PLPC电机控制标准系统.docx

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PLPC电机控制标准系统

黑龙江科技学院大学生科研基金工程

设计说明书

项目名称：

基于P89LPC932的电机控制系统

申请者：

王洪磊

组员：

付强■邓学岩.徐成宏

指导教师：

魅

基于P89LPC932的电机控制系统

编者按：

运用P89LPC932的脉宽凋制功能实现对电机的恒转速控制，用外接键盘实现对电机的速度输入，采用数字PID控制算法实现对电机的恒转速控制的选题是一个应届生的毕业设计。

直流电动机因苴良好的启动、制动性能，良好的机械特性，使得英在现代工业控制领域得到了广泛的应用。

自从PWM（脉冲宽度调制电路）引入到电机控制以后，给自动控制领域带来了深刻的变化，PWM调速装苣在直流调速、伺服控制系统中得到了广泛的应用。

纯硬件的PWM系统，其硬件电路较为复杂，实现不易。

而采用Philips公司新推出的芯片P89LPC932,利用英内部本身自带的脉宽调制器能够很方便的实现对PWM波形的控制。

本系统中采用PWM控制器作为PWM控制器及微处理器，由他来实现以下的任务：

1用外接键盘实现对电机的速度输入，能够实时给泄电机的转速。

2•设il•一个测速装置由计数器0端口来测量电机的转速并经P89LPC932的串行口送LED显示。

3•设计数字PID算法实现对电机的恒转速控制，即由键盘输入给左了电机的速度之后在电机允许的范围之内，改变其负载的大小，电机的转速能够维持基本恒泄不变。

第一章硬件电路的实现

1.1概述

本系统以P89LPC932作为核心控制部件，外加一左的辅助电路来完成系统的预期任务即电机的恒转速控制并送显示。

利用英外接键盘作为电机的速度输入端，通过键盘输入转速来输岀与之相对应的PWM波形。

加以一定的驱动电路来驱动电机。

利用磁铁和磁的霍尔传感器的霍尔特性设汁一测速电路实时测量电机的转速。

利用P89LPC932的串口送电机的实测转速。

设讣一数字PID调节器，通过数字PID算法实现对电机的恒转速控制。

整体电路的原理框图如图1-1所示。

图1-1整体电路原理框图

图1-1电路中键盘输入数据是由P89LPC932实时扫描来实现的，一旦键盘输入新的数据则立即送出新的与键盘输入数据相对应的相应占空比的PWM波形。

因为由P89LPC932输岀的电压高电平仅为+3,输出电流仅仅为2MA左右，因此要驱动本系统中的12V小电机必须将电流、电压加以放大，在本电路中采用功率三极管加以实现。

测速电路是采用磁铁和磁的霍尔传感器的霍尔特性来测量电机的转速的。

显示电路用到了P89LPC932的串行口，由串行口送出电机的速度。

在监控程序中，将电机的实测转速与通过键盘输入所确左的电机应具有的给泄转速比较，一旦二者之间有偏差，马上调用数字PID算法进行纠正，改变PWM波形的输岀占空比，使得电机的实际转速相给泄转速靠拢，从而实现电机的恒转速控制。

关于P89LPC932的介绍请见参考文献［1

1.2输入电路

为了实时给定电机的转速，可以通过外接键盘来输入设定，具体电路如图1-2所示。

图1-2速度输入电路

由于用键盘输入转速和数字PID参数，所以需要的按键数目较多。

因此键盘接口采用行列式键盘接口，按键的识别方法采用线反转法。

键盘的工作原理请见参考文献《单片机原理与应用》。

最终，由键盘输入数据大小来确左相应PWM波形的占空比，从而改变电机的转速。

扫描键盘程序中首先是判断键盘是否有数据输入。

若有新数据输入则立即送出与输入数拯相对应的PWM波形。

只有在键盘没有数据输入的情况下，监控程序才会判断电机的实际测量转速与键盘所输入的给泄转速是否相等，若二者有偏差，则必须调用数字PID算法来实现电机的恒定转速控制。

1.3驱动电机电路

因为在电机驱动系统中，主要是对P89LPC932输出的PWM波形进行功率放大，因此首先必须要介绍一下P89LPC932自带的脉宽调制器的工作原理，详细说明请见参考文献

«LPC900系列Flash单片机应用技术》（上册）。

在图1-3中，三极管9012的特性参数如下：

Pcm=310MW,Icm=50MA,ut=18V,Uibroo=3V,Icbo=0.05MA»Iceo=0.1|.lA.»hFE=60~103,fr=80MH乙

Q0管为功率三极管，因为在书上找不到其资料的详细说明，只是在网络上找到了英资料的简单说明，Q0管的型号为D880特性参数为140V10A100W。

因此采用此功率三极管在本系统是足够的。

Q1管9012作为基极驱动电路由于Q0管接成了射极跟随器的形式，Q0的发射极电压跟随英基极电压的变化，由于其管压降的作用，当Ub=+12V时，Ue=11.4V,并且经过测量我们知道其射极最大输出电流为60MA可以驱动本系统12V小电机的运行。

D0为快速恢复二极管，型号为1N4148,作为电机的保护管，并且在功率三极管的射极输出为低电平时，D0管又可以作续流二极管的作用，由于在其输出为高电平期间电机电枢电感的储能作用，此时通过D0管使电机电流继续导通。

1.4测速电路

因为实验条件的限制，本次课题设讣所采用的测速电路是利用磁铁和磁霍尔传感器的霍尔特性来设汁岀来的测速电路，其中传感器型号为NJK-5002C,特性参数：

NPN型，工作电压U=6~36V（直流），输出电流I=200mA.原理图如图14所示。

英中磁铁吸附在电机的传动轴，当磁铁接近磁霍尔传感器时，霍尔传感器输岀0V否则传感器输出为+12V。

由于霍尔传感器输出的电流较小且电压过大，所以在霍尔传感器与单片机之间加了电流驱动和分压电路。

9013为NPN型三极管，英特性参数如下：

Pcm=310MW,Icm=50MA,u（bocco=18V,UiBR>EBo=3V,Icbo=0.05MA»Iceo=0.1j.iA»hFE=60^103,fT=80MH乙

当电机转动时，磁铁会周期性的接近磁霍尔传感器，磁霍尔传感器就会输出一个连续的方波信号，这个方波信号就可以作为P89LPC932的T0计数器的计数脉冲。

图14测速电路原理图

1・5显示电路

为了送显示电机的转速，我们用到了P89LPC932的串行通信口，为了送出待显示的笔画码用到了其串行工作方式Oo芋

I■4♦I

图1-8显示电路

在显示电路中，利用74LS164）\位移位寄存器锁存需要送出的笔画码。

74LS164是一种串并数据输入并行或串行数据输出，可以异步复位的8位数据寄存器，常用做串并数据转换。

显示电路原理图如图1-8所示。

采用串行接口电路来作为显示电路，占用口线资源少，编程简单，而且其硬件电路的实现也不复杂。

其中两位是控制转速，另两位是实际转速。

第一章系统软件设计

为了使系统发挥其最大的作用，并且为了以后更新换代升级的方便，在系统的硬件确宦以后，必须有足够强大的且功能完善的软件来支持，一个系统有一个好的软件的支持，就好比这个系统有了一颗奔腾的"芯”，能够很好的指导和协调硬件的工作，生生不息。

本系统中的监控程序设计采用模块化的设计方法。

多个功能模块的功能相互独立，又能够互相调用，修改调试非常的方便。

其资源分配都具有明显的表识符号，具有较强的可读性性。

2.1主程序设计

由于监控程序选择在左时器0中断服务程序中，主程序完成的任务相对简单。

它只是完成自检、初始化等工作而进入等待方式。

经过实验发现PWM不能工作在休眠状态，当工作在休眠状态时，PWM输出的电压几乎为0,其流程图如图2-1所示。

1.看门狗初始化

为了防止系统死机，使系统能够更好的工作，通过串行编程对Flash的UCFG1寄存器的WDTE位启动，立时装置必须泄时得到软件淸除，以防止其溢岀使HCU复位，英初始化程序如下：

WDL=0xffa

EA=0c

WDC0N=0Xe5o

WFEEDl=0XA5o

WFEED2=0X5Ao

EA=lo

〃装入8位倒计数器的新值

//4096分频，看门狗振荡器作为时钟源，看门狗运行控制

〃喂狗

两条写入看门狗复位寄存器WDREST的命令要按照一泄的顺序进行，否则看门狗电路仍然按照最初的设置直到溢岀。

2.左时器、计数器初始化包括设置工作方式，即对TM0D进行初始化.由于立时器、计数器0的工作方式为工作方式1,英初始化程序如下：

IEN0二0X88。

//开全局中断和定时器1溢岀中断

THOD二0X15。

//定时器1、计数器0的工作方式都为1

TH1二0X15。

//定时器设初值

TLl=0Xa0o

TH0=0.

〃计数器淸零

TL0=0c

TR1二1。

//泄时器启动

TRO二1。

〃计数器启动

3.PWM初始化

该系统用OCC也就是P89LPC932的第4脚所输岀的方波作电机的脉宽调制信号。

PWM控制信号的初始化程序如下：

OCRCH二OXff。

//输出比较

OCRCL=OXffo

TH2=0XFFo

TL2二OXFF。

//设泄PWM频率

TOR2H=OXFFo

TOR2L=OXFFo

CCCRC二1。

//非反向的PWM,在比较匹配时置位：

在CCU立时器递减向下益岀时淸零

TCR21=0X8Bo//写分频，锁

TCR20二0X80。

//置PLLEN等读出为一

while（TCR20!

=0x80）

{o}

TM0D21=lo//启动PWM上时器

4.键盘扫描

本系统采用线反转法进行键盘扫描，线反转法只需要两步便能获得所在的行列值，显得十分简练。

图2-1主程序流程图

2.2系统左时监控

一个完整的系统都离不开对系统状态的监控，就象一个十字交通口.必须有红、绿灯来指示车辆的正常通行，还要有电子眼监视违规车辆并记录。

为了更好的协调软件，硬件个部分正常工作，就必须对整个系统进行严密监控。

本系统是有左时器1中断服务程序担任监控任务。

但由于电动机是一种有惯性、有滞后的环节，当电动机负载过大时，滞后就会更加明显，因此必须选择一个合适的监控扫描时间这是至关重要的。

如果每次的监控扫描时间过长，会增大整个系统的调肯时间。

时间过短,滞后环节的影响来不及反应。

经过多次的实验总结，监控扫描时间间隔1秒比较合适。

即每1秒对电机测速装置转换进行一次采样。

并进行相应的处理，再经过数字PID调卩器调节来实现电机的恒转速控制。

英监控程序流程图如图2-2所示。

图2-2圮时器1中断服务程序流程图

第三章数字PID及其算法

在模拟系统中，苴过程控制方式就是将被测参数，如温度、压力、成分、液位等由传感器变换成统一的标准信号送入调节器，在调节器中，与给左值进行比较，然后把比较岀的差值经PID运算送到执行机构，改变进给量，以达到自动调节之目的。

这种系统多用电机（或气动）单元组合仪表DDZ（或QDZ）来完成。

而在数字控制系统中，则是用数字调肖器来模拟调卩器，其调巧过程是首先把过程控制参数进行采样运算处理，运算结果由模拟量输岀通道输出，并通过执行机构去控制生产，以达到给定值。

讣算机控制的主要任务是设计一个数字调肖器常用以下控制方法：

1程序和顺序控制

2比例积分微分控制（简称PID控制）

调节器的输出是其输入的比例，积分，微分的函数。

PID控制现在应用最广，技术最成熟，苴控制结构简单，参数容易整左，不必求出被控对象的数学模型便可以调肖，因此无论模拟调节器或数字调节器大都采用PID控制规律。

3复杂规律的控制

4智能控制

3.1PID算法的数字实现

PID调节是Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential微分三者的缩写，是连续系统中技术最成熟，应用最广泛的一个调盯方式。

PID调肖的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以控制输出。

在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可以灵活的改变PID的结构，取其中的一部分的环节构成控制规律，如比例（P）调节、比例积分（PI）调节、比例积分（PID）调节等。

特别是在计算机控制系统中，更可以灵活应用，以充分发挥计算机的作用。

3.1.1PID算法的数字化

在模拟系统中PID算法的表达式为

P（t）二Kp[e（t）+1/Tife（t）dt+TD*de（t）/dt]（3—1）

式中，P（t）——调节器的输岀信号：

e（t）——调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差；

Kp——调节器的比例系数；

Ti—调节器的积分时间；

Td—调节器的微分时间：

由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。

因此在计算机控制系统中，必须首先对式（3-1）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示：

Fe（r）c/t=XE（j）Ar=T^E（j）

j=0j=0

（3—2）

（3—3）

血（r）〜E（K）_E（K-L）_E（K）_E（K_B~~dT"AtT

将式（3-2）和式（3-3）代入式（3-1）,则可得到离散的PID表达式:

Tk丁

P（K）=Kp（E（K）+〒丫£（J）+守[E（K）-E{K-1）]}

j=Q1（3-4）

式中，t二T—采样周期,必须使T足够小，才能保证系统有一泄的精度。

E（K）-第K次采样时的偏差值。

E（K-l）—采样序号,K=0,1,2….。

P（K）-第K次采样是调节器的输出。

由于式（3-4）的输出值与阀门开度的位置一一对应，因此，通常耙式（3-4）称为位宜型PID的位置控制算式。

由式（3-4）可以看出，要想讣算P（K）,不仅需要计•算上次与本次的偏差信号E（K）和E（K-l）,而且还要在积分项把历次的偏差信号E（j）进行相加，既

这样，不仅计算繁琐，而且为动态保存E（j）还要占用很多内洱?

因此，用式（6-4）直接进行控制很不方便。

为此，我们做如下改动。

根据递推原理，可以写出（K-1）次的PID输出表达式：

半[E（K-1）—E{K—2）]}

（3—5）

P（K—1）=Kp{E（K—l）+?

fE（j）+

7/J=0

用式（3-4）减去式（3-5）可得:

P（K）二P（K-l）+Kp[E（K）-E（K・l）]+«E（K）+心[E（K）-圾K-1）+.E（K-?

）]（3_6）

式中：

1——微分系数

由式（3-6）可知，要计算第K次输出P（K）,只需知道P（K-l）,E（K）,E（K-l）,E（K-2）即可，比用式（3-5）简单的多。

在很多的控制系统中，由于执行机构采用的是采用步进电机或多圈电位器进行控制的,所以，只要给一个增量信号即可。

因此，把式（6-4）和式（6-5）相减，得到。

AP（K）二P（K）-P（K-1）二K」E（K）-E（K-l）+K,E（K）+KNE（K）-?

E（K-l）+E（K-2）]

（3—7）

式中，Ki,Kd同式（3-6）O

式（3-7）表示第K次输出的增量△?

（!

<）,等于第K次与第K-1次调肖器输岀的差值，即在第K-1次的基础上增加（或减少）的量，所以式（6-7）又叫做增屋型PID控制算式。

在位置控制算式中，由于全量输出，所以每次输出均与原来的位置量有关，为此这不仅需要对e（j）进行累加，而且计算机的任何故障都会引起P（K）大幅度变化，对生产不利。

增量控制虽然改动不大然而却带来了许多优点：

1.由于计算机输出增疑，所以误动作影响小，必要时可以用逻辑判断的方法去掉。

2.在位宜型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输岀值等于阀门的原始开度，即P（K-l）,才能保证手动/自动无扰动切换，这将给程序设汁带来困难。

而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法容易实现手动/自动切换。

3.不产生积分失控，所以容易获得较好的调节效果。

增呈:

控制因其特有的优点已经得到了广泛的应用。

但是这种控制也有其不足之处：

（1）积分截断效应大有静态误差；

（2）溢出的影响大。

因此，根据被控对象的实际情况加以选择。

一般认为，在以晶闸管或侍服电机作为执行器件，或对控制要求较高的系统中，应当采用位置型算法，而在以步进电机或多圈电位器作为执行器件的系统中，则应采用增量式算法。

第五章系统总体评价及改进措施

5.1系统总体评价

整个系统实现了控制的可操作性、灵活性、稳泄性的要求。

1.可操作性

通过改变图中的电位器来改变A/D转换的输入值，来达到改变转速的目的。

在空载时电机的调速范围为：

20-45转/秒。

2.灵活性

用P89LPC932作为控制器，由于它的功能强大，并采用的是数字调卩器使得整体硬件电路简单，只要稍加改动便可以嵌入PWM直流饲复系统中，对一般控制系统软件有一左的通用性。

3.稳定性

由于个人能力及时间的限制，数字PID的参数选择不能十分完美，所以设计了PID参数可由键盘输入的功能，这样就可根据实际情况来调节合适的PID参数。

系统的稳左性大大增加。

5.2系统改进措施

由于时间仓促等原因，本系统有缺点的存在，本系统还有进一步改进的必要，这里分两个方而来说明改进的方向。

1.测速硬件的改进

因为本系统电机转一圈单片机才记一次数，对电机的转速计算上存在误差。

把系统改成电机转一圈单片机记多次数，电机转速的计算上大大减小误差。

2.软件的改进

关于软件的改进，主要说说控制算法的改进，首先是PID算法的改进，因为时间的限制在PID调节中应当考虑的几个实际问题，如正反作用问题、饱和作用的抑制及限位问题等在本次课程设讣中都没有予以考虑，而这些问题都是很重要的。

再次是加入模糊控制比仅采用数字PID调节更稳立，控制效果更好。

参考文献

[1]周立功等著LPC900系列Flash单片机应用技术（上册）

[2]周航慈等著PHILIPS51LPC系列单片机原理及应用

[3]张毅刚主编单片机原理及应用

[4]胡寿松主编自动控制原理

[5]潘新民等著微型计算机控制技术

[6]吴浩烈著电机及电力拖动基础

[7]PHILIPSP89LPC932DATASHEET

[8]秦继荣箸现代直流饲服控制系统