基于最小拍控制的直流

1、 计算机控制技术课程设计报告题目 基于最小拍控制的直流伺服电机控制系统设计授课教师 盖宁 学生姓名 张松松 学 号 201000804063 专 业 10级电科教学单位 物理系 完成时间 2013年7月6日目 录摘要11总体方案设计22直流电机的建模和数字控制器设计22.1直流电机模型的建立22.2最小拍数字控制器设计23硬件的设计和实现.33.1系统总体设计思路33.2系统模块3输入模块43.2.2反馈节53. 2.3显示块53.2.4控制器的计53. 3相关电路的设计或方案6软件设计与调试74.1开环状态测试74.2闭环状态测试75设计总结8参考文献9附录：系统硬件整体电路图9摘 要近年来

2、由于微型机的快速发展，国外交直流系统数字化已经达到实用阶段。由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。所以微机数字控制系统在各个方面的性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛。本文介绍的是用一台26KW的直流电动机，8051单片机构成的数字化直流调速系统。特点是用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件设备。最后进行软件编程、调试以及计算机仿真。实时控制结果表明，本数字化直流调速系统实现了电流和转速双闭环的恒速调

3、节，并具有结构简单，控制精度高，成本低，易推广等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，从而能够实际的应用到生产生活中，满足现代化生产的需要。关键词：单片机 双闭环 直流调速系统 数字方式1、总体方案设计在数字随动控制系统中，要求系统的输出值尽快地跟踪给定值的变化，最小拍控制就是为满足这一要求的一种离散化设计方法。所谓的最小拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，且闭环脉冲传递函数有以下形式：式中，N是可能情况下的最小正整数。这一形式表明闭环系统的脉冲响应在N个采样周期后变为零，从而意味着系统在N拍之内达到稳态。但是最小拍控制器有其局限性：1、最小拍控

4、制器对典型输入的适应性较差。一种典型的最小拍闭环脉冲传递函数只适应一种特定的输入而不能适应于各种输入。2、最小拍控制器的可实现性问题。对于某些对象的脉冲传递函数，如:那么所设计的闭环脉冲传递函数中必须含有纯滞后，且滞后时间至少要等于被控对象的滞后时间。否则系统的响应超前于被控对象的输入，这在实际中是实现不了的。3、最小拍控制的稳定性问题。在选择时必须有一个约束条件（稳定性条件）D（z）的零点和G（z）的不稳定极点能够完全对消。2、直流电机的建模和数字控制器设计2l直流电机模型的建立直流电机转速相对于输入电压的传递函数模型：式中：机械时间常数，电气时间常数。选取一商流电动机，其铭牌参数为：额定电

5、压U。=220V，额定电流L=lO.2A，额定转速m=3246ra挑额定输出功率m=2.0kw，电动机轴上的转动惯量J=0.082Js，则直流电机转速相对于输入电压的传递函数模型为： 上式为最小拍控制仿真的直流电机模型。22最小拍数字控制器设计直流电机计算机控制系统框图如图1所示。图1中受控对象为直流电机，数字控制器为用计算机编程实现的最小拍控制。数字控制系统在典型的时间域输入信号(例如阶跃输入、速度输入、加速度输入等)的作用下，经过有限个采样周期(也称有限个拍)，输出信号的稳态误差为零，且在尽可能少的有限个数目的采样周期，稳态误差为零。这种设计方法也称为最小拍设计，用这种方法设计的数字控制系

6、统称为最小拍控制系统。系统的连续-时间受控对象是Gp(s)，输入信号为r(t)，输出响应信号为y(t)，误差信号为e(t)，则有。图l是典型的单位反馈数字控制系统。图l直流电机计算机控制系统以Ts为采样时间间隔。数字控制器D(z)的输入信号为e(KT。)，输出信号为U(KTl)，则U(KTI)为控制信号。U(KL)输入至零阶保持器，零阶保持器输出u(t)是一个分段连续的时间信号，作为受控对象的输入信号。将图l中受控对象连同其前面的零阶保持器的脉冲传递函数定义为G(z)，定义闭环传递函数M(z)，则中：R(z)一输入序列；Y(z)一输出序列，由上式解出最小拍无波纹控制器公式为设计数字控制系统时，

7、必须考虑物理可实现性和稳定性，满足物理可实现性和稳定性的限制条件“。根据这些条件选择闭环传递甬数M(z)，误差传递函数1一M(z)，G(z)等，使得所设计的数字控制系统在有限个采样周期内，对特定类型的输入信号的作用，输出的稳态误筹为零。3、硬件的设计和实现3.1系统总体设计思路80C31单片机属于基本型的51系列单片机，它采用HMOS工艺，片内集成有8位CPU；片内驻留128字节的RAM以及21个特殊功能寄存器；片内还包括两个16位定时器/计数器、一个全双工串行I/O口（UART）、32条I/O线、5个中断源和两级中断，寻址能力达128K字节（其中程序存储器ROM和数据存储器RAM各64K字节

8、）。指令系统中设置了乘、除运算指令、数据查找指令和位处理指令等。主时钟频率为12MHz，大部分指令周期只需1s，乘除指令也仅需4s。3.2系统的外围模块3.2.1输入模块80C31外接27128EPROM作为16K程序存储器，存放全部控制软件。用两片74LS374和四个PNP中功率三极管以动态扫描方式驱动四位LED数字，以显示转速、设定速度、电流等数据，两片74LS374采用线选法与80C31接口，地址分别为0DFFFH和0BFFFH。在80C31的P3口上外接三个按键，一个为启动/停止键，用于启动或停止电机运转；另两个为显示选择键，一个用于控制显示速度设定值，另一个用于控制显示电流值，不按这

9、两个键时，显示实际电机转速。另外利用一片74LS374的多余输出线，外接两个LED发光管，一个用于显示工作正常与否，它每隔1秒闪亮一次；另一个用于显示是否处于运行状态。1.按键部分键盘及接口电路的设计有以下两种方案：方案一：直接使用IO口的键盘连接电路。由于80C31的IO口具有输出锁存和输入缓冲的功能，因而他们组成键盘电路时，可省去输出锁存器和输入缓冲器，键位的列线、行线直接分别与单片机中接口相连。方案二：利用IO口和译码器的接口连接按键电路。将键盘的4根列线与译码器相连后由译码器74LS374三根口输入单片机，可以节省IO口。于本设计所需要的按键总数较少，我们采用方案一，按键电路我们采用4

10、×4矩阵式键盘电路。2.键盘扫描方式的方案选择：方案一：采用定时扫描方式。此扫描方式每隔一段时间对键盘扫描一次，通常利用单片机内部定时器，产生10ms的定时中断，CPU响应定时器溢出中断请求，对键盘进行扫描，以响应键盘输入请求。方案二：采用中断扫描方式。此扫描方式是在键盘上有键盘合上时才产生中断请求，CPU响应中断，执行中断服务程序，判断键盘上闭合键的键号，并作出相应的处理。方案三：采用循环扫描方式。次扫描方式就是在主程序中一直在扫描键盘，只要有键按下，就响应键盘请求，求取键值。经综合考虑，本设计选择方案三即循环扫描方式。因为本设计的程序并不复杂，采用循环扫描可以很好的响应键盘输入，

11、并不影响其他功能的实现。3.2.2反馈环节反馈环节是本设计实现最小拍控制必不可少的部分，由测量元件(速度传感器)对被控制对象(电机)的被控参数(速度)进行测量，送给控制器CPU，控制器将测量信号(实际速度量)与给定信号（速度量）进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号驱动执行机构(伺服电机控制电源)工作，使被控参数(实际速度量)与给定信号（位移速度量）保持一致。本设计中，电机的转速会以一个方波的形式从电机上输出，相当于一个编码器的作用。方波的频率和电机的转速成线性关系，所以在程序中设计一个频率计，就可以很好的测得当前的电机转速，从而反馈给控制器进行调节。3.2.3显示模块显示模块有以

12、下两种设计方案：方案一：采用LCD(1602液晶显示屏)来显示电机的设定值。方案二：采用LED数码管显示电机的设定值。本设计采用的是方案一。因为用LCD显示界面更友好，只要对相应的显示驱动程序有一定的了解就能完成显示功能，节省CPU的资源。如果用LED数码管显示，就需要用多位的动态扫描方式，这样的设计既浪费CPU资源，同时界面显示效果并不理想。3.2.4控制器的设计在系统任务书中我们得知系统的传递函数为：其中： =1.8， =0.15，K =100，控制算法选用最小拍控制 。通过Z变换得到脉冲传递函数为：用单位阶跃输入得到控制器传递函数为：由于是单位阶跃输入所以其中的最后通过计算得到uk=0.

13、0027e(k)-0.0044e(k-1)+0.0016e(k-2)+1.4368u(k-1)-0.4368u(k-2) 3. 3相关电路的设计或方案根据设计任务的要求，要实现对电机的调速，只要对加在电机两端的电压进行调节。我们先确定了一个方案，先是用一个二极管整流桥将接入的220V交流电整流为直流，再用一个buck电路实现对加在电机两端电压的调节。对于调速的实现通过一个外加电位器控制对buck电路的触发脉冲的调节来实现对电机电压的调节。对于电机转向的控制，可以用四个IJBT 运用触发脉冲来实现对电机正反转的控制。 图3主电路图 图4 整流电路 整流采用二极管整流，输入电压为220V交流电，输

14、出电压为198V。电感L和电容C的值取经验值。 这部分电路的主要功能是通过控制触发脉冲的高低来实现对电机正反转的控制当1的脉冲为高电平时，电机正转，为低电平时电机反转。通过控制四个IJBT的开通和关断，来实现对加在电机两端电压的正负的转换，这个电路还应加上保护电路，和缓冲电路保证在电压换相时不会出现短暂的高电压和高电流冲击。4、软件设计与调试通过单片机软件设计，本系统主要完成的功能是，通过键盘输入目标的电机转速，系统通过最下拍控制器调节使电机的转速达到设定值。这其中还包括设定值的显示，和电机转速的采集，以及电压信号的输出。4.1开环状态测试开环状态下，未在系统中加入闭环，通过键盘我们给定电机一

15、个预期转速值。确定之后，电机在初始状态以很大的扭矩驱使电机转动，随着电机转速实际值渐进给定值时，单位时间内转速的增加值慢慢增大，但是没有超调量，最后达到无静差状态。这样的调节时间比较长。图6中断程序流程图4.2闭环状态测试通过对电机转速的测得，系统实现了闭环控制。这样我们通过键盘设定一个目标值，电机会通过最小拍控制器对电机的工作状态进行调节。从而达到预期的控制效果。加入闭环后，系统的调节时间减小了，但是出现了一定的超调。通过MATLAB仿真可以直观的看到控制效果。开始系统初始化（I/O口，LCD，中断）光标闪烁，等待输入目标值并确认判断是否有键按下判断按键功能判断输入值是否在范围内光标闪烁，等

16、待输入目标值并确认LCD显示“input ERR”N 非A键Y A键 N Y 图7系统的主程序流程图5设计总结通过两周的计算机控制系统课程设计，我认识到计控课程设计是对计算机控制系统知识的验证，可以帮助我们理解巩固所学知识，激发我们对实现一个可控系统的兴趣，更锻炼了我们独立思考、开拓创新的能力。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。对于最小拍算法控制直流伺服电机的设计，其硬件电路是比较简单的，在MATLAB里面我们可以很好的仿真。最大的问题主要是解决程序设计中使用最小拍算法的问题，程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。这次课程设计，我们了解了课程设计的一般步骤和设计中应注意的问题，同时我们也掌握了做设计的基本流程，为我们以后进行更复杂的设计奠定了坚实的基础。设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。设计的结果不是最重要的，设计的过程最值得回味，设计的思想中的每一个环节，设