基于51單片機的直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

系統(tǒng)初始化設定定時器工作方式設定I/O、鍵盤和顯示接口的工作方式YES開始系統(tǒng)初始化按鍵處理有鍵按下？刷新顯示數據通訊NO系統(tǒng)初始化設定定時器工作方式設定I/O、鍵盤和顯示接口的工作方式參數及變量初始化返回圖2-1.1主程序的流程圖圖2-1.2初始化子程序流程圖如圖2-1.2，系統(tǒng)初始化包括中斷始化、各存儲單元賦初值、鍵盤顯示器的各數據程序表賦常數、各種限定值裝入數據存儲器、設定堆棧指針、給主程序標志寄存器送初始值、控制器設定初值等。主程序：0000AJMPSTARTSTART：CLRPSW.4CLRPSW.3；選中工作寄存器0組CLRCMOVR0，4FHMOVA，30HCLEAR1：CLRAINCADJNZR0，CLEAR1；清零30-7FHSETBTR0；定時器/計數器0工作MOVTMODE，#01H；定時器/計數器工作在方式1SETBEA；總中斷開放SETBIT0；置INTO為降沿觸發(fā)SETBIT1；置INT1為降沿觸發(fā)LJMPMAINLJMPCTCOLCALLSAMPLE...Fosc=12MHZ，用一個定時器/計數器定時50ms，用R2作計數器，置初值14H，到定時時間后產生中斷，每執(zhí)行一次中斷服務程序，讓計數器內容減1，當計數器內容減為0時，則到1s。第二節(jié)PI控制子程序設計為了安全起見，系統(tǒng)對轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器實行限幅，當轉速調節(jié)中斷服務子程序或電流調節(jié)中斷服務子程序進行到“轉速調節(jié)”或“電流調節(jié)”時，便進入PI控制子程序（如圖2-2.1）。PI程序：SETBEX1；開放中斷1MOVR0，90H；P1口（W）送R0,預設MOVR1，80H；P0口（Y）送R1，實測MOVA，R0；W給AMOVB，R1；Y給BSUBBA，B；ei給AMOV7FH，A；ei給7FHMOV7EH，#00H；ei-1=0給7EHMOV7BH，UmaxMOV7AH,UminAJMPIN；積分項AJMPP；比例項MOVA，R2；Pi給AADDA，R3；Pi+Pp給AMOV7DH，#00H；Ui-1=0給7DHADDA，7DH；Ui-1+Pi+Pp=Ui給AMOV7CH,A；Ui給7CHMOV7DH，7CH；Ui給Ui-1MOVA，7BH；Umax給ACJNEA，#Ui，LOOP2；Ui〉Umax轉移MOVA，#UiCJNEA，7AH，LOOP3；Ui<Umin轉移MOV90H，7CH；輸出Ui到P1口LOOP2：MOVA，7CH；Ui給ACLRCSUBBA，#UmaxRETILOOP3：MOVA，7CH；Ui給ACLRCSUBBA，#UminRETIIN：MOV6FH，#IMOVA，6FH；I給AMOVB，7FH；ei給BMULAB；Pi=I*ei給AMOVR2，A；Pi給R2RETIP：MOV6EH，#PCLRCMOVA，7FH；ei給ASUBBA，7EH；ei-ei-1給AMOV7EH，7FH；ei給ei-1MOVB，6EHMULAB；（ei-ei-1）*P給AMOVR3，A；Pp給R3RETI保護現場保護現場選擇參數和初值本次采樣輸入計算偏差值e(k)？？？？返回NYNNNYYY圖2-2.1PI控制子程序框圖系統(tǒng)MATLAB仿真本次系統(tǒng)仿真采用控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB7.0，使用MATLAB對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法有兩種：一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數為基礎，使用MATLAB的Simulink工具箱對其進行計算機仿真研究；另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結構圖，使用PowerSystem工具箱進行調速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用前一種方法。第一節(jié)系統(tǒng)的建模與參數設置3.1.1直流電動機的數學模型在本設計中討論的是直流電動機拖動恒轉巨負載的自動控制系統(tǒng)，直流電動機本身是一個電-磁相互作用的非線性系統(tǒng)，在這里將其近似為一個線性系統(tǒng)，得到直流電動機的傳遞函數為：3.1.2轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數學模型求取雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數學模型一般采用由內到外，逐環(huán)求取。對轉速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，首先求取電流環(huán)傳遞函數，再將其視為轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，在求取轉速環(huán)的傳遞函數，由于檢測信號中含有交流分量或其他高頻干擾。故對轉速電流信號均經過型濾波，再加到調節(jié)器的輸入端，為了補償這些濾波環(huán)節(jié)帶來的慣性作用，在給定信號中也加入一個相同時間常數的給定濾波環(huán)節(jié)。1、電流環(huán)傳遞遞函數的求取由于系統(tǒng)中機電時間常數遠大于電磁時間常數，反電動勢的變化過程相對緩慢，因此在電流環(huán)中，可忽視反電動勢的影響，又由于和比小得多，可以當作小慣性環(huán)節(jié)近似處理，故取。由于電流環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，因而在土家控制作用時不希望有超調，而且當時，典型型系統(tǒng)的抗恢復時間還是可以接受的，故采用調節(jié)器將電流環(huán)的控制對象校正成典型型系統(tǒng)，其中調節(jié)器傳遞函數為：。故電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數為2、轉速環(huán)的傳遞函數有上式已知電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數，又由于轉速環(huán)的截止頻率一般較低，因此電流內環(huán)可等效為一階環(huán)節(jié)。其近似條件為：同樣的，再將時間常數為和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，形成一個時間常數為的慣性環(huán)節(jié)，則基于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無靜差的條件，轉速環(huán)應校正成典型型系統(tǒng)，而且典型型系統(tǒng)的抗擾動性能好。由于將轉速環(huán)校正成了典型型系統(tǒng)，故ASR有必將采用PI調節(jié)器，其傳遞函數為：。3.1.3建立仿真模型轉速雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的傳遞函數模型主要由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、限幅函數、速度反饋環(huán)等部分組成。采用傳遞函數圖方法構成的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型如圖3-1.1所示：圖3-1.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)模型第二節(jié)仿真結果仿真波形如圖3-2.1所示圖3-2.1仿真波形如圖3-2.1所示，在電流上升階段，由于電動機機械慣性較大，不能立即啟動。此時轉速調節(jié)器ASR飽和，電流調節(jié)器ACR起主要作用。轉速一直上升。當到達恒流升速階段時，ASR一直處于飽和狀態(tài)，轉速負反饋不起調節(jié)作用，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)為恒值電流調節(jié)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)的加速度為恒值，電動機轉速呈線性增長直至給定轉速。使系統(tǒng)在最短時間內完成啟動。當轉速上升到額定轉速時，ASR的輸入偏差為0，但其輸出由于積分作用仍然保持限幅值，這時電流也保持為最大值，導致轉速繼續(xù)上升，出現轉速超調。轉速超調后，極性發(fā)生了變化，，則ASR推出飽和。其輸出電壓立即從限幅值下降，主電流也隨之下降。此后，電動機在負載的阻力作用下減速，轉速在出現一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。當突加給定負載時，由于負載加大，因此轉速有所下降，此時經過ASR和ACR的調節(jié)作用后，轉速又恢復為先前的給定值，反映了系統(tǒng)的抗負載能力很強。結論本文所述的直流電機閉環(huán)調速系統(tǒng)是以低價位的單片微機8051為核心的，而通過單片機來實現電機調整又有多種途徑，相對于其他用硬件或者硬件與軟件相結合的方法實現對電機進行調整，采用PWM軟件方法來實現的調速過程具有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發(fā)揮單片機的效能，對于簡易速度控制系統(tǒng)的實現提供了一種有效的途徑。而在軟件方面，采用PI算法來確定閉環(huán)控制的補償量也是由數字電路組成的直流電機閉環(huán)調速系統(tǒng)所不能及的。曾經也試過用單片機直接產生PWM波形，但其最終效果并不理想，在使用了少量的硬件后，單片機的壓力大大減小，程序中有充足的時間進行閉環(huán)控制的測控和計算，使得軟件的運行更為合理可靠。因為本系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)系統(tǒng)，所以系統(tǒng)能夠通過兩個轉速調節(jié)器進行自動調節(jié)作用減少穩(wěn)態(tài)速降，但是有超調。為使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能更好，該系統(tǒng)采用無靜差調節(jié)，即轉速調節(jié)器采用比例積分調節(jié)器（PI調節(jié)器），使系統(tǒng)保證恒速運行，以保證滿足更嚴格的生產要求?？偨Y通過兩周的課程設計，首先我對直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)有了更深的認識，加深了理解，是對課堂上所學的知識的一次很好的應用。通過這次課程設計，我不僅在知識上有了更進一步的鞏固和提高，在求學和研究的心態(tài)上有了不小的進步。我想無論在學習上還是在生活上只有自己有心去學習和參與才可能有所收獲，這也算是這次課程設計給我?guī)淼囊稽c感悟。總之，在設計過程中，我不僅學習到以前從未接觸過的新知識，而且學會了獨立的去發(fā)現，面對，分析，解決新問題的能力，不僅學到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益匪淺。參考文獻[1]陳伯時主編電力拖動自動控制系統(tǒng)—運動控制系統(tǒng)（第3版）機械工業(yè)出版社2007[2]王兆安，黃俊主編電力電子技術（第4版）北京：機械工業(yè)出版社2000[3]任彥碩主編自動控制原理機械工業(yè)出版社2006[4]李榮生主編電氣傳