设计数字空控制pwm双闭环直流调速系统设计-毕设论文.doc

数字空控制PWM双闭环直流调速系统设计目录
1、 摘要.................................................................................. 2
2、 设计任务......................................................................... 3
3、 系统的总体方案............................................................. 3
4、 单元电路的设计.............................................................. 4
4.1电动机主电路设计.................................................. 4
4.2ACR模拟电流调节器（PID）具体设计............... 4
4.3ASR数字调节器（PID）的具体设计.................... 7
4.4单片机及其接口电路的设计................................... 9
4.4.1 89C52简介............................................................ 9
4.4.2 8279键盘及其显示电路 ................................. 9
4.4.3 89C52单片机产生PWM.................................. 14
4.4.4 AD/DA设计....................................................... 15
4.5电源电路的设计........................................................ 17
5、 系统的运行过程简介........................................................ 19
6、 设计心得............................................................................ 20
7、 参考文献............................................................................ 21

摘要
当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究基于数字控制的PWM双闭环直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分（89C52）、栓闭环、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，在传动领域占有统治地位。
微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的闭环可逆直流PWM调速系统进行了研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件编程实现电动机的准确控制，试图通过单片机来实现对电动机的控制，从而实现电气自动化，本文主要以89C52单片机为基础研究，实现键盘输入、数码管显示、PWM生成等多种功能，还可以实现对码盘测速、DA的处理，通过一些外电路，实现对电动机的控制。

关键词：直流调速，数字控制，PWM, 双闭环，89C52单片机，8279键盘显示

一、 设计任务
1、 设计目的：实现数字控制PWM双闭环直流调速
2、 设计的主要电路：电动机运行主电路、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、测速及其报警电路、AD/DA转换电路。
3、 参数计算：电路中的电阻、电容的数值，电流调节器ACR中Ki和Ci的确定。
4、 设计要求：
直流电动机的基本数据如下：

二、 系统设计的总体方案：
以电动机运行主电路为基础，通过控制PWM的占空比实现电动机正转、翻转、速度的控制。双闭环包括电流环和转速环，通过不断的检测电流和转速，然后进行与给定值比较，实现对电动机的控制。单片机作为系统的控制核心，主要是对采集AD反馈过来的信息，还有就是码盘输入的信息以及按键的信息。然后，做出相应的应答。本设计主要是对89C52单片机的设计，双闭环的设计，电动机主电路的设计。
三、单元电路的设计：
1、 电动机的主电路的设计：

图一 电动机运行主电路

此电路为三相桥式不可控整流电路，输入为三相交流AC1，AC2,AC3。通过桥式整流，转化为直流电，电路中的平波电抗器和电容主要起滤波作用以及电机在最低负载（Id=Idim）下也能工作在连续段机械特性上。G1、G2、G3、G4为IGBT开关器件，通过对其的控制，实现对电动机的调速控制，而本设计中主要是用PWM实现对其的控制。其中，D7~D10四个二极管为续流二极管，其作用为防止负载电流突变，起到平滑电流以及续流的作用。
设计中选的IGBT管的型号是SGH80N60UFD,它的参数如下：
管子类型：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：45A
2、 ACR模拟电流调节器（PID）具体设计：
模拟调节器的控制规律：

u(t)为调节器输出，e(t)为调节器误差输入，KP为调节器比例增
为调节器的积分时间常数，为微分时间常数。本设计只用PI调节器就能满足要求。
A）电流环参数计算
1、 确定时间常数：
1）整流装置之后时间常数Ts，通过查表可得：Ts=0.0017s；

2、 选择调节器的结构：

3、 计算电流调节器参数：

：

4、 校验近似条件：

满足近似调节。

满足设计要求。
B)电流调节器设计电路图如下：
图二 电流环调节器
3、ASR数字调节器（PID）的具体设计：
PI调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以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 为比例系数 ，KI =为积分系数
将上式离散化成差分方程，其第 k 拍输出为：
（*）
式中 Tsam为采样周期
数字PI调节器有位置式和增量式两种算法：
位置式算法——即为式(*)表述的差分方程，算法特点是：比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的累积。位置式PI调节器的结构清晰，P和I两部分作用分明，参数调整简单明了，但需要存储的数据较多。
增量式PI调节器算法：

PI调节器的输出可由下式求得：

只要在计算机中多保存上一拍的输出值就可以了。
与模拟调节器相似，在数字控制算法中，需要对 u 限幅，这里，只须在程序内设置限幅值Um，当 u(k) >Um 时，便以限幅值 Um作为输出。不考虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全等同，考虑限幅则两者略有差异。增量式PI调节器算法只需输出限幅，而位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。
算法流程：

图三 数字PI调节器程序框图

4、单片机及其接口电路的设计
（1）89C52简介 ：
本设计使用89C52单片机作为控制芯片，其功能丰富，且使用简单，具体功能如下：
· 兼容MCS51指令系统 · 8k可反复擦写(>1000次）Flash ROM
　　· 32个双向I/O口 · 256x8bit内部RAM
　　· 3个16位可编程定时/计数器中断 · 时钟频率0-24MHz
　　· 2个串行中断 · 可编程UART串行通道
　　· 2个外部中断源 · 共6个中断源
　　· 2个读写中断口线 · 3级加密位
　　· 低功耗空闲和掉电模式 · 软件设置睡眠和唤醒功能
（2）8279键盘及其显示电路：

图四 8279键盘及其显示电路
A）8279的功能：
DB0～DB7：双向数据总线。在CPU与8279间做数据与命令的传送。
CLK：8279的系统时钟，100KHz为最佳选择。
RESET：复位信号，输入线，当RESET=1时，8279复位，其复位状态为：16字符显示，编码扫描键盘——双键锁定，程序时钟编码1。
CS：芯片选择信号，低电平有效。
A0：区分信息的特征位。A0=1时，读取状态标志位或写入命令；A0=0时， 读写一般数据。
：读取控制线。RD=0，8279会送数据至外部总线。
：写入控制线。WR=0，8279会从外部总线捕捉数据。
IRQ：中断请求输出线，高电平有效。在键盘工作方式中，当FIFO传感器RAM中有数据时为“1”，CPU每读一次就变为0，如果RAM中仍有数据则IRQ又变为“1”。在传感器工作方式中，传感器矩阵无论哪里发生变化都会使IRQ为“1”。
SL0～SL3：扫描按键开关或传感器矩阵及显示器，可以是编码模式或解码模式。
RL0～RL7：回复输入线，它们是键盘或传感器的列（或行）信号输入线；平时保持为“1”，当矩阵结点上有键（开关）闭合时变为“0”。
SHIFT：移位信号输入线，高电平有效。通常用来扩充键开关的功能，可以用作键盘上、下档功能键。在传感器方式和选通方式中，SHIFT无效。
CNTL/STB：控制/选通输入线，高电平有效。通常用来扩充键开关的控制功能，作为控制功能键用。在选通输入方式时，该信号的上升沿可把来自RL0∽RL7的数据存入FIFO/RAM中；在传感器方式下，该信号无效。
OUTA0～OUTA3：动态扫描显示的输出口（高四位）。
OUTB0～OUTB3：动态扫描显示的输出口（低四位）。
BD：消隐输出线,低电平有效，当显示器切换或使用显示消隐命 令时，将显示器消隐。
B）8279与89C52的连接
8279与89C52的许多信号是兼容的，可直接连接，十分方便。8279的8位数据线（DB0～DB7）直接接89C52的P0口。RD、WR与89C52的读写信号（RD、WR）直接连接。89C52的地址锁存信号ALE接8279的CLK，在内部分频后产生其内部时钟信号。8279的中断请求信号（IRQ）经一个反相器反相后接89C52的 。8279的三个可寻址的寄存器只需两个地址，即：命令/状态寄存器地址和数据寄存器地址。8279中与地址有关的信号为A0和CS，它们的连接情况直接决定着寄存器的地址，一旦硬件电路确定，寄存器的地址也就确定下来了。
C)74LS154：
为 4 线－16 线译码器，当选通端（G1、G2）均为低电平时，可将地址端（ABCD）的二进制编码在一个对应的输出端，以低电平译出。 如果将G1和G2中的一个作为数据输入端，由ABCD对输出寻址，74LS154还可作1线-16线数据分配器。
引脚功能介绍：
A、B、C、D 译码地址输入端(低电平有效)
G1、G2 选通端(低电平有效)
0－15 输出端(低电平有效)
74LS154对应真值表：

图五 74LS154真值表
D）键盘工作原理：键盘采用的是行列式键盘，通过扫描的方式进行判断键的按下与否，当CBA=000，此时，Key1为低电平，电路中的S1，S3，.S5.....S15键的右端为低电平，若S1被按下，则RL0则有高电平变为低电平，从而确定S1被按下，其他键的确认也是一样。当CBA=001时，Key2为低电平，S2，S4，S6......S16键的右端为低电平，检测原理和Key1为低电平时相同。
E)数码管显示原理：本设计使用的是共阴极数码管，当电路中的cs1，cs2，cs3.....cs8为低电平时，数码管才开始工作，数码管的a,b,c,d,e,f,g,h中接入相应的高电平，相应的二极管会亮，不同的组合会形成不同的显示模式。当cs1，cs2，cs3.....cs8分别给其低电平，并且有短暂的延时（肉眼不能分辨的延时），就可以形成数码管的动态显示。

74LS164：
74LS164为8位移位寄存器，当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。 串行数据输入端（A，B）可控制数据。当 A、B任意一个为 低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0 为低电平。当A、B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK 上升沿作用下决定Q0 的状态。
CLOCK ：时钟输入端
CLEAR： 同步清除输入端（低电平有效）
A，B ：串行数据输入端
QA－QH： 输出端
（3） 89C52单片机产生PWM：

图六 单片机产生PWM及光电隔离电路
通过89C52单片机中的定时器，设定好时间间隔，不断的高低电平的取反形成PWM波，引脚P2.0为PWM波。然后，通过光电隔离器实现绝缘隔离。随后，通过OP07放大电路进行放大，此电路放大三倍左右就能满足电动机主电路中的IGBT的导通，从而实现对电机的控制。PWM1可以接到图一的G1，G4，PWM2可以接到图一的G2,G3，通过单片机对PWM的控制实现对电动机转速的控制。光电耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。其主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。使用光耦，不仅实现了电气隔离和绝缘，而且还减小了电动机运行时对单片机的影响，有利于单片机对电动机的精确控制。
（4） AD/DA设计：
A)DA设计：单片机对采集来的信息作出应答后，需要将数字量转化为模拟量才能被外界的电路接收，此时，就必须进行DA转换才行，下面的电路就是将单片机的数字量转换为外界的模拟量的电路！

图七 DA转换电路
TLV5638：TLV5638是TI公司的12位D/A转换器，具有两个输出通道，数据传输接口为3线的串行接口，该接口能够与常用的微控制器或者微处理器直接相连。每次传输数据由16位的数据组成一帧，其中4位控制命令字，12位输出数据。本设计仅需一个通道就足够！
TLV5638的引脚功能说明：
● 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：A通道模拟电压输出
● AGND：模拟地
● REF：模拟电压参考输入/输出
● OUTB：B通道模拟电压输出
● VDD：供电电源（2.7V～5.5V）
通过单片机编程实现数字量的转换，输出Ui*的范围为0-5V。
B）AD设计：外电路的模拟量要想被计算机接收，必须转换为数字量。这是就需要AD转换电路，下面就是将外电路中的模拟量转化为数字量的电路：

图九 AD转换电路
5、电源电路的设计：
A）正负12V电压设计电路图如下：

图十 交流220V转正负12V电源

上述电路实现AC220V变为 正负DC12V电源的电路，首先是降压变压器，将AC220V变为AC16V，然后，通过桥式整流，变为直流。然后滤波，通过三端集成稳压块，降电压稳定在正负12V，供其他一些运算放大器或者芯片使用。
B) +5V电源电压设计电路图：

图十一 交流220V转 +5V电源

该电路的设计原理和正负12V的设计原理基本相同，唯一不同的就是三端稳压器LM7805。
（5） M/T法测速以及报警指示：
码盘接入电路以及报警指示简图：

图十二 测速电路以及报警电路

在闭环伺服系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有以下三种：（1）在规定时间内测量所产生的脉冲个数来获得被测速度，称为M法测速；（2）测量相邻两个脉冲的时间来测量速度，称为T法测速；（3）同时测量检测时间和在此时间内脉冲发生器发出的脉冲个数来测量速度，称为M/T法测速。以上三中测速方法中，M法适合于测量较高的速度，能获得较高分辨率；T法适合于测量较低的速度，这时能获得较高的分辨率；而M/T法则无论高速低速都适合测量。码盘是将电动机的转速直流换算成数字量输入89C52单片机中进行处理，此处使用的是P2.3口，来接收码盘发送过来的信号！以此来进行判断和处理信息，并做出相应的应答！
报警指示：通过霍尔传感器，进行对电流不断的的检测，然后将转换的结果送入单片机，单片机通过计算比较，若数值在规定值内，则电路中的一切均正常，如果数值超出规定值，即为过电流，则单片机发出命令，电动机停止运行，LED发光，指示故障，让工作人员进行维修！
四、 系统的运行过程简介:
首先，给系统上电，系统处于等待状态。通过按键设定转速，单片机接收到信息，输出相应占空比的PWM波，控制电动机在适当的转速上稳定运行。同时，8位数码管开始显示，其中四位可以显示给定的转速，另外四位可以显示电动机的实际转速。电动机运行过程中，会出现电流和转速的变化，电流变化，通过ACR调节器调节将变化的电流和给定值比较，产生差值，然后，差值进行放大处理通过AD送入单片机，单片机做出反应，并显示出来。转速变化，可以通过码盘检测，将测量出来的结果送入单片机，然后，单片机通过比较，做出相应的应答，通过DA模块将数值传送给ACR，作为给定值，并显示出来。当电动机运行过程中出现故障，本设计主演是过电流故障，霍尔传感器将检测到的电流送入单片机，单片机将接收到的电流值与给定值相比较，如果超出给定值，则进行故障报警，即立即停止电动机的运行，同时将P2.4口置0，LED发光指示故障！
五、 设计心得：
通过这两个周的课程设计，觉着收获很多。从刚开始拿到题目，然后，不知所以然，也不知如何下手。去图书馆搜集资料，发现这个综合设计的资料很少，于是就有点悲观，到底该怎么办呢，就开始上网搜集资料，另外加紧时间看书，将基础知识学得扎实才是做好本设计的基础。还有就是老师的耐心指导给了我不少的帮助。和同学们悉心交流相互合作，都是这次课程设计的收获。当然，最大的收获莫过于知识的进一步加深，我也进一步对直流调速双闭环的理解，对PI调节器的使用又有新的认识，将这学期学到的51单片机运用于控制实践也有很大的成就感！同时也了解一些运电路放及一些重要芯片，也对DXP软件的使用又有进一步的认识。虽然，本课程设计的内容比较多，但是，学到的东西也很多，总体觉着，收获很大！
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