运动控制合集控制系统

1、摘要直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。本文设计的直流电机调速系统，主要由 单片机、电源、 桥驱动电路 、 液晶显示器、光电 编测速电路、霍尔电流传感器以及独立按键组成的数字直流调速系统。辅助电源采用 系列实现、 对电机的调速采用波方式，是脉冲宽度调制，通过 单片机改变 占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制， 实现 对测量数据（速度）的显示。电机转速利用光电编检测输出脉冲，通过 单片机对脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制，通过霍尔电流传感器，检测出电流，最

2、终实现转速电流双闭环直流调速系统。：直流电机调速；H 桥驱动电路；lCD 显示器；51 单片机 Keywords： ； ； 第一章 绪论 选题背景与意义现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。在这一系统中可对生产机械进行自动控制。随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。以达到高速、优质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。另外，低成本自动化技术与设备的开发，越来越

3、引起国内外的注意。特别对于小型企业，应用适用技术的设备，不仅有益于获得经济效益，而且能提高生产率、可靠性与柔性，还有易于应用的优点。自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分。在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易，但是它具有良好的起、制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。现在电的控制从简单复杂，并逐渐成熟成为主流。其应用领域极为广泛，例如：军事和宇航方面的天线、火瞄准、惯性导航等的控制；工业方面的

4、数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制；计算机设备和办公设备中的、传真机、复印机、扫描仪等的控制；音像设备和家用电器中的机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。随着电力电子技术的发展，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件 和成为主流，脉宽调制技术较大的优越性：主电路线路简单，需要用的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；近年来微型计算机技术发展速度飞快，以计算机为主导的作为一崭新的生产力，正向社会的各个领域渗透，直流调速系统向数字化方

5、向发展成为趋势。 设计任务和要求电控制电源采用 型功率放大器，其占空比变化为 时 ，对应输出电压为，为电机提供最大电流 。速度 检测采用光电编（光电脉冲信号发生器），且其输出的 、 两相脉冲经光电辩相后获得每转 个脉冲角度分辨力和方向信号。电流传感器采用霍尔电流传感器 ，其原副边电流比为：，额定电流 。采用转速、电流双闭环控 制方式。已知：（）直流电： ， ， ， ，电枢回路总电阻，电磁时间常数 ，机电时间常数 ，电动势系数 （ ；（） 型式；功率变换器：工作频率为 ，采用单极性双极性工 作方（）直流电源电压：；（）主要技术指标：调速范围为 ， 电流过载倍数为 倍，速度控制精度 （额定转速时）

6、。内容（）完成系统理论与仿真分析）进行系统参数计算，完成转速、电流调节器的结构和参数设计；）利用建立系统的仿真模型，对整个调速系统的动态性能（给定输入的跟随性能和负载与电网电压扰动下的抗扰性能）进行仿真分析。（）完成系统电气原理图的设计（包括电路原理图设计、参数计算、元器件选型）主电路的设计；）单片机控制电路的设计 单片机基本系统； 接口电路； 编脉冲输入接口电路； 开关量输入输出电路；地大学的精品教学课件，课程设计，毕业设计，资源为大学生学习交流提供课程设计毕业设计社区习题课件 的 电压、电流采样电路；设计毕业设计习题课件 电源电路 ；控制输出通道及驱动电路；大学设计大学课程大学课程设计毕业

7、设计件 习题课件 精品课件课程设计毕业设 计习题课给定输入通道（拨码开关、模拟旋钮和串行通（） 板的设计、制作与调试（根据时间选做 ）（）控制算法设计大学设计）电流控制器结构和参数设计；）转速控制器结构和参数设计；口电路等）。）采样周期选择；免费提供各地大学的精品教学课件，课程设计，毕业设计资源为大学生学习交流提供课程设计毕业设计社区习题课件 的）控制算法和运算流程图。（）系统设计系统初始化程序模块；大学设计大学课程大学课程设计毕业设计毕 业习题课件 精品课件 主程序模块；编码脉冲中断服务程序模块；给定通道串行通信中断服务程序模块；定时中断服务模块；速度环采样和调节控制模块；电流环采样和调节控

8、制模块。设计目的与意义本文设计的直流调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率 为开关器件、 桥单极式电路为功率放大电路的结 构。调制部分是在单片机开发之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制 电路中的 通断时间，以达到调节电机 速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个脉冲的产生过程得到了大大的简化。本设计以 单 片机为，以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中，采用了技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制（）控制原理和 桥

9、电路基本原理设计了驱动电路的总体结构，根据模型，利用 软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果第二章 系统的硬件选择及设计硬件电路设计框图如下图所示，硬件电路结构初步设想由以下 部分组成：时钟电路、复位电路、单片机、驱动电路。驱动电路部分采用了以 为可控开关元件、 桥电路为功率放大电路所的电路结构。控制部分采用汇编语言编程控制，的定时器产生脉冲波形，通过调节波形的宽度来控制 电路中的 通断时间，便能够实现对电机速度的控制。根据硬件系统电路设计框图，对各部分模块的原理进行分析，编写个子模块程序，最终将其组合。图 2.1 硬件系统电路设计框图输入电

10、路时钟电路复位电路驱动电路单片机2.1 单片机的选择AT89C51 是ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4K bytes 的可反复擦写的只读程序器（PEROM）和 128bytes 的随机存取数据器（ROM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位处理器（CPU）和 Flash单元。功能强大 AT89C51 单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。此设计就采用 AT89C51。图 2.2 51 单片机的引脚图 模拟数字转换 是 模数转换器。其国家半导体公司生产的 工艺

11、通道， 位逐次近式有一个 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 路模拟输入信号中的一个进行 转换。是目前国内应用最 广泛的 位通用 主要特性。） 路输入通道， 位 转换器，即分辨率为 位。）具有转换起停控制端。）转换时间为 时钟为 时，（ 时钟为 时）单个 电源供电）模拟输入电压范围 ，不需零点和满刻度校准。）工作温度范围为 摄氏度）低功耗，约 。结构 是 单片型逐次所示，它由 路模拟开关、地址锁存与译近式 转换器， 结构如图、比较器、 位开关树型 转换器、逐次近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。外部特性（引脚功能）有 条引脚，采列直插式封装，。下面说明各引脚功能。： 路模拟量

12、输入端。： 位数字量输出端。、： 位地址输入线，用于选通 路模拟输入中的一路：地址锁存允许信号，输入，有效。： 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 宽）使其启动（脉冲上升沿使 复位，下降沿启动 转换）。： 转换结束信号，输出，当 转换结束时， 此端输出一个（转换期间一直为低电平）。：数据输出允许信号，输入，有效。当 转换结束时，此端输入一个，才能打开输出三态门，输出数字量。：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 。（）、（）：基准电压。：电源，单一。：地。 的工作过程首先输入 位地址，并使 ，将地址存入地址锁存器中。此地址经 译码选通 路模拟输入之一到比较器。 上升沿将 逐次近寄存器复位。

13、下降沿启动 转换，之后 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 转换完成， 变 为，指示 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 输 入出到数据总线上。时，输出三态门打开，转换结果的数字量输转换数据的传送 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（）定时传送方式对于一种 转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固 定的。例如 转换时间为 ，相当于 的 单片机共 个机器周期。可据此设计一个延时子程序， 转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就

14、可进行数据传送。（）查询方式 转 换由表明转换完成的状态信号，例如 的 端。因此可以用查询方式，测试 的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。（）中断方式把表明转换完成的状态信号（）作为中断请求信号，以中断方式 进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时， 信号即有效，把转换数据送上 数据总线，供单片机接受。图 的引脚图 数字模拟转换 是 分辨率的 转换集成。与微处理器完全兼容。这个 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。 转换器由 位输入锁存器、 位 寄存器、 位 转换电路

15、及转换控制电路。 结构：* ： 位数据输入线， 电平，有效时间应大于 否则锁存器的数据会出错；* ：数据锁存允许控制信号输入线，有效；：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 ）有效。由 、 的逻辑组合产生 ，当 为时，数据锁存器状态随输入数据线变换， 的负跳变时将输入数据锁存；：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于 ）有效；： 寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 ） 有效。由 、 的逻辑组合产生 ，当 为时， 寄存 器的输出随寄存器的输入而变化， 的负跳变时将数据锁存器的内容打 入 寄存器并开始 转换。：电流输出端 ，其

16、值随 寄存器的内容线性变 化；：电流输出端 ，其值与 值之和为一常数 ；：反馈信号输入线，改变 端外接电阻值可调整转换满量程精度；* ：电源输入端， 的范围为；* ：基准电压输入线， 的范围为；：模拟信号地：数字信号地 的工作方式：根据对 的数据锁存器和 寄存器的不同的控制方式， 有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。 引脚功能电路应用原理图 是采样 频率为八位的 转 换，集成电路内有两级输入寄存器， 使 具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要如要求多路 异步输入、同步转换等。所以这个的应用很广泛关于 应用的一些重要资料见下图： 转换结果采用电流形式输出。若需

17、要相应的 模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电阻可通过 端片内固有电阻， 也可外接。 逻辑输入满足 电平，可直接与 电路或微机电路连接 。 应用电路图 应用电路图 引脚功能说明：数据输入线， 电平 。：数据锁存允许控制信号输入线，：片选信号输入线，低电平有效。：为输入寄存器的写选通信号 。有效。：数据传送控制信号输入线，低电平有效。：为 寄存器写选通输入线。电流输出线。当输入全为 时 最大。 电流输出线。其值与 之和为 一常数。反馈信号输入线电源输入线 有反馈电阻基准电压输入线 模拟地摸拟信号和基准电源的参考地数字地两种地线在基准电源处共地比较好采用 实现 转换

18、。一个 位 转换器有 个输入端（其中每个输入端是 位 二进制数的一位），有一个模拟输出端。输入可有 个不同的二进制组态，输出为 个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是 个可能值。图 的逻辑框图和 引脚排列：数字信号输入端。：输入寄存器允许，：片选信号，低电平有效。有效。：写信号 ，低电平有效。：传送控制信号，低电平有效 。：写信号 ，低电平有效。、： 电流输出端。：是集成在片内的外接运放的反馈电阻。 ：基准电压（）。：是源电压（）。：模拟地 ：数字地，可与 接在一 起使用。 输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。： 路模拟信号输入端。

19、、 ：地址输入端。 地址锁存允许输入信号，在此脚施加正脉冲，上升沿有效，此时锁存地址码，从而选通相应的模拟信号通道，以便进行 转换。：启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲，当上升沿到达 时，逐次近寄存器复位，在下降沿到达后，开始 转换过程 。：转换结束输出信号（转换接受标志），有效。：输入允许信号，有效。：时钟信号输入端，外接时钟频率一般为 。 ： 单电源供电。 、 ：基准电压的正极、负极。一般 接 电源，接地。：数字信号输出端。 由 、 三地址输入 端选通 路模拟信号中的任何一路进行 转换 。数模（）转换器 转换器是接收数字量，输出一个与数字量相对应的电流或电压信号的模拟量接口。 转换器被广泛

20、用于计算机函数发生器、计算机图形显示以及 与 转换器相配合的控制系统等。 转换原理：数字量的值是由每一位的数字权叠加而得的。转换器品种繁多，电阻 、变形权电阻 、 型电阻 、电容型 和权电流 等。为了掌握数模转换原理，必须先了解运算放大器和电阻译码网络的工作原理和特点。图 引脚图显示器工业字符型液晶，能够同时显示 即 个字符。 液晶也叫 字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个 或者 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个 字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显 是指显示的内容为 即可以 显示

21、两行，每行 个字符液晶模块（显示字符和数字）。目前市面上字符液晶绝大多数是基于 液晶的，控制原理是完全相同的，因此基于 写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。图 引脚图 采用标准的 脚接口，其中：第 脚： 为电源地第 脚： 接 电源正极第 脚： 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱 ，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生鬼影，使用时可以通过一个 的电位器调整对比度）。第 脚： 为寄存器选择， 时选择指令寄存器。第 脚： 为读写信号线，时进行写操作。 时选择数据寄存器、低电平时进行读操作，低电平第 脚：或 端为使能端。第 脚： 为 位双向数据端。第 脚：空脚或背灯

22、电源。 脚背光正极， 脚背光 负极。 的特性： 电压，对比度可调，内含复位电路，提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能 有 80 字节显示数据器 DDRAM， 内建有 192 个 5X7 点阵的字型的字符发生器CGROM，8 个可由用户自定义的 5X7 的字符发生器 CGRAM 。1602 微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。1602 液晶模块的字符发生器（CGROM)已经了 160 个不同的点阵字符图形，这些字符有：数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码

23、是01000001B（41H），显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来，能看到字母“A”。就因为 1602 识别的是 ASCII 码，试验可以用 ASCII 码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如A。第三章 系统的设计3.1 系统初始化模块void init()/初始化子函数(0 x01); /清屏 (0 x3f); /功能设置 (0 x0d); /显示控制(0 x06); /输入方式设置3.2 数据采样开始yn等待数据中断电流采样电压采样void adc0809()ADC0809_AN = 0;oe=0;st=0;st=1;st=0;while(eoc)oe=

24、1;read165();ad_0809v=data1;delay(1);oe=0;ADC0809_AN = 1;oe=0;st=0;st=1;st=0;while(eoc)oe=1;read165();ad_0809a=data1;delay(1);oe=0;3.3 中断控制开始初始化定时和计数中断求取转速3.4 电流环和速度换的控制因为，系统用计算机控制来实现对直流调速的控制，很多原来有硬件完成的操作现在用程序来实现，如双闭环调速系统中的电流和转速环节的比例积分调节过程在本系统中用程序来实现。这两个环节的控制实现十分钟重要。按偏差的比例积分和微分进行控制的调节器，简称调节器。它的结构简单，比

25、一定需要系统的确切数学模型，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。将它移植到计算机控制系统，通过予以实现，对于大多数控制对象都能获得满意的效果，所以人们常用数字调节算法，并根据经验和实验，整定参数，具有很强的灵活性和适应性。随着微机控制技术的发展，数字算法可以很容易得到修正而比模拟调节器的性能跟完善。如果 为采样周期，用离散采样时刻点 表示连续时间 ，以和式代替积分，以增量代替微分，的近似计算公式：离散型控制开始计算比例项计算积分项float npi(float r,float y)float e_k,u_k;e_k=r-y;u_k=u_k_1+17.7*(e_k-e_k_1)+442

26、.5*Ts*e_k ;u_k_1=u_k;e_k_1=e_k;if(u_kumax)u_k=umax; Uc=ipi(UI,Ui);nn=(Uc*22-ad_0809a*2.5)/0.1352;return nn;第四章仿真结图 4.1 全图图 4.2 仿真显示第五章 心得体会在三个周的学习工作中，通过查阅相关资料了解了直流调速系统，加深了对直流电机调速控制系统的认识，熟悉了单片机在控制系统中的运用。并且在所学知识的基础上，利用已有的直流调速系统设计，尝试了自己的一些研究。并且，使我将原来所学的知识系统化，理论化，实用化。对如何使用已有知识及获取相关资料方面的能力又有了提高。本设计基本上达到了设计目的。实现通过单片机对直流电机的控制，通过合理的设备选型、参数设置和设计，提高了直流电机调速运行的可靠性。本设计在硬件上采用了基于技术的 型桥式驱动电路，解决了电机驱之处，主要是在关于速度的反馈