毕业设计-数字空控制PWM双闭环直流调速系统设计说明

1、数控PWM双闭环DC调速系统设计目录摘要如今，自动控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而DC调速作为电气传动的主流，在现代化生产中发挥着重大作用。本文主要研究基于数字控制的PWM双闭环DC调速系统，该系统主要由控制部分(89C52)、螺栓闭环和DC电机三部分组成。长期以来，DC电机以其调速灵活、方法简单、调速容易平滑、控制性能好而在传动领域占据主导地位。随着微机技术的飞速发展，它在控制领域得到了广泛的应用。本文研究了基于微机控制的闭环可逆DC PWM调速系统。从DC调速系统的原理出发，逐步建立闭环DC PWM调速系统的数学模型。编制微机硬件和软件，实现对电机的精确控制，用单片机控制电

2、机，实现电气自动化。基于89C52单片机，主要实现键盘输入、数码管显示、PWM产生等功能，还可以实现码盘的测速和DA处理。关键词:DC调速，数字控制，脉宽调制，双闭环，89C52单片机，8279键盘显示设计任务设计:实现数控PWM双闭环DC调速。主要电路设计如下:电机运行主电路、双闭环控制器、89C52单片机最小系统及PWM产生电路、8279键盘及其显示电路、测速及报警电路、AD/DA转换电路。参数计算:电路中电阻和电容的值，电流调节器ACR中Ki和Ci的确定。设计要求:DC汽车公司的基本数据如下:系统设计总体方案:在电机运行主电路的基础上，通过控制PWM的占空比来实现电机的正转、反转和速度控

3、制。双闭环包括电流环和速度环。通过不断检测电流和速度，然后与给定值比较，就可以控制电机。作为单片机系统的控制核心，它主要采集AD反馈的信息，以及码盘输入的信息和按键的信息。然后，做出相应的回应。本设计主要是关于89C52单片机、双闭环和电机主电路的设计。三、单元电路的设计:电机主电路的设计；图1电机运行的主电路该电路为三相桥式不可控整流电路，其输入为三相交流AC1、AC2和AC3。通过桥式整流，转换成直流电。电路中的平波电抗器和电容主要起滤波作用，使其在最低负载(Id=Idim)下与电机在连续段的机械特性上共同工作。G1，G2，G3，G4是IGBT开关设备。通过控制它们，实现了电机的速度控制。

4、在本设计中，PWM主要用于控制它们。其中，四个二极管D7D10为续流二极管，用于防止负载电流突变，平滑电流和续流。设计选用的IGBT管型号为SGH80N60UFD，其参数如下:电子管类型:NMOS场效应管极限电压VM:600v；极限电流im:80 a；耗散功率P:195 W；额定电压u:220v；额定电流I: 45aACR模拟电流调节器(PID)的具体设计；模拟调节器的控制规律；U(t)是调节器输出，e(t)是调节器误差输入，KP是调节器比例增量。是调节器的积分时间常数和微分时间常数。这种设计仅用PI调节器就能满足要求。a)电流回路参数计算确定时间常数:1)整流装置后的时间常数Ts可查表得到:

5、Ts = 0.0017s；选择调节器的结构:计算电流调节器参数:：检查近似条件:满足大概调整。满足设计要求。b)电流调节器的设计电路图如下:图2电流环路调节器3.ASR数字调节器(PID)的具体设计:PI调节器是电气传动自动控制系统中最常用的控制器。在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以按照模拟系统的设计方法设计调节器，然后离散化，得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。PI调节器时域表达式:其中Kp= Kpi是比例系数，KI =是积分系数。该方程被离散成差分方程，第k拍的输出为:(*)其中，Tsam是采样周期数字PI调节器有两种算法:位置算法和增量算法:公式的位置算法也就是公

6、式(*)表示的差分方程。该算法的特点是比例部分只与当前偏差有关，而积分部分是系统所有过去偏差的累加。位置PI调节器结构清晰，P和I的作用明确，参数调整简单明了，但需要存储更多的数据。增量PI调节器算法；PI调节器的输出可通过以下公式获得:把最后一拍的输出值保存在电脑里就行了。类似于模拟调节器，在数字控制算法中，需要限制u的幅值，这里只需要在程序中设置幅值限制值Um，当u(k) Um时，幅值限制值Um作为输出。当不考虑限制时，位置算法和增量算法是相同的，但当考虑限制时，它们略有不同。增量式PI调节器算法只需要输出限幅，而位置算法必须同时设置积分限幅和输出限幅，缺一不可。算法流程:图3数字PI调节

7、器程序框图4.单片机及其接口电路的设计。(1)1)89c 52的介绍:本设计采用89C52单片机作为控制芯片，功能丰富，使用简单。具体功能如下:兼容MCS51指令系统，8k可重复擦除( 1000次)ROM，32个双向I/O端口，256 x8位部分RAM、三个16位可编程定时器/计数器中断、时钟频率0-24 MHz，2个串行中断，可编程UART串行通道两个外部中断源，总共六个中断源。两条读写中断线路，三级加密位低功耗空闲和省电模式。软件设置睡眠和唤醒功能。(2)8279键盘及其显示电路:图4.8279键盘及其显示电路A)8279的功能:DB0DB7:双向数据总线。在CPU和8279之间传输数据和

8、命令。CLK:8279系统时钟，100KHz是最好的选择。复位:复位信号，输入线，当RESET=1时，8279复位，其复位状态为:16位字符显示，扫码键盘-双按键锁定，程序时钟码1。CS:片选信号，低电平有效。A0:区分信息的特征位。当A0=1时，读取状态标志位或写命令；当A0=0时，读写通用数据。:读取控制线。RD = 0，8279将向外部总线发送数据。:写控制线。WR = 0，8279将从外部总线捕获数据。IRQ:中断请求输出线，高电平有效。在键盘操作模式下，当FIFO传感器的RAM中有数据时，为“1”，CPU每次读取都变为0，如果RAM中仍有数据，IRQ再次变为“1”。在传感器的工作模式

9、下，无论传感器矩阵在哪里变化，IRQ都会为“1”。SL0SL3:扫描按键开关或传感器矩阵和显示器，可处于编码模式或解码模式。RL0RL7:回复输入线，为键盘或传感器的列(或行)信号输入线；平时保持为“1”，当矩阵节点上的一个按键(开关)闭合时，变为“0”。移位:移位信号输入线，高电平有效。通常用来扩展按键开关的功能，可以作为键盘的上下功能键。在传感器模式和门控模式下，移位无效。CNTL/STB:控制/选通输入线，高电平有效。通常用于扩展按键开关的控制功能，作为控制功能键使用。输入模式选通时，该信号的上升沿可以将RL0RL7的数据存入FIFO/RAM；在传感器模式下，该信号无效。OUTA0OUT

10、A3:动态扫描显示的输出端口(高四位)。OUTB0OUTB3:动态扫描显示的输出端口(低四位)。BD:消隐输出线，低电平有效。当切换显示或使用显示消隐命令时，显示被消隐。B)B)8279和89C52之间的连接879和89C52的很多信号都是兼容的，可以直接连接，非常方便。879的8位数据线(DB0DB7)直接连接到89C52的端口P0。RD和WR直接与89C52的读写信号(RD和wr)相连。89C52的数据锁存信号ALE接8279的CLK，其部分时钟信号是经过部分分频后产生的。879的中断请求信号(IRQ)由一个反相器反相，然后由89C52反相。879的三个可寻址寄存器只需要两个地址，即命令/

11、状态寄存器地址和数据寄存器地址。879中与地址相关的信号是A0和CS，它们的连接直接决定了寄存器的地址。硬件电路确定后，寄存器的地址就确定了。C)74LS154:它是一个4线-16线解码器。当选通端(G1，G2)都处于低电平时，地址端(ABCD)的二进制码可以在相应的输出端被编码并在低电平被转换。如果G1和G2之一用作数据输入，输出通过ABCD寻址，74LS154也可以用作1线至16线数据分配器。引脚功能介绍:a、B、C、D解码地址输入(低电平有效)G1和G2门(低电平有效)0-15输出(低电平有效)74LS154对应真值表:图5 74LS154真值表d)键盘工作原理:键盘采用行列式键盘，通过

12、扫描判断按键是否按下。当CBA=000时，此时Key1处于低电平，S1、S3、S5的右端.电路中的S15键处于低电平。如果S1被按下，RL0处于高电平，变为低电平，从而确认S1被按下，其他按键的确认也是如此。当CBA=001时，Key2处于低电平，key S2的右端，S4，S6.S16处于低水平。检测原理与Key1相同。e)数码管显示原理:本设计采用普通阴极数码管。当cs1、cs2、cs3.电路中的cs8处于低电平时，数码管将开始工作。当数码管的A、B、C、D、E、F、G、H接相应的高电平时，相应的二极管就会点亮，不同的组合会形成不同的显示模式。当cs1、cs2、cs3.cs8分别给定低电平，

13、有一个很短的时间延迟(肉眼无法分辨的时间延迟)，可以形成数码管的动态显示。74LS164:74LS164是一个8位移位寄存器。当清零端(CLEAR)为低电平时，输出端(QA-QH)都为低电平。串行数据输入(A，B)可以控制数据。当A或B是 HYPERLINK ./%20%20%20%20:/%20%20%20%20838dz%20%20%20%20/ t _blank low level，禁止新的数据输入，在时钟脉冲上升沿的作用下，Q0处于低电平。当A和B中的一个为高电平时，允许另一个输入数据，CLOCK的上升沿决定Q0的状态。时钟:时钟输入清除:同步清除输入(低电平有效)a、b:串行数据输入

14、Qa-qh:输出端子89C52单片机产生PWM图6单片机产生的PWM和光电隔离电路通过89C52微控制器中的定时器，设置时间间隔，不断反转高低电平形成PWM波，P2.0脚为PWM波。然后，通过光电隔离器实现隔离。然后通过OP07放大电路放大，可以满足电机主电路中IGBT导通三倍左右，从而控制电机。PWM1可接图1中的G1、G4，PWM2可接图1中的G2、G3，通过单片机对PWM的控制来控制电机转速。光耦合器(OC)简称光耦合器。光耦合器使用光作为传输电信号的介质。对输入输出电信号有很好的隔离作用。其主要优点是信号传输单向，输入输出完全电隔离，输出信号对输入无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点

15、，使用寿命长，传输效率高。光耦的使用不仅实现了电气隔离和绝缘，而且减少了电机运行对单片机的影响，有利于单片机对电机的精确控制。AD/DA设计:A)DA设计:单片机对采集到的信息做出响应后，需要将数字量转换成模拟量，才能被外部电路接收。这时候就需要进行DA转换了。下面这个电路就是把单片机的数字量转换成外部模拟量的电路！图7 DA转换电路TLV 5638: TLV 5638是TI公司的12位D/A转换器。它有两个输出通道，数据传输接口为三线式串行接口，可直接与常见的微控制器或微处理器相连。每次传输由帧中的16位数据组成，包括4位控制命令字和12位输出数据。这个设计只需要一个通道！TLV5638引脚

16、功能描述: DIN:串行数据输入 SCLK:串行接口时钟输入 /CS:片选信号输入，低电平有效。 outa:通道a的模拟电压输出 AGND:模拟地面 REF:模拟基准电压输入/输出 outb:通道b的模拟电压输出 VDD:电源(2.7V5.5V)数字量的转换由单片机编程实现，输出Ui*的周长为0-5V。B)AD设计:外部电路的模拟量要被计算机接收，必须转换成数字量。这需要一个AD转换电路。下面是将外部电路中的模拟量转换成数字量的电路:图9 AD转换电路5.电源电路设计:a)正负12V电压的设计电路图如下:图10交流220V至正负12V电源以上电路实现了AC220V变成正负DC12V电源的电路。

17、首先降压变压器把AC220V变成AC16V，然后通过桥式整流，变成DC。然后经过滤波后，通过三端集成稳压块，将压降稳定在正负12V，可供其他运算放大器或芯片使用。B) +5V电源电压设计电路图:图11交流220V至+5V电源该电路的设计原理与正负12V基本相同，唯一不同的是三端稳压器LM7805。M/T速度测量和报警指示:代码拨号接入电路和报警指示图:图12速度测量电路和报警电路在闭环伺服系统中，根据脉冲数测量转速的方法有三种:(1)测量在指定时间产生的脉冲数，得到被测转速，称为M法测速；(2)测量两个相邻脉冲的时间来测量速度称为T法测速；(3)同时测量探测时间和脉冲发生器发出的脉冲数来测量速

18、度的方法称为M/T法。上述三种测速方法中，M法适合测量更高的速度，可以获得更高的分辨率；t法适用于低速测量，可获得高分辨率。M/T法则适用于测量，无论高速还是低速。码盘将电机DC的转速转换成数字量，输入89C52单片机进行处理。P2.3端口在这里是用来接收码盘发出的信号的！以便对信息进行判断和处理，并做出相应的反应！报警指示:通过霍尔传感器连续检测电流，然后将转换结果发送给单片机。通过计算和比较，如果数值在规定值内，则电路一切正常。如果该值超过规定值，则为过电流。然后单片机一声令下，电机停止运转，LED亮起表示故障，让工作人员进行维修！系统运行过程介绍:首先，给系统加电，系统处于等待状态。通过按键设置转速，单片机接收信息，输出相应占空比的PWM波，控制电机在合适的转速下稳定运行。同时8位数码管开始显示，其中4位可以显示给定转速，另外4