數(shù)字空控制PWM雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目錄1、 摘要. 22、 設(shè)計(jì)任務(wù). 33、 系統(tǒng)的總體方案. 34、 單元電路的設(shè)計(jì). 44.1電動(dòng)機(jī)主電路設(shè)計(jì). 44.2ACR模擬電流調(diào)節(jié)器（PID）具體設(shè)計(jì). 44.3ASR數(shù)字調(diào)節(jié)器（PID）的具體設(shè)計(jì). 74.4單片機(jī)及其接口電路的設(shè)計(jì). 9 4.4.1 89C52簡(jiǎn)介. 9 4.4.2 8279鍵盤(pán)及其顯示電路 . 9 4.4.3 89C52單片機(jī)產(chǎn)生PWM. 14 4.4.4 AD/DA設(shè)計(jì). 15 4.5電源電路的設(shè)計(jì). 175、 系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程簡(jiǎn)介. 196、 設(shè)計(jì)心得. 207、 參考文獻(xiàn). 21摘要 當(dāng)今，自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速控

2、制作為電氣傳動(dòng)的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。本文主要研究基于數(shù)字控制的PWM雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分（89C52）、栓閉環(huán)、直流電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡(jiǎn)單、易于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速、控制性能好等特點(diǎn)，在傳動(dòng)領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。 微機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)基于微機(jī)控制的閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用微機(jī)硬件和軟件編程實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)確控制，試圖通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化，本文主要以89C52單片機(jī)為基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)

3、鍵盤(pán)輸入、數(shù)碼管顯示、PWM生成等多種功能，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碼盤(pán)測(cè)速、DA的處理，通過(guò)一些外電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速，數(shù)字控制，PWM, 雙閉環(huán)，89C52單片機(jī)，8279鍵盤(pán)顯示1、 設(shè)計(jì)任務(wù)1、 設(shè)計(jì)目的：實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制PWM雙閉環(huán)直流調(diào)速2、 設(shè)計(jì)的主要電路：電動(dòng)機(jī)運(yùn)行主電路、雙閉環(huán)控制器、89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)及PWM產(chǎn)生電路、8279鍵盤(pán)及其顯示電路、測(cè)速及其報(bào)警電路、AD/DA轉(zhuǎn)換電路。3、 參數(shù)計(jì)算：電路中的電阻、電容的數(shù)值，電流調(diào)節(jié)器ACR中Ki和Ci的確定。4、 設(shè)計(jì)要求：直流電動(dòng)機(jī)的基本數(shù)據(jù)如下：2、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案： 以電動(dòng)機(jī)運(yùn)行主電路為基礎(chǔ)，通過(guò)控制P

4、WM的占空比實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、速度的控制。雙閉環(huán)包括電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，通過(guò)不斷的檢測(cè)電流和轉(zhuǎn)速，然后進(jìn)行與給定值比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，主要是對(duì)采集AD反饋過(guò)來(lái)的信息，還有就是碼盤(pán)輸入的信息以及按鍵的信息。然后，做出相應(yīng)的應(yīng)答。本設(shè)計(jì)主要是對(duì)89C52單片機(jī)的設(shè)計(jì)，雙閉環(huán)的設(shè)計(jì)，電動(dòng)機(jī)主電路的設(shè)計(jì)。三、單元電路的設(shè)計(jì)：1、 電動(dòng)機(jī)的主電路的設(shè)計(jì)： 圖一 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行主電路 此電路為三相橋式不可控整流電路，輸入為三相交流AC1，AC2,AC3。通過(guò)橋式整流，轉(zhuǎn)化為直流電，電路中的平波電抗器和電容主要起濾波作用以及電機(jī)在最低負(fù)載（Id=Idim）下也能工作在連續(xù)段機(jī)械特

5、性上。G1、G2、G3、G4為IGBT開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)對(duì)其的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，而本設(shè)計(jì)中主要是用PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制。其中，D7D10四個(gè)二極管為續(xù)流二極管，其作用為防止負(fù)載電流突變，起到平滑電流以及續(xù)流的作用。設(shè)計(jì)中選的IGBT管的型號(hào)是SGH80N60UFD,它的參數(shù)如下：管子類型：NMOS場(chǎng)效應(yīng)管 極限電壓Vm：600V；極限電流Im：80 A；耗散功率P：195 W ；額定電壓U：220V；額定電流I：45A2、 ACR模擬電流調(diào)節(jié)器（PID）具體設(shè)計(jì)：模擬調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律：u(t)為調(diào)節(jié)器輸出，e(t)為調(diào)節(jié)器誤差輸入，KP為調(diào)節(jié)器比例增為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常

6、數(shù)。本設(shè)計(jì)只用PI調(diào)節(jié)器就能滿足要求。A）電流環(huán)參數(shù)計(jì)算 1、 確定時(shí)間常數(shù)： 1）整流裝置之后時(shí)間常數(shù)Ts，通過(guò)查表可得：Ts=0.0017s；2、 選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)：3、 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)：4、 校驗(yàn)近似條件：滿足近似調(diào)節(jié)。滿足設(shè)計(jì)要求。B)電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)電路圖如下： 圖二 電流環(huán)調(diào)節(jié)器3、ASR數(shù)字調(diào)節(jié)器（PID）的具體設(shè)計(jì)： PI調(diào)節(jié)器是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。 PI調(diào)節(jié)器時(shí)域表達(dá)式：其中 Kp= Kpi 為比例系數(shù) ，

7、KI =為積分系數(shù) 將上式離散化成差分方程，其第 k 拍輸出為：（*）式中 Tsam為采樣周期 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器有位置式和增量式兩種算法： 位置式算法即為式(*)表述的差分方程，算法特點(diǎn)是：比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過(guò)去所有偏差的累積。位置式PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰，P和I兩部分作用分明，參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單明了，但需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)較多。 增量式PI調(diào)節(jié)器算法：PI調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得：只要在計(jì)算機(jī)中多保存上一拍的輸出值就可以了。 與模擬調(diào)節(jié)器相似，在數(shù)字控制算法中，需要對(duì) u 限幅，這里，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值Um，當(dāng) u(k) >Um 時(shí)，便以限幅值 Um作為輸出。不考慮限幅

8、時(shí)，位置式和增量式兩種算法完全等同，考慮限幅則兩者略有差異。增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式算法必須同時(shí)設(shè)積分限幅和輸出限幅，缺一不可。 算法流程： 圖三 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器程序框圖 4、單片機(jī)及其接口電路的設(shè)計(jì)（1）89C52簡(jiǎn)介 ：本設(shè)計(jì)使用89C52單片機(jī)作為控制芯片，其功能豐富，且使用簡(jiǎn)單，具體功能如下：· 兼容MCS51指令系統(tǒng) · 8k可反復(fù)擦寫(xiě)(>1000次）Flash ROM· 32個(gè)雙向I/O口 · 256x8bit內(nèi)部RAM· 3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷 · 時(shí)鐘頻率0-24MHz· 2

9、個(gè)串行中斷 · 可編程UART串行通道· 2個(gè)外部中斷源 · 共6個(gè)中斷源· 2個(gè)讀寫(xiě)中斷口線 · 3級(jí)加密位· 低功耗空閑和掉電模式 · 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能（2）8279鍵盤(pán)及其顯示電路： 圖四 8279鍵盤(pán)及其顯示電路A）8279的功能：DB0DB7：雙向數(shù)據(jù)總線。在CPU與8279間做數(shù)據(jù)與命令的傳送。CLK：8279的系統(tǒng)時(shí)鐘，100KHz為最佳選擇。RESET：復(fù)位信號(hào)，輸入線，當(dāng)RESET=1時(shí)，8279復(fù)位，其復(fù)位狀態(tài)為：16字符顯示，編碼掃描鍵盤(pán)雙鍵鎖定，程序時(shí)鐘編碼1。CS：芯片選擇信號(hào)，低電平有效。A

10、0：區(qū)分信息的特征位。A0=1時(shí)，讀取狀態(tài)標(biāo)志位或?qū)懭朊?；A0=0時(shí)， 讀寫(xiě)一般數(shù)據(jù)。：讀取控制線。RD=0，8279會(huì)送數(shù)據(jù)至外部總線。：寫(xiě)入控制線。WR=0，8279會(huì)從外部總線捕捉數(shù)據(jù)。IRQ：中斷請(qǐng)求輸出線，高電平有效。在鍵盤(pán)工作方式中，當(dāng)FIFO傳感器RAM中有數(shù)據(jù)時(shí)為“1”，CPU每讀一次就變?yōu)?，如果RAM中仍有數(shù)據(jù)則IRQ又變?yōu)椤?”。在傳感器工作方式中，傳感器矩陣無(wú)論哪里發(fā)生變化都會(huì)使IRQ為“1”。SL0SL3：掃描按鍵開(kāi)關(guān)或傳感器矩陣及顯示器，可以是編碼模式或解碼模式。RL0RL7：回復(fù)輸入線，它們是鍵盤(pán)或傳感器的列（或行）信號(hào)輸入線；平時(shí)保持為“1”，當(dāng)矩陣結(jié)點(diǎn)上有鍵

11、（開(kāi)關(guān)）閉合時(shí)變?yōu)椤?”。SHIFT：移位信號(hào)輸入線，高電平有效。通常用來(lái)擴(kuò)充鍵開(kāi)關(guān)的功能，可以用作鍵盤(pán)上、下檔功能鍵。在傳感器方式和選通方式中，SHIFT無(wú)效。CNTL/STB：控制/選通輸入線，高電平有效。通常用來(lái)擴(kuò)充鍵開(kāi)關(guān)的控制功能，作為控制功能鍵用。在選通輸入方式時(shí)，該信號(hào)的上升沿可把來(lái)自RL0RL7的數(shù)據(jù)存入FIFO/RAM中；在傳感器方式下，該信號(hào)無(wú)效。OUTA0OUTA3：動(dòng)態(tài)掃描顯示的輸出口（高四位）。OUTB0OUTB3：動(dòng)態(tài)掃描顯示的輸出口（低四位）。BD：消隱輸出線,低電平有效，當(dāng)顯示器切換或使用顯示消隱命 令時(shí)，將顯示器消隱。B）8279與89C52的連接8279與89

12、C52的許多信號(hào)是兼容的，可直接連接，十分方便。8279的8位數(shù)據(jù)線（DB0DB7）直接接89C52的P0口。RD、WR與89C52的讀寫(xiě)信號(hào)（RD、WR）直接連接。89C52的地址鎖存信號(hào)ALE接8279的CLK，在內(nèi)部分頻后產(chǎn)生其內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)。8279的中斷請(qǐng)求信號(hào)（IRQ）經(jīng)一個(gè)反相器反相后接89C52的 。8279的三個(gè)可尋址的寄存器只需兩個(gè)地址，即：命令/狀態(tài)寄存器地址和數(shù)據(jù)寄存器地址。8279中與地址有關(guān)的信號(hào)為A0和CS，它們的連接情況直接決定著寄存器的地址，一旦硬件電路確定，寄存器的地址也就確定下來(lái)了。C)74LS154：為 4 線16 線譯碼器，當(dāng)選通端（G1、G2）均為低電

13、平時(shí)，可將地址端（ABCD）的二進(jìn)制編碼在一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出端，以低電平譯出。 如果將G1和G2中的一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端，由ABCD對(duì)輸出尋址，74LS154還可作1線-16線數(shù)據(jù)分配器。引腳功能介紹：A、B、C、D 譯碼地址輸入端(低電平有效)G1、G2 選通端(低電平有效)015 輸出端(低電平有效)74LS154對(duì)應(yīng)真值表： 圖五 74LS154真值表D）鍵盤(pán)工作原理：鍵盤(pán)采用的是行列式鍵盤(pán)，通過(guò)掃描的方式進(jìn)行判斷鍵的按下與否，當(dāng)CBA=000，此時(shí)，Key1為低電平，電路中的S1，S3，.S5.S15鍵的右端為低電平，若S1被按下，則RL0則有高電平變?yōu)榈碗娖?，從而確定S1被按下，其他鍵的確

14、認(rèn)也是一樣。當(dāng)CBA=001時(shí)，Key2為低電平，S2，S4，S6.S16鍵的右端為低電平，檢測(cè)原理和Key1為低電平時(shí)相同。E)數(shù)碼管顯示原理：本設(shè)計(jì)使用的是共陰極數(shù)碼管，當(dāng)電路中的cs1，cs2，cs3.cs8為低電平時(shí)，數(shù)碼管才開(kāi)始工作，數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g,h中接入相應(yīng)的高電平，相應(yīng)的二極管會(huì)亮，不同的組合會(huì)形成不同的顯示模式。當(dāng)cs1，cs2，cs3.cs8分別給其低電平，并且有短暫的延時(shí)（肉眼不能分辨的延時(shí)），就可以形成數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。 74LS164：74LS164為8位移位寄存器，當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（QAQH）均為低電平。 串行數(shù)據(jù)輸入端（

15、A，B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) A、B任意一個(gè)為 低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下Q0 為低電平。當(dāng)A、B 有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK 上升沿作用下決定Q0 的狀態(tài)。CLOCK ：時(shí)鐘輸入端CLEAR： 同步清除輸入端（低電平有效） A，B ：串行數(shù)據(jù)輸入端QAQH： 輸出端（3） 89C52單片機(jī)產(chǎn)生PWM： 圖六 單片機(jī)產(chǎn)生PWM及光電隔離電路 通過(guò)89C52單片機(jī)中的定時(shí)器，設(shè)定好時(shí)間間隔，不斷的高低電平的取反形成PWM波，引腳P2.0為PWM波。然后，通過(guò)光電隔離器實(shí)現(xiàn)絕緣隔離。隨后，通過(guò)OP07放大電路進(jìn)行放大，此電路放大三倍左右就

16、能滿足電動(dòng)機(jī)主電路中的IGBT的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。PWM1可以接到圖一的G1，G4，PWM2可以接到圖一的G2,G3，通過(guò)單片機(jī)對(duì)PWM的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。光電耦合器（optical coupler，英文縮寫(xiě)為OC）簡(jiǎn)稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用。其主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。使用光耦，不僅實(shí)現(xiàn)了電氣隔離和絕緣，而且還減小了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)單片機(jī)的影響，有利于單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)的精確控制。（4） AD/DA設(shè)計(jì)：A)DA設(shè)計(jì)

17、：?jiǎn)纹瑱C(jī)對(duì)采集來(lái)的信息作出應(yīng)答后，需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量才能被外界的電路接收，此時(shí)，就必須進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換才行，下面的電路就是將單片機(jī)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為外界的模擬量的電路！ 圖七 DA轉(zhuǎn)換電路TLV5638：TLV5638是TI公司的12位D/A轉(zhuǎn)換器，具有兩個(gè)輸出通道，數(shù)據(jù)傳輸接口為3線的串行接口，該接口能夠與常用的微控制器或者微處理器直接相連。每次傳輸數(shù)據(jù)由16位的數(shù)據(jù)組成一幀，其中4位控制命令字，12位輸出數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)僅需一個(gè)通道就足夠！TLV5638的引腳功能說(shuō)明： DIN：串行數(shù)據(jù)輸入 SCLK：串行接口時(shí)鐘輸入 /CS：片選信號(hào)輸入，低電平有效 OUTA：A通道模擬電壓輸出 AGND：模

18、擬地 REF：模擬電壓參考輸入/輸出 OUTB：B通道模擬電壓輸出 VDD：供電電源（2.7V5.5V）通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，輸出Ui*的范圍為0-5V。B）AD設(shè)計(jì)：外電路的模擬量要想被計(jì)算機(jī)接收，必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。這是就需要AD轉(zhuǎn)換電路，下面就是將外電路中的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的電路： 圖九 AD轉(zhuǎn)換電路5、電源電路的設(shè)計(jì)：A）正負(fù)12V電壓設(shè)計(jì)電路圖如下： 圖十 交流220V轉(zhuǎn)正負(fù)12V電源 上述電路實(shí)現(xiàn)AC220V變?yōu)?正負(fù)DC12V電源的電路，首先是降壓變壓器，將AC220V變?yōu)锳C16V，然后，通過(guò)橋式整流，變?yōu)橹绷鳌Ｈ缓鬄V波，通過(guò)三端集成穩(wěn)壓塊，降電壓穩(wěn)定在正負(fù)12V，供

19、其他一些運(yùn)算放大器或者芯片使用。B) +5V電源電壓設(shè)計(jì)電路圖： 圖十一 交流220V轉(zhuǎn) +5V電源該電路的設(shè)計(jì)原理和正負(fù)12V的設(shè)計(jì)原理基本相同，唯一不同的就是三端穩(wěn)壓器LM7805。（5） M/T法測(cè)速以及報(bào)警指示：碼盤(pán)接入電路以及報(bào)警指示簡(jiǎn)圖： 圖十二 測(cè)速電路以及報(bào)警電路 在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有以下三種：（1）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)測(cè)量所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)獲得被測(cè)速度，稱為M法測(cè)速；（2）測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間來(lái)測(cè)量速度，稱為T(mén)法測(cè)速；（3）同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)量速度，稱為M/T法測(cè)速。以上三中測(cè)速方法中，M法適合于測(cè)量較高的速度，能獲

20、得較高分辨率；T法適合于測(cè)量較低的速度，這時(shí)能獲得較高的分辨率；而M/T法則無(wú)論高速低速都適合測(cè)量。碼盤(pán)是將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速直流換算成數(shù)字量輸入89C52單片機(jī)中進(jìn)行處理，此處使用的是P2.3口，來(lái)接收碼盤(pán)發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)！以此來(lái)進(jìn)行判斷和處理信息，并做出相應(yīng)的應(yīng)答！ 報(bào)警指示：通過(guò)霍爾傳感器，進(jìn)行對(duì)電流不斷的的檢測(cè)，然后將轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)計(jì)算比較，若數(shù)值在規(guī)定值內(nèi)，則電路中的一切均正常，如果數(shù)值超出規(guī)定值，即為過(guò)電流，則單片機(jī)發(fā)出命令，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，LED發(fā)光，指示故障，讓工作人員進(jìn)行維修！4、 系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程簡(jiǎn)介: 首先，給系統(tǒng)上電，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。通過(guò)按鍵設(shè)定轉(zhuǎn)速，單片機(jī)接收到信息，輸出相應(yīng)占空比的PWM波，控制電