和控制系统的工 作状态，都要用到键盘，键盘是人工干预计算机的主要手段。键盘可分为编码和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件线线路来实现键盘编码， 每按下一个键，键盘能自动生成按键代码，键数较多，而且还具有去抖动功能。这种 键盘使用方便，但硬件较复杂， PC 机所用的键盘就属于这种。非编码键盘仅提供按 键开关工作状态，其他工作由软件完成，这种键盘键数较少，硬件简单，一般在单片 机应用系统中广泛使用。3.6 显示器液晶显示模块（LCD12864）由于其具有功耗低、无电磁辐射

16、、寿命长、价格低、 接口方便等一系列显著优点， 被广泛应用和各种仪表仪器、 测量显示装置、 计算机显 示终端等方面。 12864 汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置 8192 个中文汉字（ 16X16 点阵）、 128 个字符（ 8X16 点阵）及 64X256 点阵显示 RAM（ GDRAM ）。主要技术参数和显示特性 :电源：VDD 3.3V+5V（内置升压电路，无需负压）；显示内容：128列X 64行显示颜色：黄绿显示角度： 6： 00 钟直视LCD 类型： STN和 MCU 接口： 8位或 4位并行/3位串行配置 LED 背光 多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符

17、、睡眠模式等3.7整体结构原理图整体原理图如图3.7所示:Ir】|1.1<fl二三三3.7整体原理图第4章软件设计4.1主流程设计在一个完整的系统中，只有硬件部分是不能完成相应设计任务的， 所以在该系统 中软件部分是非常重要的，按照要求和系统运行过程设计出主程序流程如图4.1所示。图4.1主流程图4.2按键功能部分该部分首要任务是判定到底是哪个按键按下，然后实现对应功能。如果是11号键按下，则工作模式设定为自动模式，可以通过09的数字键来更改设定速度，由单 片机通过PID算法来控制电机转速接近设定值。如果是12号键按下，则工作模式设定为手动模式，可以通过09的数字键来直接控制电机转速。4

18、.3 PID控制部分如图4.3给出了数字PID增量控制算法的流程图，利用增量控制算法也可得出位 置控制算法，即u(k) u(k 1) u(k) q0e(k) qk 1) q2e(k 2)，这便是位置型 控制算式的递推算法，其流程和增量型算法类似，稍加修改即可。离线计算q0, q1，q2将A/D结果赋给y (k)求 e( k)=r ( k)-y( k)被控对象图4.3 PID控制算法流程图计算控制增量 u(k)4.4参数确认G(S)k0(T1S 1)(T2S 1)TI =0.1T2=0.06 得通常取 Y°(tJ 0.3Y°(), 通常取 Y°(t2) 0.7Y0(

19、),t2 t1(0.1S 1)(0.06S 1)ti 0.18st20.45sToln1y°(t1)ln1y°(t2)t2nln1y°(t1) h In1 y°(t2)ln1 y°(t1) ln1 y°(t2)1.20b 0.3567t20.8473根据上式确认T。,。T0 =0.58s=0.159s求得数字PID调节器控制参数1Kp 1.35( /T0) 0.27 1.4K02T1 T025( E)°.5( 5)0.09610.6( /T0)0.37( /T0)Td T000.1510.2( /T0)据上式确认数字PID调

20、节器控制参数4.5 LCD显示部分其工作流程为先向 程图如图4.5所示。入口发送命令延时LCD发送控制命令，再传送待显数据，最后刷新屏幕。其流发送数据延时显示返回图4.5 LCD显示函数流程图第5章实验试验结果通过实验室试验，输入已经确定的 Kp=1.4, T1=0.096, Td=0.15得到如图5.1所示-控制系載比即卩 厂 枳分 Tig 0.096 微分 Td|sJ 0J5设定奮数一注=开始后请发送参数前屏后屏图5.1实验图像超调量=297/2000=14% 小于20%符合设计要求开始第 6章 课程设计总结这次课程设计结束， 感谢辽宁工业大学给我这个锻炼的机会， 感谢王老师给的指 导。刚

21、开始做设计的时候觉得无从下手， 后来通过老师的指导慢慢的进入了状态， 看 书查找资料，在实验室做实验， 过程中出现了很多的问题， 经过老师和同学的帮助终 于克服了。参考文献1 赵新民智能仪器设计基础哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009 : 42-562 程德福.智能仪器.北京：机械工业出版社,2009.9:101-1303 张毅刚.单片机原理及接口技术M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2007 :55-664 胡文金.单片机应用技术实训教程.重庆：重庆大学出版社,2005:5-21 梁森.自动检测技术及应用.北京：机械工业出版社,2009:32-33部分程序PID 算法程序#include

22、<C8051F020.H>#include <string.h>#include <math.h>/void PIDInit(PID *PP);/* 定义结构体和公用体 */#define N 8typedef struct PIDunsigned int setpoint; /*设定值 */ unsigned int proportion;/*比例系数 */unsigned int integral;/* 积分系数 */unsigned int derivative;/* 微分系数 */unsigned int lasterror;/* 前一拍误差 */u

23、nsigned int preerror;/* 前两拍误差 */PID;union stu unsigned int value;unsigned char num2;laser;union datunsigned char dd2;unsigned int number;collect;/* 函数声明部分 */unsigned int PIDcal(PID *pp,int thiserror); void PIDInit(PID *PP); void PortInit(void);unsigned int get_ad(void);unsigned int filter_valve(void

24、); void Delayms(void);/* 主函数部分 */ void main(void) PID vPID;/* 定义结构体变量名 */unsigned int verror; unsigned int Error;unsigned int tempi;unsigned char LASERH,LASERL; /* 误差的高低字节变量 */WDTCN=0xde;WDTCN=0xad;/portinit();PIDInit(&vPID);vPID.proportion=10; /* 设置 PID 比例系数为 10*/ vPID.integral=10; /*设定 PID 积分系

25、数 为 10*/ vPID.derivative=10; /* 设定 PID 微分系数为 10*/ vPID.setpoint=50; /* 根据实际情况设定 */IE= 0x80;while(1) verror=filter_valve(); /* 得到 AD 的滤波输出值 */ Error=vPID.setpoint-verror; /* 得到误差值 */ tempi=PIDcal(&vPID,Error); /* 调用 PID 算法函数 得到误差增量 */laser.value+=tempi;LASERH=laser.num0; /*value 和 num2 为共同体，变量名为

26、laser*/LASERL=laser.num1; /* 存放高低字节 */*PID 算法函数，返回误差增量 */unsigned int PIDcal(PID *pp,int thisError)unsigned int pError,dError,iError;/* 增unsigned int templ; pError=thisError-pp->lasterror; iError=thisError; dError=thisError-2*(pp->lasterror)+pp->preerror; templ=pp->proportion*pError+pp-&

27、gt;integral*iError+pp->derivative*dError; 量计算 */pp->preerror=pp->lasterror; /* 存放误差用于下次运算 */ pp->lasterror=thisError;return (int)(templ>>8);已知 A B 角为锐角 SIN(A+B)=14 分之 5倍根号 3 */ /*求 COSB*/*测量值 */*float measure(void) /* COSA=1/7 /*long float value;/*float A,B;A=acos(1/7);B=asin(5/14)

28、*sqrt(3)-A;if(0<A<pi/2)&&(0<B<pi/2) return cos(B); */*得到 ADC 转换值 */ unsigned int get_ad(void) while(AD0INT=0);AD0INT=0;collect.dd1=ADC0H;collect.dd0=ADC0L;return (collect.number);void Timer3_ISR(void) interrupt 14TMR3CN=0x7f; /AMUX0SL=0x00;AD0BUSY=1;void Timer3_Init(unsigned char Highcounts,unsigned c