直流调节PiD课程设计

1、【摘要】进入20世纪80年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对运动控制系统产生了很重要的影响，运动控制系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件控制转向软件控制，智能化的软件控制将成为运动控制系统的一个发展趋势。运动系统控制器的实现方式在数字控制中也在向硬件方式发展。在软件方式中也是从运动系统的外环向内环，进而向接近电动机环路的更深层发展。目前，运动系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。本文介绍了采用AT89C51作为控制器核心，晶闸管触发和转速测量等环节实现的全数字化的微机控制电动机双闭环调速系统。1.1课程设计的目

2、的计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它不仅需要微型机控制理论，程序设计方面的基础知识，而且还需要具备一定的生产工艺知识。设计包括确定控制任务，系统总体方案设计，硬件系统设计，控制的软件设计等，即便是学生掌握微型计算机控制系统设计的总体思路和方法。1.2设计内容及要求1） 直流电机型号：Z2-41型 额定功率Pe=18kW；额定电压Ue=220V 额定电流Ie=94A;额定转速ne=1000r/min 回路电阻R=0.45欧姆电机时间常数T1=0.0297s电机时间常数Tm=0.427s电动势系数C=0.2059/（r.min-1）晶体管PWM放大器；工作频率：2kHz；工作方式

3、：H型双极性直流电压源：264V2） 主要技术指标：调速范围01000r/min电流过载倍数：1.5倍速度控制精度：0.1%(额定转速时)3） 主要要求； 电动机控制电源采用晶体管PWM功率放大器，其占空比变为00.51是，对输出电压为-2640+264，为电机最大电流25A，速度检测采用光电编码器（光电脉冲信号发生器），且其输出的A B两项脉冲经光电隔离后获得每转1024个脉冲角度和信号。电流传感器采用霍尔电流传感器，其原副边电流比为1000：1，额定电流50A。采用双闭环（电流环和速度环）控制方式。2 系统总体方案设计2.1数字控制双闭环直流调速系统原理 TA基于8051的PWM产生电路A

4、SRACR驱动电路.M光电解码2.2数字控制双闭环直流调速系统硬件结构根据系统原理我们设计了数字控制系统硬件结构如下图所示：3.1主电路主电路有二极管整流其UR，PWM逆变器UI和中间电流电路三部分组成，一般都是电压源性的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。为了避免大电容C在通电时产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻，通过电源是，先限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入时影响整流电路的正常工作，并产生附加损耗。当脉宽调速系统的电动减速或停车，贮存在电机的负载传动部分的动能将变成电能，并能通过PWM变换器回馈给直流电源。根据二极管的最大整流平均I

5、f和最高反向工作带电压Ur分别应满足：If>1.1*Io(AV)/2=54.5（A）调节器按照“先内环后外环”的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先涉及电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，在设计转速调节器。电流调节器如下： Kf/S（TS+1）/（TfiS+1）（1/R）/T×S+1Ks/Ts×S+1Kpi（1+1/is）Tl=Ti=0.0297s Tei=0.0005s Tsmax=1/2000=0.0005s T=0.001sTs=Tsmax=0.0005s Kl=500 Ki=KlTiR/*(Ks)=28校验近似条件 电流环截

6、止频率：Wci=KI=500脉宽调制变换器传递函数近似条件Wci<=1/(3Ts)1/(3Ts)=1/(3*0.00025)=666.67>500=Wci可见，满足近似条件。转速环的参数设计（Ton×S+1）1/（Ton×S+1）Kpn/（1+nS）1/（2T+1）R/C×Ton×S3.3驱动原理图3.4调节器的离散化 经过前面的调节器参数得到模拟式的电流，转速调节器，在微机数字控制系统中采样频率足够高时，可以先按模拟系统设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到控制的离散化算法，这就是模拟调节器的数字化。 数字控制器采用PI调节算法，不仅

7、可以对系统偏差尽心比例调节，而且可对偏差进行微分，因而提高了系统的控制精度和抗外界干扰能力，模拟调节的PI算式为:U(t)=Ke(t)+1/Tie(t)dtKp-比例系数E（t）-时刻偏差，为测量值和给定值之差Tt-积分时间常数 在数字式控制中，由于采用数字计算，要对给定值和反馈量进行采样，因此要对上述算法进行离散化，得到适用于数字控制的PI算式：U（n）=Kpe(n)+1/Tie(j)T式中U(n)-第n次采样后算得的调节器输出；E（n）-第n次采样算得的偏差T-采样周期n-采样序号上述算式计算出的是第n次采样后，控制器书的数字量，叫位置式算式。从式中用增量可得到数字化增量式算式：U(n)=

8、Kpe(n)-e(n-1)+Kie(n)式中U(n)-第n次采样后增量E（n）-第n次采样后偏差值E（n-1）-第n-1次采样后的偏差值Ki=Kp×T/Ti-积分系数PI控制算法：Ui=Ui-1+Kp(ei-ei-1)+(Kp*T/Ti)*ei令P=Kp I=Kp*T/Ti)eiT采样周期 Ti=RnCn Kp=Rn/R0四 程序流程图四 工作寄存器0组RO-R7 00H-07H数据缓冲区 30H-7FHPSW.4（RS1=0） PSW.3(RS0=0) ；选中工作寄存器0组P0口地址 80H P1口地址 90HP2口地址 A0HP3口地址 B0H堆栈（SP） 81H定时器/计数器控

9、制 TCON 88H定时器/计数器方式控制 TMOD 89H定时器/计数器0 低字节 TL0 8AH 高字节 TH0 8CH定时器/计数器1 低字节 TL1 8BH 高字节 TH1 8DH中断1PI采样（ui）中断0A/D采样 P1口预置 W P0口测量值（实测Y）主程序：0000 AJMP STARTSTART： CLR PSW.4 CLR PSW.3 ；选中工作寄存器0组 CLR C MOV R0 ，4FH MOV A ，30HCLEAR1： CLR A INC A DJNZ R0 ，CLEAR1 ；清零30-7FH SETB TR0 ；定时器/计数器0工作 MOV TMODE ，#01H

10、 ；定时器/计数器工作在方式1 SETB EA ；总中断开放 SETB IT0 ；置INTO为降沿触发 SETB IT1 ；置INT1为降沿触发LJMP MAINLJMP CTCOLCALL SAMPLE Fosc=12MHZ，用一个定时器/计数器定时50ms，用R2作计数器，置初值14H，到定时时间后产生中断，每执行一次中断服务程序，让计数器内容减1，当计数器内容减为0时，则到1s。PI控制算法:Ui=Ui-1+Kp(ei-ei-1)+(Kp*T/Ti)*ei令P=KP I=KP*T/T I则Ui=Ui-1+P(ei-ei-1)+I*eiT采样周期 Ti=RnCn Kp=Rn/R0PI程序：

11、SETB EX1 ；开放中断1MOV R0，90H ；P1口（W）送R0,预设MOV R1，80H ；P0口（Y）送R1，实测MOV A，R0 ；W给AMOV B，R1 ；Y给BSUBB A，B ；ei给AMOV 7FH，A ；ei 给7FHMOV 7EH，#00H ；ei-1=0给7EHMOV 7BH，Umax MOV 7AH, UminAJMP IN ；积分项AJMP P ；比例项MOV A，R2 ；Pi给AADD A，R3 ；Pi+Pp给AMOV 7DH，#00H ；Ui-1=0给7DHADD A，7DH ；Ui-1+Pi+Pp=Ui给AMOV 7CH,A ；Ui给7CHMOV 7DH，

12、7CH ；Ui给Ui-1MOV A，7BH ；Umax给ACJNE A，#Ui，LOOP2 ；UiUmax转移MOV A，#UiCJNE A，7AH，LOOP3 ；Ui<Umin转移MOV 90H，7CH ；输出Ui到P1口LOOP2：MOV A，7CH ；Ui给ACLR CSUBB A，#UmaxRETILOOP3：MOV A，7CH ；Ui给A CLR C SUBB A，#Umin RETIIN： MOV 6FH，#I MOV A，6FH ；I给A MOV B，7FH ；ei给B MUL AB ；Pi=I*ei给A MOV R2，A ；Pi给R2 RETIP： MOV 6EH，#P CLR C MOV A，7FH ；