直流电动机闭环调试系统PID调节Word文档格式.docx
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电调速技术进入到一个新的阶段。
从控制的角度来看,直流调速还是交流拖动系统的基础。
早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。
随着单片机技术的日新月异,使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,并使系统能达到更高的性能。
采用单片机构成控制系统,可以节约人力资源和降低系统成本,从而有效的提高工作效率。
第一章摘要
这次的课程设计主要介绍了用单片机控制直流电机的一系列状态,在此基础上,以MCS-51单片机为控制核心,设计了直流电机调速控制系统的外围电路:
用电位器输出模拟电压0V~+5V,用ADC0832芯片进行A/D转换,然后再用DAC0832芯片进行D/A转换,输出0V~+5V电压,经DAC外围放大电路改变输出电压,从而对直流电机进行转速控制。
同时利用霍尔元件对直流电机读回脉冲数,实现对电机转速的计算。
并且还有对转速显示的数码管显示电路。
在这之后,对电机施加负载,改变电机的转速,继而通过PID调节,调整电机的转速。
通过软件编制相应的程序和设计的控制硬件电路连线,可以实现用电位器对电机的状态进行控制。
在电压允许范围内,直流电机的转速随着电压的升高而加快。
实验室中的实验仪的D/A变换器可输出0V~+5V的电压,将电压经驱动后加在直流电机上,使其运转。
通过单片机输出数据到D/A变换电路,控制电压的高低,观察电机的旋转情况。
在电机的转盘上安装一个小磁芯,用霍尔元件感应电机转速,用单片机控制8255读应脉冲,从而测算出电机的转速。
第二章系统总体设计原理
系统的总原理框图如下图所示,以MCS-51单片机为核心,包括直流电机,霍尔元件速度采集电路,ADC0809,DAC0832,PID调节电路及驱动电路,显示电路等几部分组成。
图1.直流电动机闭环调试系统设计的总原理框图
第三章系统设计与分析
一.直流电机的原理简介
直流电机由定子和转子两部分组成,其间有一定的气隙。
其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。
直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。
其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件,由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。
直流电机的转子则由电枢、换向器(又称整流子)和转轴等部件构成。
其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。
电枢铁心由硅钢片叠成,在其外圆处均匀分布着齿槽,电枢绕组则嵌置于这些槽中。
换向器是一种机械整流部件。
由换向片叠成圆筒形后,以金属夹件或塑料成型为一个整体。
各换向片间互相绝缘。
换向器质量对运行可靠性有很大影响。
直流电机的调速原理是:
由直流电机的速度公式n=(Ua-IaRa)/CeΦ,其中n是电机转速,Ua是电枢电压,Ia是电枢电流,Ra是电枢回路总电阻,Ce是电极常数,Φ是电机的励磁磁通。
对于极对数是p,匝数是n,电枢支路数为a的电机来说Ca是常数。
由于Ra为电枢回路电阻故其值很小,通过调节电阻改变转速的效果不明显。
如果通过调节磁通量,对于它励电机其有外接的电源电压决定。
故一般通过改变电枢电压来达到调节转速的目的。
图2.直流电机原理图
二.霍尔元件速度采集电路
霍尔元件是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。
具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小耐高温等特性。
将一块永久磁钢固定在直流电机转轴上的转盘边沿,转盘随转轴旋转,磁钢也跟着同步旋转。
在转盘附近安装一个霍尔开关传感器,当转盘随转轴同步旋转时,受磁钢产生的磁场的影响,霍尔器件输出脉冲信号,器脉冲信号的频率和转速成正比。
这样只要测出脉冲信号的频率或者周期即可求出直流电机的转速。
图3.霍尔元件速度采集电路
三.A/D转换电路
A/D转换器大致有三类:
一是双积分A/D转换器,优点是精度高,抗干扰性好,价格便宜,但速度慢;
二是逐次逼近A/D转换器,精度、速度、价格适中;
三是并行A/D转换器,速度快,价格也昂贵。
实验用的ADC0809属第二类,是8位A/D转换器,每采集一次一般需
。
本实验可采用沿时方式或查询方式读入A/D转换结果。
图4.ADC0809及A/D转换电路
四.D/A转换电路
采用DAC0832及D/A转换电路,DAC0832是一个八位并行的D/A转换器。
它由三部分组成:
一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器。
由于有两个可以分别控制的数据寄存器,使用时有较大的灵活性。
其作用是将单片机输出的数字信号转换为模拟量输出,并将电流信号转化为电压信号输出,实现对直流电机电压的控制。
在这里为了实现直流电机的正反转,所以采用双极性输出电路。
其主要参数如下:
分辨率为8位,转换时间为1μs,满量程误差为±
1LSB,参考电压为(+10?
/span>
-10)V,供电电源为(+5~+15)V,逻辑电平输入与TTL兼容。
从图2-2中可见,在DAC0832中有两级锁存器,第一级锁存器称为输入寄存器,它的允许锁存信号为ILE,第二级锁存器称为DAC寄存器,它的锁存信号也称为通道控制信号/XFER。
图5.DAC0832及D/A转换电路
五.显示器
在单片机应用系统中,显示器是最常用的输出设备。
在此选用两个共阴极数码管显示脉冲数,采用动态扫描显示,当电机转动时,则数码管显示转速的内容,显示的是由霍尔元件采集来的脉冲数,由十六进制转换为十进制后存入显示缓冲区,再查表显示出想要得到的数字。
当电机停止时,数码管显示为零。
当给电机施加负载时,转速降低,数码管显示数值降低。
当经过PID调节以后,数码管显示数值升高到之前的转速值。
六.速度测量计算及显示
(1)定时器/计数器
采用51单片机内部计数器对脉冲进行计数,内部定时器用做计数器时,对外部输入脉冲的个数进行计数。
此次课题对引脚T1(P3.5)输入的外部脉冲信号计数,当输入脉冲信号从1到0的负跳变时,计数器就自动加一。
计数器的最高频率一般为振荡频率的1/24。
启动计数器,调用延时子程序,使其在预定时间内计数,此处延时时间为0.26s,
不同设定的电压会得到相对应的脉冲数。
由此可计算出每1秒的脉冲数,即可得到电机当下的转速。
(2)二进制到BCD的转换
将计数的二进制值转换成BCD码通过八段数码显示管显示。
(3)显示程序
采用动态显示,定义以上地址编写程序实现显示。
七.单片机简介
单片机全称为单片微型计算机。
因为单片机主要用于控制系统中,所以又称微控制器或嵌入式控制器。
它具有嵌入式应用系统所要求的体系结构,微处理器,指令系统,总线方式,管理模式等。
它把计算机的基本部件都微型化集成到一块芯片上了,通常片内部都含有中央处理部件(CPU),数据存储器(RAM),程序存储器(ROM,EPROM,FlshROM),定时器/计数器和各种输入/输出(I/O)接口。
8051是MCS-51系列单片机的典型产品,8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。
第四章硬件连线及调试
本次实验采用WAVElab2000通用微控制器实验箱做开发工具,调试具体程序时,先采用软件模拟器调试程序,程序调试无误后,再连接硬件,进行软件与硬件相结合的调试。
一.软件调试
为方便查找程序错误,分析程序执行过程,调试过程中一般使用单步执行和跳到光标位置执行操作,需要知道最终调试结果是否正确时使用全速执行。
或者执行全速,若结果出现问题,然后单步运行观察所编语句是否每句达到预定效果,应注意的是循环语句是否会跳转出来。
LED显示模块的调试需先用跳到光标位置执行,然后单步运行程序,观察CPU窗口中各寄存器中数据变化是否按预定执行,同时观察LED显示结果,并思考软件运行过程。
LED显示模块调试时先增大延时,使其在动态显示时能从左到右逐位清楚的显示,调用无误后再调整好延时,使其快速显示,达到稳定显示的效果。
二.软硬件结合
将电位器的输出口接至ADC0809的INTO口,将DAC0832的输出电压0V~5V口接至直流电机D/A输入口,其脉冲输出口接8051T1口(P3.5口),然后将LED和键盘片选KEY/LED_CS与片外RAMCS2口相连,ADC0809的AD_CS口接片外RAMCS0口,DAC0832的DA_CS口接片外RAMCS3口完成硬件连接,8255_CS口接片外RAMCS1口。
三.直流电动机闭环调试过程
(1)开始调节电位器
图6.开始调节电位器
(2)显示当前转速
图7.转速显示28
(3)给电动机增加负载
图8.给电动机增加负载
(4)显示当前转速
图9.转速显示8
(5)经过PID调节
图10.经过PID调节控制
(6)显示当前转速
图11.转速再次显示28
第五章直流电机控制汇编程序
modeequ082h;
方式0,PA、PC输出,PB输入
PortAequ9000h;
PortA口
PortBequ9001h;
PortB
PortCequ9002h;
PortC
CAddrequ9003h;
控制字地址
CS0809equ8000h;
A/D转换器
CS0832equ0B000h;
D/A转换器
OUTBITequ0A002h;
位控制口
OUTSEGequ0A004h;
段控制口
LEDBUFequ70h
org0
table:
db3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh
db7dh,07h,7fh,6fh,77h,7ch;
八段LED显示器字型码表
ljmpstart
delay0:
movr4,#255
deloop0:
movr3,#255
nop
Djnzr3,$
Djnzr4,deloop0;
延时子程序
ret
zhuanma:
movdptr,#table
movca,@a+dptr;
查表取出相应字型码
ret
jisu:
movTH1,#00h
movTL1,#00h;
计数器初始值清零
setbTR1;
启动计数器
calldelay0
calldelay0;
定时
mova,TL1
movb,#0ah
divab;
进行BCD码转换
acallzhuanma
movr0,#LEDBUF;
寄存缓冲器
mov@r0,a
mova,b
acallzhuanma
incr0
mov@r0,a;
转速送70h71h
xianshi:
movr0,#LEDBUF
movr2,#00000010b;
确定显示的数码显示管第5位
movdptr,#OUTBIT
mova,r2
movx@dptr,a
mova,@r0;
取出第一个待显示数据
movdptr,#OUTSEG
calldelay0
rra;
指数码显示管,第6位显示
movr2,a
incr0;
指向下一个数据存储位置
movdptr,#OUTBIT;
扫描模式开始
movx@dptr,a
取出第二个待显示数据
calldelay0
ret
start:
movsp,#50h
movTMOD,#50h;
设定计数器工作方式寄存器
movIE,#8ch;
设置中断允许控制寄存器
Loop:
movdptr,#CAddr
mova,#mode
movx@dptr,a
movdptr,#CS0809
mova,#0
movx@dptr,a;
起动A/D
mova,#40h
djnzacc,$;
延时>
100us
movxa,@dptr;
读入结果
movr1,a
movdptr,#CS0832
起动D/A
mova,r1
AD值送DA显示
acalljisu
movr0,#72h
mova,@r0
incr0
mov@r0,a;
第一次测速值从72h转到73h中
movdptr,#CS0809
movr1,a
loop1:
acalljisu
movr2,#73h
mova,@r2
movr2,#72h
movb,@r2
subab
movb,#4
mulab
adda,r1
movr1,a;
比较两次速度值加上kp之后
movdptr,#CS0832
movx@dptr,a;
acallxianshi
ljmploop1
end
综合训练总结
本学期,我们进行了4周的综合训练学习。
我认为,单片机对于现在的我们相当的重要。
作为我们的主要专业课之一,在这为期4周的专业综合训练中我发现自己对编程语言的兴趣在逐渐增加。
这次单片机课程设计对我来说学到的不仅是更加深入的了解单片机知识,更多的是怎样如何去设计自己的课题,怎样利用学习的知识汇编程序语言,怎样去连接外部接口。
它不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结合起来,提高自己的实际动手能力和独立思考的能力,更重要的是与老师之间的交流以及同学之间的互帮互助。
虽然我们这次花去的时间比别人多,但我相信在这同时我们学到的也会更多!
作为一名测控专业的大四学生,我觉得做综合训练是十分有意义的,而且是十分必要的。
在已度过的大学时间里,我们大多数接触的是专业课。
我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识,如何去锻炼我们的实践能力?
如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢?
我想做类似的综合训练就为我们提供了良好的实践平台。
而在做本次专业综合训练的过程中,我感触最深的当属怎样去给我们的课题汇编单片机的程序语言。
由于平时对单片机知识学习得不够扎实,理解得不够透彻、一知半解,致使在运用是不能贯通,导致在设计过程中困难重重,往往无从下手,但是通过询问老师以及和同学一起探讨,最后还是一步一步的把问题给解决了。
从星期一拿到课题,自己跑去图书馆,借阅大量的有关直流电动机闭环调试系统设计的资料。
通过课本熟悉单片机设计流程;
其次,在这次课程设计中,我们运用到了许多软件,如:
WAVE6000仿真软件、MICROSOFTVISIO绘图、模拟和数字电路知识等。
过去从未独立应用过它们,但在4周的过程中努力去学,去应用,这是我做这次综合训练的又一重大收获。
同时感谢各位老师的指导,以及同伴的帮助。
从查资料,汇编程序语言,上机操作,再把与这次课程设计有关的资料汇总在WORD中,直至打印出来到我们满意。
我感到收获巨大。
虽然很辛苦,但是自己觉得很值得。
参考文献
1边春远,王志强.MCS51单片机应用开发实用子程序.人民邮电出版社出版发行.
2范蟠果.单片机实验与应用系统设计.国防工业出版社.
3邹久朋.80C51单片机实用技术.北京航空航天大学出版社.
4张淑清.单片机应用技术.国防工业出社.
5王晓明.电动机的单片机控制.京航空航天大学出版社.
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- 关 键 词:
- 直流电动机 闭环 调试 系统 PID 调节