直流調(diào)節(jié)PiD課程設(shè)計(jì)

1、【摘要】進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，因?yàn)槲㈦娮蛹夹g(shù)的快速發(fā)展，電路的集成度越來越高，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生了很重要的影響，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式迅速向微機(jī)控制方向發(fā)展，并由硬件控制轉(zhuǎn)向軟件控制，智能化的軟件控制將成為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制器的實(shí)現(xiàn)方式在數(shù)字控制中也在向硬件方式發(fā)展。在軟件方式中也是從運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的外環(huán)向內(nèi)環(huán)，進(jìn)而向接近電動(dòng)機(jī)環(huán)路的更深層發(fā)展。目前，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)字控制大都是采用硬件與軟件相結(jié)合的控制方式，其中軟件控制方式一般是利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)的。本文介紹了采用AT89C51作為控制器核心，晶閘管觸發(fā)和轉(zhuǎn)速測(cè)量等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字化的微機(jī)控制電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.1課程設(shè)計(jì)的目

2、的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用知識(shí)的過程，它不僅需要微型機(jī)控制理論，程序設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，而且還需要具備一定的生產(chǎn)工藝知識(shí)。設(shè)計(jì)包括確定控制任務(wù)，系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制的軟件設(shè)計(jì)等，即便是學(xué)生掌握微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路和方法。1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1） 直流電機(jī)型號(hào)：Z2-41型 額定功率Pe=18kW；額定電壓Ue=220V 額定電流Ie=94A;額定轉(zhuǎn)速ne=1000r/min 回路電阻R=0.45歐姆電機(jī)時(shí)間常數(shù)T1=0.0297s電機(jī)時(shí)間常數(shù)Tm=0.427s電動(dòng)勢(shì)系數(shù)C=0.2059/（r.min-1）晶體管PWM放大器；工作頻率：2kHz；工作方式

3、：H型雙極性直流電壓源：264V2） 主要技術(shù)指標(biāo)：調(diào)速范圍01000r/min電流過載倍數(shù)：1.5倍速度控制精度：0.1%(額定轉(zhuǎn)速時(shí))3） 主要要求； 電動(dòng)機(jī)控制電源采用晶體管PWM功率放大器，其占空比變?yōu)?0.51是，對(duì)輸出電壓為-2640+264，為電機(jī)最大電流25A，速度檢測(cè)采用光電編碼器（光電脈沖信號(hào)發(fā)生器），且其輸出的A B兩項(xiàng)脈沖經(jīng)光電隔離后獲得每轉(zhuǎn)1024個(gè)脈沖角度和信號(hào)。電流傳感器采用霍爾電流傳感器，其原副邊電流比為1000：1，額定電流50A。采用雙閉環(huán)（電流環(huán)和速度環(huán)）控制方式。2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理 TA基于8051的PWM產(chǎn)生電路A

4、SRACR驅(qū)動(dòng)電路.M光電解碼2.2數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)原理我們?cè)O(shè)計(jì)了數(shù)字控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示：3.1主電路主電路有二極管整流其UR，PWM逆變器UI和中間電流電路三部分組成，一般都是電壓源性的，采用大電容C濾波，同時(shí)兼有無功功率交換的作用。為了避免大電容C在通電時(shí)產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻，通過電源是，先限制充電電流，再延時(shí)用開關(guān)K將短路，以免長(zhǎng)期接入時(shí)影響整流電路的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)減速或停車，貯存在電機(jī)的負(fù)載傳動(dòng)部分的動(dòng)能將變成電能，并能通過PWM變換器回饋給直流電源。根據(jù)二極管的最大整流平均I

5、f和最高反向工作帶電壓Ur分別應(yīng)滿足：If>1.1*Io(AV)/2=54.5（A）調(diào)節(jié)器按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”的設(shè)計(jì)原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先涉及電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器如下： Kf/S（TS+1）/（TfiS+1）（1/R）/T×S+1Ks/Ts×S+1Kpi（1+1/is）Tl=Ti=0.0297s Tei=0.0005s Tsmax=1/2000=0.0005s T=0.001sTs=Tsmax=0.0005s Kl=500 Ki=KlTiR/*(Ks)=28校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截

6、止頻率：Wci=KI=500脈寬調(diào)制變換器傳遞函數(shù)近似條件Wci<=1/(3Ts)1/(3Ts)=1/(3*0.00025)=666.67>500=Wci可見，滿足近似條件。轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)（Ton×S+1）1/（Ton×S+1）Kpn/（1+nS）1/（2T+1）R/C×Ton×S3.3驅(qū)動(dòng)原理圖3.4調(diào)節(jié)器的離散化 經(jīng)過前面的調(diào)節(jié)器參數(shù)得到模擬式的電流，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到控制的離散化算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。 數(shù)字控制器采用PI調(diào)節(jié)算法，不僅

7、可以對(duì)系統(tǒng)偏差盡心比例調(diào)節(jié)，而且可對(duì)偏差進(jìn)行微分，因而提高了系統(tǒng)的控制精度和抗外界干擾能力，模擬調(diào)節(jié)的PI算式為:U(t)=Ke(t)+1/Tie(t)dtKp-比例系數(shù)E（t）-時(shí)刻偏差，為測(cè)量值和給定值之差Tt-積分時(shí)間常數(shù) 在數(shù)字式控制中，由于采用數(shù)字計(jì)算，要對(duì)給定值和反饋量進(jìn)行采樣，因此要對(duì)上述算法進(jìn)行離散化，得到適用于數(shù)字控制的PI算式：U（n）=Kpe(n)+1/Tie(j)T式中U(n)-第n次采樣后算得的調(diào)節(jié)器輸出；E（n）-第n次采樣算得的偏差T-采樣周期n-采樣序號(hào)上述算式計(jì)算出的是第n次采樣后，控制器書的數(shù)字量，叫位置式算式。從式中用增量可得到數(shù)字化增量式算式：U(n)=

8、Kpe(n)-e(n-1)+Kie(n)式中U(n)-第n次采樣后增量E（n）-第n次采樣后偏差值E（n-1）-第n-1次采樣后的偏差值Ki=Kp×T/Ti-積分系數(shù)PI控制算法：Ui=Ui-1+Kp(ei-ei-1)+(Kp*T/Ti)*ei令P=Kp I=Kp*T/Ti)eiT采樣周期 Ti=RnCn Kp=Rn/R0四 程序流程圖四 工作寄存器0組RO-R7 00H-07H數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 30H-7FHPSW.4（RS1=0） PSW.3(RS0=0) ；選中工作寄存器0組P0口地址 80H P1口地址 90HP2口地址 A0HP3口地址 B0H堆棧（SP） 81H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控

9、制 TCON 88H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控制 TMOD 89H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0 低字節(jié) TL0 8AH 高字節(jié) TH0 8CH定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1 低字節(jié) TL1 8BH 高字節(jié) TH1 8DH中斷1PI采樣（ui）中斷0A/D采樣 P1口預(yù)置 W P0口測(cè)量值（實(shí)測(cè)Y）主程序：0000 AJMP STARTSTART： CLR PSW.4 CLR PSW.3 ；選中工作寄存器0組 CLR C MOV R0 ，4FH MOV A ，30HCLEAR1： CLR A INC A DJNZ R0 ，CLEAR1 ；清零30-7FH SETB TR0 ；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0工作 MOV TMODE ，#01H

10、 ；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作在方式1 SETB EA ；總中斷開放 SETB IT0 ；置INTO為降沿觸發(fā) SETB IT1 ；置INT1為降沿觸發(fā)LJMP MAINLJMP CTCOLCALL SAMPLE Fosc=12MHZ，用一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)50ms，用R2作計(jì)數(shù)器，置初值14H，到定時(shí)時(shí)間后產(chǎn)生中斷，每執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序，讓計(jì)數(shù)器內(nèi)容減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器內(nèi)容減為0時(shí)，則到1s。PI控制算法:Ui=Ui-1+Kp(ei-ei-1)+(Kp*T/Ti)*ei令P=KP I=KP*T/T I則Ui=Ui-1+P(ei-ei-1)+I*eiT采樣周期 Ti=RnCn Kp=Rn/R0PI程序：

11、SETB EX1 ；開放中斷1MOV R0，90H ；P1口（W）送R0,預(yù)設(shè)MOV R1，80H ；P0口（Y）送R1，實(shí)測(cè)MOV A，R0 ；W給AMOV B，R1 ；Y給BSUBB A，B ；ei給AMOV 7FH，A ；ei 給7FHMOV 7EH，#00H ；ei-1=0給7EHMOV 7BH，Umax MOV 7AH, UminAJMP IN ；積分項(xiàng)AJMP P ；比例項(xiàng)MOV A，R2 ；Pi給AADD A，R3 ；Pi+Pp給AMOV 7DH，#00H ；Ui-1=0給7DHADD A，7DH ；Ui-1+Pi+Pp=Ui給AMOV 7CH,A ；Ui給7CHMOV 7DH，

12、7CH ；Ui給Ui-1MOV A，7BH ；Umax給ACJNE A，#Ui，LOOP2 ；UiUmax轉(zhuǎn)移MOV A，#UiCJNE A，7AH，LOOP3 ；Ui<Umin轉(zhuǎn)移MOV 90H，7CH ；輸出Ui到P1口LOOP2：MOV A，7CH ；Ui給ACLR CSUBB A，#UmaxRETILOOP3：MOV A，7CH ；Ui給A CLR C SUBB A，#Umin RETIIN： MOV 6FH，#I MOV A，6FH ；I給A MOV B，7FH ；ei給B MUL AB ；Pi=I*ei給A MOV R2，A ；Pi給R2 RETIP： MOV 6EH，#P CLR C MOV A，7FH ；