1、 基于測(cè)速發(fā)電機(jī)的雙閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark34 摘要3 HYPERLINK l bookmark36 一、實(shí)驗(yàn)原理3 HYPERLINK l bookmark38 1.1測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速原理3 HYPERLINK l bookmark40 1.2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)組成4 HYPERLINK l bookmark42 二、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)5電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)6轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)10 HYPERLINK l bookmark76 三、控制系統(tǒng)硬件及電路設(shè)計(jì)14電動(dòng)機(jī)主電路的設(shè)計(jì)15ACR模擬電流調(diào)節(jié)器（PID）具體設(shè)計(jì)15 HYPERLINK l b

2、ookmark82 ASR數(shù)字調(diào)節(jié)器（PID）的具體設(shè)計(jì)16單片機(jī)及其接口電路的設(shè)計(jì)17 HYPERLINK l bookmark94 AD/DA設(shè)計(jì)：22電源電路的設(shè)計(jì)：23 HYPERLINK l bookmark96 四、控制系統(tǒng)誤差分析25電刷位置的影響25溫度的影響25 HYPERLINK l bookmark104 五、運(yùn)動(dòng)控制的程序編寫28 HYPERLINK l bookmark106 六、仿真分析33 HYPERLINK l bookmark108 電路建模33 HYPERLINK l bookmark112 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)35 HYPERLINK l bookmark11

3、4 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)36 HYPERLINK l bookmark116 仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析36 HYPERLINK l bookmark118 參考文獻(xiàn)39附錄系統(tǒng)電路圖41摘要本文基于測(cè)速發(fā)電機(jī)，利用轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔茫O(shè)計(jì)了雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)中要設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間串連。以單片機(jī)為微控制器，進(jìn)行控制程序的編寫，編寫出PID控制C51程序。本文從以下三個(gè)方面對(duì)基于測(cè)速發(fā)電機(jī)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行可設(shè)計(jì)。1、論述直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。建立模型之后，進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)。2、設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的硬件模型和電路。3分析系統(tǒng)的性能指標(biāo)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)

4、控制程序的編寫。關(guān)鍵詞：測(cè)速發(fā)電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)PID控制一、實(shí)驗(yàn)原理1.1測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速原理輸出電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成比例的微特電機(jī)稱為測(cè)速發(fā)電機(jī)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的繞組和磁路經(jīng)精確設(shè)計(jì)，其輸出電動(dòng)勢(shì)E和轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系，即EnK,K是常數(shù)。改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)輸出電動(dòng)勢(shì)的極性即相應(yīng)改變。在被測(cè)機(jī)構(gòu)與測(cè)速發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接時(shí)，只要檢測(cè)出輸出電動(dòng)勢(shì)，就能獲得被測(cè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，故又稱速度傳感器。為保證電機(jī)性能可靠，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì)具有斜率高、特性成線性、無信號(hào)區(qū)小或剩余電壓小、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)輸出電壓不對(duì)稱度小、對(duì)溫度敏感低等特點(diǎn)。此外，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)要求在一定轉(zhuǎn)速下輸出電壓交流分量小，無線電干擾小；交流測(cè)速發(fā)電機(jī)要求

5、在工作轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)輸出電壓相位變化小。測(cè)速發(fā)電機(jī)廣泛用于各種速度或位置控制系統(tǒng)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為檢測(cè)速度的元件以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或通過反饋來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度；在解算裝置中可作為微分、積分元件，也可作為加速或延遲信號(hào)用或用來測(cè)量各種運(yùn)動(dòng)機(jī)械在擺動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)以及直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度。測(cè)速發(fā)電機(jī)分為直流和交流兩種。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)有永磁式和電磁式兩種。其結(jié)構(gòu)與直流發(fā)電機(jī)相近。永磁式采用高性能永久磁鋼勵(lì)磁，受溫度變化的影響較小,輸出變化小，斜率高,線性誤差小。這種電機(jī)在80年代因新型永磁材料的出現(xiàn)而發(fā)展較快。電磁式采用他勵(lì)式，不僅復(fù)雜且因勵(lì)磁受電源、環(huán)境等因素的影響，輸出電壓變化較大，用得不多。用永磁材

6、料制成的直流測(cè)速發(fā)電機(jī)還分有限轉(zhuǎn)角測(cè)速發(fā)電機(jī)和直線測(cè)速發(fā)電機(jī)。它們分別用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)速度，其性能要求與直流測(cè)速發(fā)電機(jī)相近，但結(jié)構(gòu)有些差別。本文以直流測(cè)速發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。有空心杯轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)、籠式轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)和同步測(cè)速發(fā)電機(jī)3種。空心杯轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)：結(jié)構(gòu)原理如圖所示，主要由內(nèi)定子、外定子及在它們之間的氣隙中轉(zhuǎn)動(dòng)的杯形轉(zhuǎn)子所組成。勵(lì)磁繞組、輸出繞組嵌在定子上,彼此在空間相差90電角度。杯形轉(zhuǎn)子是由非磁性材料制成。當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁后由杯形轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與輸出繞組軸線垂直，輸出繞組不感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由杯形轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)與輸出繞組軸線重合，在輸出繞

7、組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)大小正比于杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而頻率和勵(lì)磁電壓頻率相同，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。反轉(zhuǎn)時(shí)輸出電壓相位也相反。杯形轉(zhuǎn)子是傳遞信號(hào)的關(guān)鍵，其質(zhì)量好壞對(duì)性能起很大作用。由于它的技術(shù)性能比其他類型交流測(cè)速發(fā)電機(jī)優(yōu)越，結(jié)構(gòu)不很復(fù)雜，同時(shí)噪聲低，無干擾且體積小，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。籠式轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)：與交流伺服電動(dòng)機(jī)相似，因輸出的線性度較差，僅用于要求不高的場(chǎng)合。同步測(cè)速發(fā)電機(jī)同步測(cè)速發(fā)電機(jī)：以永久磁鐵作為轉(zhuǎn)子的交流發(fā)電機(jī)。由于輸出電壓和頻率隨轉(zhuǎn)速同時(shí)變化，又不能判別旋轉(zhuǎn)方向,使用不便，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用得很少,主要供轉(zhuǎn)速的直接測(cè)量用。1.2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)組成調(diào)速是指在某一具體負(fù)載情

8、況下，通過改變電動(dòng)據(jù)或電源參數(shù)的方法，使機(jī)械特性曲線得以改變，從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或保持不變。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該能得到近似的恒流過程。問題是希望在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸人端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)

9、反饋?zhàn)饔茫质顾鼈冎荒芊謩e在不同的階段起作用呢?雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)正是用來解決這個(gè)問題的。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接。這就是說，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器本文是根據(jù)工程設(shè)計(jì)方法來對(duì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。按照設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把

10、整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。二、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)根據(jù)工程設(shè)計(jì)方法的基本思路我們知道首先應(yīng)該選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)。因?yàn)殡娏鳝h(huán)作為內(nèi)環(huán)，從穩(wěn)態(tài)要求上看，要求電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，從動(dòng)態(tài)上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用下時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程不超過允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素。因而電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主。所以本文采用典型I型系統(tǒng)。對(duì)于轉(zhuǎn)速環(huán)，由于轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)，主要要求系統(tǒng)抗干擾性能好和轉(zhuǎn)速無靜差，所以將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成典型II系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示：上圖2-1是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。

11、由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需要加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時(shí)間常數(shù)T按需要選定，以濾平oi電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過相同的延時(shí)，使得二者在時(shí)間上恰好的配合。由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用T表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常on數(shù)T的給定濾波環(huán)節(jié)。on2.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)（1）電流環(huán)結(jié)構(gòu)

12、框圖的化簡在圖2-1點(diǎn)劃線框的電流環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來麻煩。實(shí)際上，反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)T遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)T，因此，lm轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即AEq0，這樣，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，得到的電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2。如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成U*(s)/0，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖2-3。iU*(s)

13、圖2-3等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)由于T和T比T小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié),soil其時(shí)間常數(shù)為：T=T+T工isoi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成下圖2-4。U*(s)1kACRk0K/RId(s)R(Ts+1)(Ts+1)/刃圖2-4小慣性環(huán)節(jié)近似處理2）電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇圖2-4表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成W(s)二ACRK(Ts+1)iTTsi式中Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇T二Til則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖2-5所以的典

14、型形式，其中KK卩is-TRi10qKI(s)1ds(Ts+1)Xi+乍圖2-5校正成典型I型系統(tǒng)電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖下圖5-6繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性.圖5-6校正成典型I型系統(tǒng)電流環(huán)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性1校驗(yàn)o，33Tcis1Um時(shí)，便以限幅值Um作為輸出。不考慮限幅時(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。3.4單片機(jī)及其接口電路的設(shè)計(jì)(1)89C52簡介：本設(shè)計(jì)使用89C52單片機(jī)作為控制芯片，其功能豐富，且使用簡單，具體功能如下：兼容MCS51指令系統(tǒng)8k可反復(fù)擦寫(1000

15、次)FlashROM32個(gè)雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHZ2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鍵盤及其顯示電路：圖3-58279鍵盤及其顯示電路DBODB7：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。A0：區(qū)分

16、信息的特征位。A0=1時(shí)，讀取狀態(tài)標(biāo)志位或?qū)懭朊睿籄0=0時(shí)，讀寫一般數(shù)據(jù)。爐：讀取控制線。RD=O,8279會(huì)送數(shù)據(jù)至外部總線。律：寫入控制線。WR=O,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，傳感器矩陣無論哪里發(fā)生變化都會(huì)使IRQ為“1”。SL0SL3：掃描按鍵開關(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（開關(guān)

17、）閉合時(shí)變?yōu)椤?”。SHIFT:移位信號(hào)輸入線，高電平有效。通常用來擴(kuò)充鍵開關(guān)的功能，可以用作鍵盤上、下檔功能鍵。在傳感器方式和選通方式中，SHIFT無效。CNTL/STB：控制/選通輸入線，高電平有效。通常用來擴(kuò)充鍵開關(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)的上升沿可把來自RL0SRL7的數(shù)據(jù)存入FIFO/RAM中；在傳感器方式下，該信號(hào)無效。OUTA00UTA3：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。8279與89C52的許多信號(hào)是兼容的，可直接連接，

18、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的八八。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了。C）74LS154：為4線一16線譯碼器，當(dāng)選通端（G1、G2）均為低電平時(shí)，可將地址端（ABCD）的二進(jìn)制編碼

19、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。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：INPUTOUTPUTE0rrAOA1A2A3YOY1Y2Y3Y4Y67vaY2Y9Y1DY11712773Y14YTsHHXXXXHHHHHHHHHHHHHHHH11LXXXXHIIIIIIIIIIHII1HIIIIIIIIIIILHXXXXHHHHHHHHHHHHHHHHLLLLLLLHHHHHHH-1HHH-IHHHHLLLHL

20、HHHHHTTHHHTHHHLHLLHHLHHHHHHHHHHHHHHIILLHIIIILIIHH11HIIIIIIIIIIILLHLHHHHLHHHHHHHHHHHHLHLHHHHHLH-1-1HHH-IHHHLHHLHHHHHHLHHHHHHHHHHHHLH1HHHHHHLHHHHHHHHLLLH1!HIIIIHIIHL1111III11II11HLLHHHHHHHHHHLHHHHHHLHLHHHHHHHHHHHLHHHHHMHLHHHHHHnMHHMHLHHHMLLHHHrhHHHHHHHHHLHHHHLHHHHHHHHHHHHHHHLHHLHHHHHHHHHHHHHHHHHLHHHHH

21、HHHHHHHHHHHHHHHL圖3-774LS154真值表鍵盤采用的是行列式鍵盤，通過掃描的方式進(jìn)行判斷鍵的按下與否，當(dāng)CBA=OOO,此時(shí)，Key1為低電平，電路中的S1，S3，.S5S15鍵的右端為低電平，若S1被按下，則RL0則有高電平變?yōu)榈碗娖剑瑥亩_定S1被按下，其他鍵的確認(rèn)也是一樣。當(dāng)CBA=001時(shí)，Key2為低電平，S2，S4，S6S16鍵的右端為低電平，檢測(cè)原理和Key1為低電平時(shí)相同。本設(shè)計(jì)使用的是共陰極數(shù)碼管，當(dāng)電路中的cs1，cs2，cs3cs8為低電平時(shí)，數(shù)碼管才開始工作，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

22、同的顯示模式。當(dāng)cs1，cs2，cs3cs8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（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89C52單片機(jī)產(chǎn)生PWM：圖3-8單片機(jī)產(chǎn)生PWM及

23、光電隔離電路通過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，通過光電隔離器實(shí)現(xiàn)絕緣隔離。隨后，通過OP07放大電路進(jìn)行放大，此電路放大三倍左右就能滿足電動(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（opticalcoupler，英文縮寫為0C）簡稱光耦。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)輸入端無影

24、響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，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。3.5AD/DA設(shè)計(jì)：DA設(shè)計(jì)：單片機(jī)對(duì)采集來的信息作出應(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3-9DA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

25、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。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3-10AD轉(zhuǎn)換電路3.6電源電路的設(shè)計(jì)：正負(fù)12V電壓設(shè)計(jì)電路圖如下：圖3-11交流220V轉(zhuǎn)正負(fù)12V電源上述電路實(shí)現(xiàn)A

26、C220V變?yōu)檎?fù)DC12V電源的電路，首先是降壓變壓器,將AC220V變?yōu)锳C16V，然后，通過橋式整流，變?yōu)橹绷鳌Ｈ缓鬄V波，通過三端集成穩(wěn)壓塊，降電壓穩(wěn)定在正負(fù)12V,供其他一些運(yùn)算放大器或者芯片使用。+5V電源電壓設(shè)計(jì)電路圖：圖3-12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。I、控制系統(tǒng)誤差分析控制系統(tǒng)在控制的過程中，首先，給系統(tǒng)上電，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。通過按鍵設(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，控制電動(dòng)機(jī)在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，8位數(shù)碼管開始顯示，其中四位可以顯示給定的轉(zhuǎn)速，另外四位可以顯示電

27、動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，會(huì)出現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)速的變化，電流變化，通過ACR調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)將變化的電流和給定值比較，產(chǎn)生差值，然后，差值進(jìn)行放大處理通過AD送入單片機(jī)，單片機(jī)做出反應(yīng)，并顯示出來。轉(zhuǎn)速變化，可以通過碼盤檢測(cè)，將測(cè)量出來的結(jié)果送入單片機(jī)，然后，單片機(jī)通過比較，做出相應(yīng)的應(yīng)答，通過DA模塊將數(shù)值傳送給ACR,作為給定值，并顯示出來。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，本設(shè)計(jì)主演是過電流故障，霍爾傳感器將檢測(cè)到的電流送入單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的電流值與給定值相比較，如果超出給定值，則進(jìn)行故障報(bào)警，即立即停止電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)將P2.4口置0，LED發(fā)光指示故障！在運(yùn)行的過程中，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)偏差。

28、總結(jié)影響精度的因素主要有以下幾個(gè)方面。電刷位置的影響當(dāng)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，若電刷沒有嚴(yán)格地位于幾何中性線上，會(huì)造成測(cè)速發(fā)電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)輸出電壓不對(duì)稱，即在相同的轉(zhuǎn)速下，測(cè)速發(fā)電機(jī)正反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出電壓不完全相等。這是因?yàn)楫?dāng)電刷偏離幾何中性線一個(gè)不大的角度時(shí)，電樞反應(yīng)的直軸分量磁通若在一種轉(zhuǎn)向下起著去磁作用，而在另一種轉(zhuǎn)向下起著增磁作用。因此，在兩種不同的轉(zhuǎn)向下，盡管轉(zhuǎn)速相同，電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不相等，其輸出電壓也不相等。溫度的影響電磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作時(shí)，由于周圍環(huán)境溫度的變化以及電機(jī)本身發(fā)熱（由電機(jī)各種損耗引起），都會(huì)引起電機(jī)中勵(lì)磁繞組電阻的變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，勵(lì)磁繞組電阻增

29、大。這時(shí)即使勵(lì)磁電壓保持不變，勵(lì)磁電流也將減小，磁通也隨之減小，導(dǎo)致電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和輸出電壓降低。銅的電阻溫度系數(shù)約為0.004/C，即當(dāng)溫度每升高25C，其電阻值相應(yīng)增加10%。所以，溫度的變化對(duì)電磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出特性的影響是很嚴(yán)重的。為了減小溫度變化對(duì)輸出特性的影響，通常可采取下列措施：（1）設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，磁路比較飽和，使勵(lì)磁電流的變化所引起磁通的變化較小。（2）在勵(lì)磁回路中串聯(lián)一個(gè)阻值比勵(lì)磁繞組電阻大幾倍的附加電阻來穩(wěn)流。附加電阻可用溫度系數(shù)較低的合金材料制成，如錳鎳銅合金或鎳銅合金，它的阻值隨溫度變化較小。這樣盡管溫度變化，引起勵(lì)磁繞組電阻變化，但整個(gè)勵(lì)磁回路總電阻的變化不大

30、，磁通變化也不大。其缺點(diǎn)是勵(lì)磁電源電壓也需增高，勵(lì)磁功率隨之增大。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種測(cè)速元件，它把轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)輸出。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等裝置中。對(duì)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要要求是：（1）輸出電壓要嚴(yán)格地與轉(zhuǎn)速成正比，并且不受溫度等外界條件變化的影響；（2）在一定的轉(zhuǎn)速下，輸出電壓要盡可能的大；（3）不靈敏區(qū)要小。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)可分為勵(lì)磁式和永磁式兩種。勵(lì)磁式由勵(lì)磁繞組接成他勵(lì)，永磁式采用矯頑力高的磁鋼制成磁極。由于永磁式不需另加勵(lì)磁電源，也不因勵(lì)磁繞組溫度變化而影響輸出電壓，故應(yīng)用較廣。在自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中通常作為測(cè)速元件、校正元件、解算元

31、件和角加速度信號(hào)元件。27 五、運(yùn)動(dòng)控制的程序編寫算法是程序的核心，因此PID算法的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。1開始丿1r計(jì)算給定與輸出的偏差1偏差累積積分ir后向差分微分1r結(jié)構(gòu)體偏差成員更新1rPID控制器輸出計(jì)算1F積分環(huán)節(jié)限幅設(shè)置1r返回計(jì)算輸出值1r結(jié)束圖5-1PID算法框圖圖5-2主程序流程框圖在電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)中，我選擇的是PI調(diào)節(jié)器，我設(shè)計(jì)的是一個(gè)PID所有參數(shù)均可調(diào)的函數(shù)，所以使用時(shí)只要改變相應(yīng)的參數(shù)即可得到所要的PI控制器，具體設(shè)置方法請(qǐng)參考主程序。PID算法:#include#include#includePID.H*功能：定義結(jié)構(gòu)體變量struct_pidintpv;/*int

32、egerthatcontainstheprocessvalue*/intsp;/*integerthatcontainsthesetpoint*/floatintegral;floatpgain;floatigain;floatdgain;intdeadband;intlast_error;struct_pidwarm,*pid;intprocess_point,set_point,dead_band;floatp_gain,i_gain,d_gain,integral_val,new_integ;*函數(shù)名：pid_init功能描述：PID初始化，通過設(shè)定*pv、*sp賦值voidpid_in

33、it(struct_pid*warm,intprocess_point,intset_point)struct_pid*pid;pid=warm;pid-pv=process_point;pid-sp=set_point;*函數(shù)名：功能描述：pid_tune結(jié)構(gòu)體變量一致./voidpid_tune(struct_pid*pid,floatp_gain,floati_gain,floatd_gain,intdead_band)pid-pgain=p_gain;pid-igain=i_gain;pid-dgain=d_gain;pid-deadband=dead_band;pid-integra

34、l=integral_val;pid-last_error=0;*函數(shù)名：pid_setinteg功能描述：/PID結(jié)構(gòu)體中的偏差成員更新voidpid_setinteg(struct_pid*pid,floatnew_integ)pid-integral=new_integ;pid-last_error=0;*函數(shù)名：pid_bumpless功能描述：voidpid_bumpless(struct_pid*pid)pid-last_error=(pid-sp)-(pid-pv);*函數(shù)名：pid_calc功能描述：PID核心計(jì)算floatpid_calc(struct_pid*pid)int

35、err;floatpterm,dterm,result,ferror;err=(pid-sp)-(pid-pv);if(abs(err)pid-deadband)ferror=(float)err;/*dointegertofloatconversiononlyonce*/pterm=pid-pgain*ferror;if(pterm100|ptermintegral=0.0;elsepid-integral+=pid-igain*ferror;if(pid-integral100.0)/抗積分飽和，防最大溢出pid-integral=100.0;elseif(pid-integralinte

36、gral=0.0;/防最小溢出dterm=(float)(err-pid-last_error)*pid-dgain;微分值result=pterm+pid-integral+dterm;elseresult=pid-integral;pid-last_error=err;return(result/p_gain);AD0809.c文件#includeADC0809.h#includereg51.hsbitSTART=P3八4;/ATART,ALE接口。0-1-0:啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。sbitEOC=P3A3;轉(zhuǎn)換完畢由0變1.unsignedintuiADTransform()unsignedin

37、tuiResult;START=1;啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。START=0;while(EOC=0);/等待轉(zhuǎn)換結(jié)束。uiResult=OUTPORT;/出入轉(zhuǎn)換結(jié)果。/uiResult=uiResult;/需做處理，則處理結(jié)果。returnuiResult;主函數(shù)main.c文件#includereg51.h#includePID.H#includeADC0809.h#defineDAC0832_onP2#defineucharunsignedcharexternstruct_pidSpeed,Circuent,*pid;externintprocess_point,set_point,dead_ba

38、nd;externfloatp_gain,i_gain,d_gain,integral_val,new_integ;bitsample;*函數(shù)名：定時(shí)器初始化功能描述：采樣時(shí)間的初始化設(shè)置250us采樣一次voidTimer_Init(void)TCON=0 x50;TMOD=0 x22;/定時(shí)器0、1均方式2自動(dòng)重載TL0=0 x6;/TH0=0 x6;/TL0=0 x6;/TH0=0 x6;/IE|=0 x82;voidPID_Pramt(floatp,i,d)p_gain=p;i_gain=i;d_gain=0;floatUn_value=0;floatUe_value=0;voidma

39、in(void)intcount=0;pid=&Speed;Timernit();定時(shí)器初始化dead_band=1;integral_val=(float)(0.01);while(count.ElementsExtraLibraryMachinesMeasm-emenPowerElectironics刑CL+DiscreteSystempcMiennjpowerguiACVoltageSourceGnaskj(link)Ide：=ilzinuioid：=ilACageEom-ce.F:=Lf：=jtietwfEFe:ak：=uTipl1tude(V):)220|Phase(deg):Fre

40、quency(.Hz):50S：anipletime：rMeaEurement.2ZlOKCancelHelpApply|Ready圖6-1電源參數(shù)設(shè)置B、C相交流電源參數(shù)設(shè)置方法與A相相同，除了將初相設(shè)置成互差120外，其它參數(shù)與A相相同。由此可得到三相對(duì)稱交流電源。采用上述原則，可分別對(duì)晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等各部分進(jìn)行建模和參數(shù)設(shè)置。如前面所述，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、限幅器、偏置電路、反相器、電流反饋環(huán)節(jié)、速度反饋環(huán)節(jié)等同步脈沖觸發(fā)器包括同步電源和脈沖觸發(fā)器兩部分。脈沖觸發(fā)器可從附加元件庫(ExtraLibrary

41、)的子模塊組控制模塊(ControlBlocks)獲得。脈沖觸發(fā)器需用三相線電壓同步，所以同步電源的任務(wù)是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。同步電源與脈沖觸發(fā)器及封裝后的子系統(tǒng)符號(hào)如圖6-2(a)、(b)所示.UctalphajegJ7ZIIn2*+vVabGZ)CZUbUcBCUbpulsesOut1VbcJCASynchronized0-FulseGeneratorUcOutIn2Uct同境走脈沖規(guī)發(fā)誥(b)圖6-2同步電源與脈沖觸發(fā)器給定環(huán)節(jié)的建模.從輸入源模塊組中選取“Constant”模塊，并將模塊標(biāo)簽改為“給定環(huán)節(jié)”；然后雙擊該模塊圖標(biāo)，打開參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，將參數(shù)設(shè)置為某個(gè)值，此

42、處設(shè)為130rad/s。實(shí)際調(diào)速時(shí)，給定信號(hào)是在一定范圍內(nèi)變化的，讀者可通過仿真實(shí)踐，確定給定信號(hào)允許的變化范圍。通過對(duì)Uc參數(shù)變化范圍仿真實(shí)驗(yàn)的探索而知，當(dāng)Uc在50310范圍內(nèi)變化時(shí)，同步脈沖觸發(fā)器能夠正常工作；當(dāng)Uc為50時(shí)，對(duì)應(yīng)的整流橋輸出電壓最大，而Uc為310時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓反而最小，它們是單調(diào)下降的函數(shù)關(guān)系。為此，將限幅器的上、下限幅值設(shè)置為130，-130，用加法器加上偏置“-180”后調(diào)整為-50，-310，再經(jīng)反相器轉(zhuǎn)化為50，310。這樣，在電流環(huán)系統(tǒng)內(nèi)通過限幅器、偏置、反相器等模塊的作用，就可將ACR的輸出限制在使同步脈沖觸發(fā)器能夠正常工作的范圍之內(nèi).同理，可設(shè)置ASR

43、的上、下限幅值為40,-40。速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、限幅器、偏置、反相器等模塊的建模與參數(shù)設(shè)置都比較簡單，只要分別在Simulink的Math、Nonlinear、Sources模塊庫中找到相應(yīng)的模塊，并按要求設(shè)置參數(shù)即可。兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置分別是：ACR：Kpi=2，Ti=100，上、下限幅為130,-130；ASR：Kpn=1.2,Tn=10,上、下限幅為40,-40。電流反饋系數(shù)設(shè)為0.1，速度反饋系數(shù)設(shè)為1。調(diào)速系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)如下:晶閘管三相橋式全控整流電路供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù):直流電動(dòng)機(jī):220V,13.6人1480廠/誠口,C=0.131V/(min),e允許

44、過載倍數(shù)九二1.5；晶閘管裝置：K=76；電樞回路總電阻：R二6.580；時(shí)間常數(shù)：T=0.018s,T=0.25s；反饋系數(shù)：a二0.00337V/(r/min),=0.4V/A；lm反饋濾波時(shí)間常數(shù)：T二.05s,T=O.OWs。oion電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)經(jīng)查表，三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s，電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)T工i=Ts+Toi=0.0067s,電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.018s。根據(jù)性能指標(biāo)要求OiW5%，保證穩(wěn)態(tài)無誤差。把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為:WACR(s)=Ki(tis+1)/tis式中Ki,Ti分別為電流調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)和領(lǐng)先時(shí)間常數(shù).其中Ti=T1=0.018s，為滿足的要求，應(yīng)取K1TZi=0.5因此：K1=0.5/Ti=74.63s-1,于是可以求得ACR的比例放大系數(shù)Ki=K1TiR/0Ks=0.29故電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)WACR(s)=0.29(0.018s+1)/0.018s，經(jīng)過校驗(yàn)，滿足晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件，也滿足電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，設(shè)計(jì)后電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)ai=4.3%W5%滿足設(shè)計(jì)要求。速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：2TZi=0.0134s轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：TZn=2T工i+Ton=0.0318s.在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)，可以把已經(jīng)設(shè)計(jì)