三闭环电机控制系统设计

1、摘要 本文以详细阐述了MCS-8031为控制芯片，所构成的三闭环直流调速系统，三闭环即转速环，电流环，位置环。包括8031单片机控制电路、复位电路、振荡电路、速度给定电路、光电码盘测速测位置电路、PWM波驱动H桥电路等；在软件的实现上采用PID控制算法模拟ASR,ACR环的作用，并给出程序流程图和具体程序设计。 关键字：单片机 直流调速 PID算法第一章系统结构4第二章硬件设计5第一节 8031的介绍和ROM扩展5第二节 驱动电路6第三节 给定输入电路7第四节 增量式光电脉冲编码器测速位置7第五节霍尔传感器测电流9第六节转速显示电路9第七节 时钟振荡器和复位电路10第八节 电源电路11第三章系

2、统软件设计13第一节PWM波产生13第二节给定速度程序设计15第三节转速测定17第四节位置测量18第五节 电流测量程序19第六节 速度显示程序19第七节PID控制算法20总结26参考文献27第一章 系统结构电子技术的高速发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术进入一个新的阶段。采用单片机控制的调速系统，其控制方案是依靠软件实现的，控制器由可编程功能模块组成，配置和参数调整简单方便，工作稳定。本系统设计为三闭环调速，即包括电流环，转速环，位置环。测速及位置用固定在主轴上的光电码盘产生脉冲信号，脉冲信号送入8254计数芯片计数，再传输到单片机计算，

3、M/T法可计算出即时速度。这个速度与设定的速度进行比较，得出差值。MCS8031对这个差值进行PID运算，得出控制增量，即用单片机，PID算法实现模拟电路ACR,ASR的功能。计算出PWM输出的占空比，去控制H桥驱动电路，其输出驱动直流电动机。系统硬件结构如下图所示： 速度给定PWM驱动光电脉冲计数，转速位置反馈电机霍尔传感器测电流，电流反馈单片机（速度位置电流测量计算）单片机（PID运算控制）转速显示第二章 硬件设计 硬件设计部分主要包括了，8031芯片的ROM扩展，I/O口的扩展设计，振荡电路和复位电路，H桥驱动电路，给定输入电路，光电编码器测速、测位置电路，霍尔传感器测电流电路，稳压电源

4、电路， 第一节 8031的介绍和ROM扩展 本设计采用mcs-8031 单片机8031单片机是Intel公司生产的MCS-51系列单片机中的一种，除无片内ROM外，其余特性与MCS-51单片机基本一样，。其结构图如下：管脚功能介绍：P0：1.外部扩展存储器时，当做数据总线2.外部扩展存储器时，当作地址总线3.不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 P1口:只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。 P2口：1.扩展外部存储器时，当作地址总线使用 2.做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻； P3口： 除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊

5、功能，由特殊寄存器来设置。 ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。 在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。从这里我们可以看到，当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟

6、，或者外部定时脉冲使用。由于无rom,所以必须外接扩展存储器芯片，所以我们采用了外接一个EPROM2764,其具有8kb容量，2764有正常和编程两种工作方式，vcc接+5v,编程电源在编程时接+5v,连接图如下：74LS373是输出有三态门的锁存器，当使能端C为高电平时，锁存器的数据输出端Q的状态与与数据输入端D相同，当C端从高电平返回到低电平时，输入端的数据就被 锁存在锁存器中，数据输入端D的变化不再影响Q端输出。ALE与C端相连,起地址锁存作用。第二节 驱动电路基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动。直流

7、电机控制使用H桥驱动电路，当PWM1为低电平,通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5导通，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q2、Q3同时导通，Q4导通，从而实现电机反向转动以及转速的控制。第三节 给定输入电路运用A/D转换芯片将滑动变阻器的模拟电压转换为数字量作为控制直流电机速度的给定值，采用了ADC0809芯片。其连接电路图如下：由于外接存储器，单片机ALE输出为单片机的频率1/12，约为1Mhz，所以需加一个D锁存器，进行二分频，因为ADC0809的最高时间频率不得高于640khz。第四节

8、 增量式光电脉冲编码器测速位置光电式编码器直接与电动机主轴连接，当电动机转动时，带动码盘旋转，输出一系列的脉冲信号。增量式编码器在码盘上均匀刻着一定数量的光栅，当电动机旋转时，码盘随之一起转动，可通过光栅的作用，持续不断地开放或封闭光通路，因此，在接收装置的输出端便得到了频率与转速成正比的方波序列，从而得以计算转速。上面为光电编码器输出脉冲后，由于输出脉冲电平很小，所以经过运放放大后，再经过电平比较器LM339整形，输出与计数器8254所能接收的+5V电平。脉冲从6口输出。为了获得转速的方向，可增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4，刚两组脉冲序列A和B的相位相差90

9、度，正转时A相超前B相，反转时B相超前A相。BA正转时 1.鉴别转向电路 可以采用一个D锁存器，A脉冲通入D端，B脉冲通入clk这样，当正转时，Q=1,反转时，Q=02.脉冲计数电路 将A，B通入与门后，再输入到8254计数芯片计数 第五节 霍尔传感器测电流 霍尔器件分为霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时需将霍尔电压进行放大，而后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在一起，如差分放大器，射极跟随器，其输出伏级电压，可直接使用ADC0809进行转换。本设计采用了霍尔元件，所以需要加上滤波放大电路，由于电机电枢电流有一定的脉动，添加一个采样保持环节，如图示H为霍尔元件。 第六

10、节 转速显示电路LED数码管的基本组成是半导体发光二极管，它是将若干个发光二极管，按照一定的笔段组合起来构成的一个整体。LED数码管能显示09十个数字及部份英文字母。它由8个发光二极管组成，其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个发光二极管在整个数码管的右下角，用来显示小数点。根据8个发光二极管的不同连接形式，可以将LED数码管分成共阳极和共阴极两种。将8个发光二极管的阳极都连在一起的称之为共阳极LED数码管；将8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED数码管。本设计采用了数码管动态显示，这是单片机中应用最为广泛的一种显示方式一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划&quo

11、t;a,b,c,d,e,f,g,dp "的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。   透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数

12、码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠，而且功耗更低。 连接电路图如下如示，PA是8255芯片扩展口，共阴极接法，74ls138为三八译码器第七节 时钟振荡器和复位电路单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，晶体振荡器接18，19脚，外部时钟振荡器和电容C1，C2构成并联谐振电路，连接在XTAL1.XTAL2脚 两端 内部振荡电路 复位电路 第八节 电源电路电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出

13、的79××系列。78XX,XX就代表它所输出的电压值，能降低电压4-5V三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。有时在数字78或79后面还有一个M或L，如78M12或79L24,用来区别输出电流和封装形式等，其中78L调系列的最大输出电流为100mA，78M系列最大输出电流为1A，78系列最大

14、输出电流为1.5A。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。本电源模块把220V的交流电转换成低压交流电，然后进行整流滤波，并用7805和7815稳压成所需要的5V和15V的直流电源，供给电机和整个系统。第三章 系统软件设计软件具有1个循环主程序，子程序分别为：转速给定子程序，AD转换子程序，速度测定子程序，PID算法子程序，速度显示子程序，Time0溢出中断服务子程序，产生需要的PWM波信号第一节 PWM波产生使用单片机来控制直流电机的变速，一般采用调节电枢电压的方式，通过单片机控制PWM1，PWM2,产

15、生可变的脉冲，这样电机上的电压也为宽度可变的脉冲电压。根据公式U=aVCC其中：U为给定电压；a为脉冲的占空比（0<a<1）；VCC直流电压源，这里为5V。电动机的电枢电压受单片机输出脉冲控制，实现了利用脉冲宽度调制技术（PWM）进行直流电机的因为在H桥电路中，只有PWM1与PWM2电平互为相反时电机才能驱动，也就是PWM1与PWM2同为高电平或同为低电平时，都不能工作，ZKB1Pwm1Pwm2ZKB2实际占比空应该为，ZKB=ZKB1-ZKB2。在课设的编程中，我们把PWM波的周期定为1ms，占空比分100级可调(N最大值为100)，这样定时器T0每0.01ms产生一次定时中断，

16、每100次中断后，进入下一个PWM波的周期。该子程序流程图计数器T0置数，每0.1ms中断一次打开计数器T0计数器T0溢出转入中断服务程序保存现场ZKB1减1ZKB1=0?PWM1=0PWM2=1ZKB2=0?PWM1=1PWM2=0NYNY关计数器T0输入PWM1占空比ZKB1返回返回返回ZKB2减1 主程序部分 中断子程序 PWM1 EQU P1.0PWM2 EQU P1.1N EQU R0 ;N用来设定每个pwm周期中断次数ZKB1 EQU R1 ;正向占空比ZKB2 EQU R2; 反向占空比ORG 0000HSJMP MAINORG 0002HAJMP T0INTMAIN: CLR

17、TR0 MOV TMOD #02H;T0,定时器，方式2 MOV ZKB1 n MOV ZKB2 N-n ;占空比由给定设定 MOV TH0, #156 MOV TL0,#156 ;定时器每0.1ms产生一次中断 SETB EA SETB ET0 SETB TR0 ; 开启T0计时T0INT: DJNZ ZKB1,PW1 DJNZ ZKB2,PW2 RET1PW1: CLR PWM1 SETB PWM2 RET1PW2:SETB PWM1 CLR PWM2 RET1第二节 给定速度程序设计此模块采用通过调节可变电阻，改变输入的电压值，ADC0809把模拟信号转化成数字信号，进而去调节电机的转速

18、工作点，因此此模块的重点就在编程驱动模数转换芯片读取数字信号。ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位清零，下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。采用中断方式读取转换到的数字信号。流程图如下所示：初始化选通INT-0通道，置ALE=1，给START脉冲，启动A/D转换A/D转换

19、结束，EOC=1中断申请执行中断服务程序结束给定A/D转化子程序保存现场清除中断标志置OE=1读取AD转换数值返回中断服务子程序相应的汇编程序如下:_ST EQU P3.6_EOC EQU P3.2_OE EQU P3.7DATA_AD EQU 3000HORG 0000HSJMP MAINORG 0003HAJMP PINT0MAIN: SETB EA ;允许总中断STEB EX0 ;开INT0中断SETB _OESETB _ST ;置OE START 为低电平CLR P2.7MOV DPTR,#07FFFH ;选中ADC0809MOVX DPTR,A ;启动A/D转换 PINT0: CLR

20、 _EOC MOV DPTR ,#7FFFH MOVX A, DPTR ;读取AD转换数值 CALL DELAY MOV DATA_AD,A ;数值存储 30H单元 DELAY: MOV R5,#02H L1: MOV R6,#0E0H L2: DJNZ R6，L2 DJNZ R5,L1 RET第三节 转速测定 m/t法测速综合了m法与t法的长处，既记录测速时间内码盘输出的脉冲数m1，又检测同一时间间隔内高频时钟脉冲数m2。设高频时钟脉冲的频率为f0，则测速时间。习惯上转速常以每分钟转数来表示，则电机的转速可表示为:式中，z为电机每转一圈所产生的脉冲数(z=倍频系数×码盘光栅数)，

21、具体测速方法：在系统中，使用8254计数器，计数器T1,ALE引脚输出的高频脉冲f0，进行mt法测速。8254传感器输出脉冲进行计数，可设计数值为N1,利用方式0计数,使用单片机的T1定时器测高频脉冲的时间Tt,先往T1置数，确定计数时间，当计数溢出时，中断处理，停止8254的计数，并读出当前计数器值N2,则M1=n1-n2,时间Tt由T1初值确定M2。 流程图如下： 初始化8254初如化T1启动T1 8254开始计数T1溢出，转入中断服务处理程序保存现场8254停止计数，读出当前计数器值，得M1计算转速n并存储恢复现场返回结束 主程序部分 中断程序第四节 位置测量 位置测量，同样由光电脉冲传

22、感器输出脉冲计算转角，设初始位置为a,电机转一圈的脉冲数为n1,当计数总数为n时，位置为n/n1取余数，位置为（a+余数/z*360） 第五节 电流测量程序 电流的测量与给定输入的程序基本一样，不同的是，霍尔传感器输出的电压模拟量接ADC0809的INT-1引脚，需置A2 A1 A0 = 001,选通INT-1通道后，再启动ADC. 第六节 速度显示程序 在本单片机系统中，八段数码管直接与单片机连接的，采用软件编码动态扫描的方式进行工作，字形表是通过对字形的编码，由软件实现，由八段数码管实现字符的显示。根据测量的转速值，向八段引脚中赋予软件编码值，在打开片选引脚使其显示在数码管中，延时一段时间

23、，再关闭片选端，为下一数码管的显示做准备。 ADDR_A EQU 8FFFH ; 8255A口地址ADDR_K EQU 0BFFFH; 8255A控制字地址DISPLAY: MOV DPTR,#ADDR_K MOV A,#80H MOVX DPTR , A ;设置控制字 MOV A,R0 ;显示转速千位数字 MOV DTPR,#ZXM MOVC A ,A+DPTRMOV DPTR,#ADDR_A MOV DPTR, #8FFFH; 选中8255A口 CLR P1.0 ;译码选中LED CLR P1.1 CLR P1.2 MOV DPTR,A ;显示MOV A,R1 ;显示转速百位数字 MOV

24、DTPR,#ZXM MOVC A ,A+DPTRMOV DPTR,#ADDR_A MOV DPTR, #8FFFH; 选中8255A口 SETB P1.0 ;译码选中LED CLR P1.1 CLR P1.2 MOV DPTR,A ;显示MOV A,R3 ;显示转速十位数字 MOV DTPR,#ZXM MOVC A ,A+DPTRMOV DPTR,#ADDR_A MOV DPTR, #8FFFH; 选中8255A口 CLR P1.0 ;译码选中LED SETB P1.1 CLR P1.2 MOV DPTR,A ;显示MOV A,R4 ;显示转速个位数字 MOV DTPR,#ZXM MOVC A

25、 ,A+DPTRMOV DPTR,#ADDR_A MOV DPTR, #8FFFH; 选中8255A口 SETB P1.0 ;译码选中LED SETB P1.1 CLR P1.2 MOV DPTR,A ;显示上面测量的转速，其二进制数为16位数，可通过循环减法实现多字节的除法，将转速的千位，百位，十位，个位存储在R0,R1,R2,R3单元，显示程序如下第七节PID控制算法3.1过程控制的基本概念过程控制对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。一、 模拟控制系统 图5-1-1 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使

26、操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。 控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。二、 微机过程控制系统 图5-1-2 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可。三、 数字控制系统DDC 图5-1-3 DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。由于计

27、算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。3.2 模拟PID调节器一、模拟PID控制系统组成 模拟PID控制系统原理框图二、模拟PID调节器的微分方程和传输函数PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。 1、PID调节器的微分方程 式中 2、PID调节器的传输函数 三、PID调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、积分环节：主要用于消除静差

28、，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。3.3 数字PID控制器一、模拟PID控制规律的离散化模拟形式离散化形式二、数字PID控制器的差分方程式中 称为比例项 称为积分项 称为微分项三、常用的控制方式 1、P控制 2、PI控制 3、PD控制 4、PID控制 四、PID算法的两种类型 1、位置型控制 2、增量型控制 3.4 PID算法的程序流程一、增量型PID算法的程序流程1、 增量型PID算法的算式 式中，2、增量型PID算法的程序流程 二、位置型PID算法的程序流程 1、位置型的递推形式