資料內容僅供您學習參考，如有不當或者侵權，請聯系改正或者刪除。摘要本文以詳細闡述了MCS-8031為控制芯片,所構成的三閉環直流調速系統,三閉環即轉速環,電流環,位置環。包括8031單片機控制電路、復位電路、振蕩電路、速度給定電路、光電碼盤測速測位置電路、PWM波驅動H橋電路等;在軟件的實現上采用PID控制算法模擬ASR,ACR環的作用,并給出程序流程圖和具體程序設計。關鍵字:單片機直流調速PID算法第一章 系統結構 4第二章 硬件設計 5第一節8031的介紹和ROM擴展 5第二節驅動電路 6第三節給定輸入電路 7第四節增量式光電脈沖編碼器測速位置 7第五節 霍爾傳感器測電流 9第六節 轉速顯示電路 9第七節時鐘振蕩器和復位電路 10第八節電源電路 11第三章 系統軟件設計 13第一節 PWM波產生 13第二節 給定速度程序設計 15第三節 轉速測定 17第四節 位置測量 18第五節電流測量程序 19第六節速度顯示程序 19第七節PID控制算法 20總結 26參考文獻 27系統結構電子技術的高速發展,促使直流電機調速逐步從模擬化向數字化轉變,特別是單片機技術的應用,使直流電機調速技術進入一個新的階段。采用單片機控制的調速系統,其控制方案是依靠軟件實現的,控制器由可編程功能模塊組成,配置和參數調整簡單方便,工作穩定。本系統設計為三閉環調速,即包括電流環,轉速環,位置環。測速及位置用固定在主軸上的光電碼盤產生脈沖信號,脈沖信號送入8254計數芯片計數,再傳輸到單片機計算,M/T法可計算出即時速度。這個速度與設定的速度進行比較,得出差值。MCS8031對這個差值進行PID運算,得出控制增量,即用單片機,PID算法實現模擬電路ACR,ASR的功能。計算出PWM輸出的占空比,去控制H橋驅動電路,其輸出驅動直流電動機。系統硬件結構如下圖所示:速度給定速度給定PWM驅動光電脈沖計數,轉速位置反饋電機霍爾傳感器測電流,電流反饋單片機(速度位置電流測量計算)單片機(PID運算控制)轉速顯示硬件設計硬件設計部分主要包括了,8031芯片的ROM擴展, I/O口的擴展設計,振蕩電路和復位電路,H橋驅動電路,給定輸入電路,光電編碼器測速、測位置電路,霍爾傳感器測電流電路,穩壓電源電路,第一節8031的介紹和ROM擴展本設計采用mcs-8031單片機8031單片機是Intel公司生產的MCS-51系列單片機中的一種,除無片內ROM外,其余特性與MCS-51單片機基本一樣,。其結構圖如下:管腳功能介紹:P0:1.外部擴展存儲器時,當做數據總線2.外部擴展存儲器時,當作地址總線3.不擴展時,可做一般的I/O使用,但內部無上拉電阻,作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。P1口:只做I/O口使用:其內部有上拉電阻。P2口:1.擴展外部存儲器時,當作地址總線使用2.做一般I/O口使用,其內部有上拉電阻;P3口:除了作為I/O使用外(其內部有上拉電阻),還有一些特殊功能,由特殊寄存器來設置。ALE/PROG地址鎖存控制信號:在系統擴展時,ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來,以實現低位地址和數據的隔離。ALE有可能是高電平也有可能是低電平,當ALE是高電平時,允許地址鎖存信號,當訪問外部存儲器時,ALE信號負跳變(即由正變負)將P0口上低8位地址信號送入鎖存器。當ALE是低電平時,P0口上的內容和鎖存器輸出一致。在沒有訪問外部存儲器期間,ALE以1/6振蕩周期頻率輸出(即6分頻),當訪問外部存儲器以1/12振蕩周期輸出(12分頻)。從這里我們能夠看到,當系統沒有進行擴展時ALE會以1/6振蕩周期的固定頻率輸出,因此能夠做為外部時鐘,或者外部定時脈沖使用。由于無rom,因此必須外接擴展存儲器芯片,因此我們采用了外接一個EPROM2764,其具有8kb容量,2764有正常和編程兩種工作方式,vcc接+5v,編程電源在編程時接+5v,連接圖如下:74LS373是輸出有三態門的鎖存器,當使能端C為高電平時,鎖存器的數據輸出端Q的狀態與與數據輸入端D相同,當C端從高電平返回到低電平時,輸入端的數據就被鎖存在鎖存器中,數據輸入端D的變化不再影響Q端輸出。ALE與C端相連,起地址鎖存作用。第二節驅動電路基于三極管的使用機理和特性,在驅動電機中采用H橋功率驅動電路,H橋功率驅動電路可應用于步進電機、交流電機及直流電機等的驅動．。直流電機控制使用H橋驅動電路,當PWM1為低電平,經過對PWM2輸出占空比不同的矩形波使三極管Q1、Q6同時導通Q5導通,從而實現電機正向轉動以及轉速的控制;同理,當PWM2為高電平,經過對PWM1輸出占空比不同的矩形波使三極管Q2、Q3同時導通,Q4導通,從而實現電機反向轉動以及轉速的控制。第三節給定輸入電路運用A/D轉換芯片將滑動變阻器的模擬電壓轉換為數字量作為控制直流電機速度的給定值,采用了ADC0809芯片。其連接電路圖如下:由于外接存儲器,單片機ALE輸出為單片機的頻率1/12,約為1Mhz,因此需加一個D鎖存器,進行二分頻,因為ADC0809的最高時間頻率不得高于640khz。第四節增量式光電脈沖編碼器測速位置光電式編碼器直接與電動機主軸連接,當電動機轉動時,帶動碼盤旋轉,輸出一系列的脈沖信號。增量式編碼器在碼盤上均勻刻著一定數量的光柵,當電動機旋轉時,碼盤隨之一起轉動,可經過光柵的作用,持續不斷地開放或封閉光通路,因此,在接收裝置的輸出端便得到了頻率與轉速成正比的方波序列,從而得以計算轉速。上面為光電編碼器輸出脈沖后,由于輸出脈沖電平很小,因此經過運放放大后,再經過電平比較器LM339整形,輸出與計數器8254所能接收的+5V電平。脈沖從6口輸出。為了獲得轉速的方向,可增加一對發光與接收裝置,使兩對發光與接收裝置錯開光柵節距的1/4,剛兩組脈沖序列A和B的相位相差90度,正轉時A相超前B相,反轉時B相超前A相。BBA正轉時1.鑒別轉向電路能夠采用一個D鎖存器,A脈沖通入D端,B脈沖通入clk這樣,當正轉時,Q=1,反轉時,Q=02.脈沖計數電路將A,B通入與門后,再輸入到8254計數芯片計數霍爾傳感器測電流霍爾器件分為霍爾元件和霍爾集成電路兩大類,前者是一個簡單的霍爾片,使用時需將霍爾電壓進行放大,而后者將霍爾片和它的信號處理電路集成在一起,如差分放大器,射極跟隨器,其輸出伏級電壓,可直接使用ADC0809進行轉換。本設計采用了霍爾元件,因此需要加上濾波放大電路,由于電機電樞電流有一定的脈動,添加一個采樣保持環節,如圖示H為霍爾元件。轉速顯示電路LED數碼管的基本組成是半導體發光二極管,它是將若干個發光二極管,按照一定的筆段組合起來構成的一個整體。LED數碼管能顯示0—9十個數字及部份英文字母。它由8個發光二極管組成,其中7個長條形的發光二極管排列成”日”字形,另一個發光二極管在整個數碼管的右下角,用來顯示小數點。根據8個發光二極管的不同連接形式,能夠將LED數碼管分成共陽極和共陰極兩種。將8個發光二極管的陽極都連在一起的稱之為共陽極LED數碼管;將8個發光二極管的陰極都連在一起的,稱之為共陰極LED數碼管。本設計采用了數碼管動態顯示,這是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式一,動態驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起,另外為每個數碼管的公共極COM增加位元選通控制電路,位元選通由各自獨立的I/O線控制,當單片機輸出字形碼時,所有數碼管都接收到相同的字形碼,但究竟是那個數碼管會顯示出字形,取決于單片機對位元選通COM端電路的控制,因此我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開,該位元就顯示出字形,沒有選通的數碼管就不會亮。

透過分時輪流控制各個LED數碼管的COM端,就使各個數碼管輪流受控顯示,這就是動態驅動。在輪流顯示過程中,每位元數碼管的點亮時間為1～2ms,由于人的視覺暫留現象及發光二極體的余輝效應,盡管實際上各位數碼管并非同時點亮,但只要掃描的速度足夠快,給人的印象就是一組穩定的顯示資料,不會有閃爍感,動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的,能夠節省大量的I/O埠,而且功耗更低。連接電路圖如下如示,PA是8255芯片擴展口,共陰極接法,74ls138為三八譯碼器第七節時鐘振蕩器和復位電路單片機是一種時序電路,必須提供脈沖信號才能正常工作,在單片機內部已集成了振蕩器,晶體振蕩器接18,19腳,外部時鐘振蕩器和電容C1,C2構成并聯諧振電路,連接在XTAL1.XTAL2腳兩端內部振蕩電路復位電路第八節電源電路電子產品中常見到的三端穩壓集成電路有正電壓輸出的78××系列和負電壓輸出的79××系列。78XX,XX就代表它所輸出的電壓值,能降低電壓4-5V三端IC是指這種穩壓用的集成電路只有三條引腳輸出,分別是輸入端、接地端和輸出端。用78/79系列三端穩壓IC來組成穩壓電源所需的外圍元件極少,電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路。該系列集成穩壓IC型號中的78或79后面的數字代表該三端集成穩壓電路的輸出電壓,如7806表示輸出電壓為正6V,7909表示輸出電壓為負9V。有時在數字78或79后面還有一個M或L,如78M12或79L24,用來區別輸出電流和封裝形式等,其中78L調系列的最大輸出電流為100mA,78M系列最大輸出電流為1A,78系列最大輸出電流為1.5A。在實際應用中,應在三端集成穩壓電路上安裝足夠大的散熱器(當然小功率的條件下不用)。當穩壓管溫度過高時,穩壓性能將變差,甚至損壞。本電源模塊把220V的交流電轉換成低壓交流電,然后進行整流濾波,并用7805和7815穩壓成所需要的5V和15V的直流電源,供給電機和整個系統。系統軟件設計軟件具有1個循環主程序,子程序分別為:轉速給定子程序,AD轉換子程序,速度測定子程序,PID算法子程序,速度顯示子程序,Time0溢出中斷服務子程序,產生需要的PWM波信號PWM波產生使用單片機來控制直流電機的變速,一般采用調節電樞電壓的方式,經過單片機控制PWM1,PWM2,產生可變的脈沖,這樣電機上的電壓也為寬度可變的脈沖電壓。根據公式U=aVCC其中:U為給定電壓;a為脈沖的占空比(0<a<1);VCC直流電壓源,這里為5V。電動機的電樞電壓受單片機輸出脈沖控制,實現了利用脈沖寬度調制技術(PWM)進行直流電機的因為在H橋電路中,只有PWM1與PWM2電平互為相反時電機才能驅動,也就是PWM1與PWM2同為高電平或同為低電平時,都不能工作,ZKB1Pwm1PZKB1Pwm1Pwm2ZKB2實際占比空應該為,ZKB=ZKB1-ZKB2。在課設的編程中,我們把PWM波的周期定為1ms,占空比分100級可調(N最大值為100),這樣定時器T0每0.01ms產生一次定時中斷,每100次中斷后,進入下一個PWM波的周期。該子程序流程圖計數器T0置數,每0.1ms計數器T0置數,每0.1ms中斷一次打開計數器T0計數器T0溢出轉入中斷服務程序保存現場ZKB1減1ZKB1=0?PWM1=0PWM2=1ZKB2=0?PWM1=1PWM2=0NYNY關計數器T0輸入PWM1占空比ZKB1返回返回返回ZKB2減1PWM1EQUP1.0PWM2EQUP1.1NEQUR0;N用來設定每個pwm周期中斷次數ZKB1EQUR1;正向占空比ZKB2EQUR2;反向占空比ORG0000HSJMPMAINORG0002HAJMPT0INTMAIN:CLRTR0MOVTMOD#02H;T0,定時器,方式2MOVZKB1nMOVZKB2N-n;占空比由給定設定MOVTH0,#156MOVTL0,#156;定時器每0.1ms產生一次中斷SETBEASETBET0SETBTR0;開啟T0計時T0INT:DJNZZKB1,PW1DJNZZKB2,PW2RET1PW1:CLRPWM1SETBPWM2RET1PW2:SETBPWM1CLRPWM2RET1給定速度程序設計此模塊采用經過調節可變電阻,改變輸入的電壓值,ADC0809把模擬信號轉化成數字信號,進而去調節電機的轉速工作點,因此此模塊的重點就在編程驅動模數轉換芯片讀取數字信號。ADC0809的工作過程是:首先輸入3位地址,并使ALE=1,將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位清零,下降沿啟動A／D轉換,之后EOC輸出信號變低,指示轉換正在進行。直到A／D轉換完成,EOC變為高電平,指示A／D轉換結束,結果數據已存入鎖存器,這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平時,輸出三態門打開,轉換結果的數字量輸出到數據總線上。采用中斷方式讀取轉換到的數字信號。流程圖如下所示:初始化初始化選通INT-0通道,置ALE=1,給START脈沖,啟動A/D轉換A/D轉換結束,EOC=1中斷申請執行中斷服務程序結束給定A/D轉化子程序保存現場清除中斷標志置OE=1讀取AD轉換數值返回中斷服務子程序相應的匯編程序如下:_STEQUP3.6_EOCEQUP3.2_OEEQUP3.7DATA_ADEQU3000HORG0000HSJMPMAINORG0003HAJMPPINT0MAIN:SETBEA;允許總中斷STEBEX0;開INT0中斷SETB_OESETB_ST;置OESTART為低電平CLRP2.7MOVDPTR,#07FFFH;選中ADC0809MOVX@DPTR,A;啟動A/D轉換PINT0:CLR_EOCMOVDPTR,#7FFFHMOVXA,@DPTR;讀取AD轉換數值CALLDELAYMOVDATA_AD,A;數值存儲30H單元DELAY:MOVR5,#02HL1:MOVR6,#0E0HL2:DJNZR6,L2DJNZR5,L1RET轉速測定m/t法測速綜合了m法與t法的長處,既記錄測速時間內碼盤輸出的脈沖數m1,又檢測同一時間間隔內高頻時鐘脈沖數m2。設高頻時鐘脈沖的頻率為f0,則測速時間。習慣上轉速常以每分鐘轉數來表示,則電機的轉速可表示為:

式中,z為電機每轉一圈所產生的脈沖數(z=倍頻系數×碼盤光柵數),具體測速方法:在系統中,使用8254計數器,計數器T1,ALE引腳輸出的高頻脈沖f0,進行mt法測速。8254傳感器輸出脈沖進行計數,可設計數值為N1,利用方式0計數,使用單片機的T1定時器測高頻脈沖的時間Tt,先往T1置數,確定計數時間,當計數溢出時,中斷處理,停止8254的計數,并讀出當前計數器值N2,則M1=n1-n2,時間Tt由T1初值確定M2。流程圖如下:初始化8254初始化8254初如化T1啟動T18254開始計數T1溢出,轉入中斷服務處理程序保存現場8254停止計數,讀出當前計數器值,得M1計算轉速n并存儲恢復現場返回結束主程序部分中斷程序位置測量位置測量,同樣由光電脈沖傳感器輸出脈沖計算轉角,設初始位置為a,電機轉一圈的脈沖數為n1,當計數總數為n時,位置為n/n1取余數,位置為(a+余數/z*360)第五節電流測量程序電流的測量與給定輸入的程序基本一樣,不同的是,霍爾傳感器輸出的電壓模擬量接ADC0809的INT-1引腳,需置A2A1A第六節速度顯示程序在本單片機系統中,八段數碼管直接與單片機連接的,采用軟件編碼動態掃描的方式進行工作,字形表是經過對字形的編碼,由軟件實現,由八段數碼管實現字符的顯示。根據測量的轉速值,向八段引腳中賦予軟件編碼值,在打開片選引腳使其顯示在數碼管中,延時一段時間,再關閉片選端,為下一數碼管的顯示做準備。ADDR_AEQU8FFFH;8255A口地址ADDR_KEQU0BFFFH;8255A控制字地址DISPLAY:MOVDPTR,#ADDR_KMOVA,#80HMOVX@DPTR,A;設置控制字MOVA,R0;顯示轉速千位數字MOVDTPR,#ZXMMOVCA,@A+DPTRMOVDPTR,#ADDR_AMOV@DPTR,#8FFFH;選中8255A口CLRP1.0;譯碼選中LEDCLRP1.1CLRP1.2MOV@DPTR,A;顯示MOVA,R1;顯示轉速百位數字MOVDTPR,#ZXMMOVCA,@A+DPTRMOVDPTR,#ADDR_AMOV@DPTR,#8FFFH;選中8255A口SETBP1.0;譯碼選中LEDCLRP1.1CLRP1.2MOV@DPTR,A;顯示MOVA,R3;顯示轉速十位數字MOVDTPR,#ZXMMOVCA,@A+DPTRMOVDPTR,#ADDR_AMOV@DPTR,#8FFFH;選中8255A口CLRP1.0;譯碼選中LEDSETBP1.1CLRP1.2MOV@DPTR,A;顯示MOVA,R4;顯示轉速個位數字MOVDTPR,#ZXMMOVCA,@A+DPTRMOVDPTR,#ADDR_AMOV@DPTR,#8FFFH;選中8255A口SETBP1.0;譯碼選中LEDSETBP1.1CLRP1.2MOV@DPTR,A;顯示上面測量的轉速,其二進制數為16位數,可經過循環減法實現多字節的除法,將轉速的千位,百位,十位,個位存儲在R0,R1,R2,R3單元,顯示程序如下第七節PID控制算法3.1過程控制的基本概念過程控制――對生產過程的某一或某些物理參數進行的自動控制。模擬控制系統圖5-1-1基本模擬反饋控制回路被控量的值由傳感器或變送器來檢測,這個值與給定值進行比較,得到偏差,模擬調節器依一定控制規律使操作變量變化,以使偏差趨近于零,其輸出經過執行器作用于過程。控制規律用對應的模擬硬件來實現,控制規律的修改需要更換模擬硬件。微機過程控制系統圖5-1-2微機過程控制系統基本框圖以微型計算機作為控制器。控制規律的實現,是經過軟件來完成的。改變控制規律,只要改變相應的程序即可。數字控制系統DDC圖5-1-3DDC系統構成框圖DDC(DirectDigitalCongtrol)系統是計算機用于過程控制的最典型的一種系統。微型計算機經過過程輸入通道對一個或多個物理量進行檢測,并根據確定的控制規律(算法)進行計算,經過輸出通道直接去控制執行機構,使各被控量達到預定的要求。由于計算機的決策直接作用于過程,故稱為直接數字控制。DDC系統也是計算機在工業應用中最普遍的一種形式。3.2模擬PID調節器一、模擬PID控制系統組成模擬PID控制系統原理框圖二、模擬PID調節器的微分方程和傳輸函數PID調節器是一種線性調節器,它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)經過線性組合構成控制量,對控制對象進行控制。1、PID調節器的微分方程式中2、PID調節器的傳輸函數三、PID調節器各校正環節的作用1、比例環節:即時成比例地反應控制系統的偏差信號e(t),偏差一旦產生,調節器立即產生控制作用以減小偏差。2、積分環節:主要用于消除靜差,提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數TI,TI越大,積分作用越弱,反之則越強。3、微分環節:能反應偏差信號的變化趨勢(變化速率),并能在偏差信號的值變得太大之前,在系統中引入一個有效的早期修正信號,從而加快系統的動作速度,減小調節時間。3.3數字PID控制器一、模擬PID控制規律的離散化模擬形式離散化形式二、數字PID控制器的差分方程式中稱為比例項稱為積分項稱為微分項三、常見的控制方式1、P控制2、PI控制3、PD控制4、PID控制四、PID算法的兩種類型1、位置型控制2、增量型控制3.4PID算法的程序流程一、增量型PI