直流电机转速闭环控制.docx
《直流电机转速闭环控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流电机转速闭环控制.docx（50页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
直流电机转速闭环控制
《计算机控制基础》设计
结题论文
直流电机转速闭环控制设计
学院:
自动化学院
姓名:
学号:
专业班级:
09级自动化
指导老师:
时颖
重庆大学自动化学院
2012年09月·
直流电机转速闭环控制设计
摘要
在运动控制系统中，电机转速控制占有至关重要的作用，其控制算法和手段有很多，模拟PID控制是最早发展起来的控制策略之一，长期以来形成了典型的结构，并且参数整定方便，能够满足一般控制的要求，但由于在模拟PID控制系统中，参数一旦整定好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而在实际中，由于现场的系统参数、温度等条件发生变化，使系统很难达到最佳的控制效果，因此采用模拟PID控制器难以获得满意的控制效果。
随着计算机技术与智能控制理论的发展，数字PID技术渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟PID所完成的控制任务，而且具备控制算法灵活、可靠性高等优点，应用面越来越广。
本设计以上面提到的数字PID为基本控制算法，以计算机硬件PD-32E为控制核心，产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。
同时利用霍尔传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，达到转速无静差调节的目的。
在系统中采数码管和4×4键盘作为人机交互界面，启动后可以通过显示部件了解电机当前的转速。
该系统控制简单，反应灵敏，具有很强的抗干扰能力。
关键字：
运动控制、PID、计算机硬件
目录
引言1
1小组分工2
2模型建立2
2.1设计要求2
2.2设计报告要求3
4构建系统的器件4
4.18254定时器/计数器4
4.1.18254具有以下基本功能4
4.1.28254的工作方式4
4.1.38254内部寄存器各位的定义及初始化的编程方法5
4.1.48254定时/计数器原理图和发光二极管的驱动原理图5
4.28254定时器/计数器5
4.2.18255的工作方式6
4.2.28255并口模块原理图6
4.38259中断控制器7
4.3.18259各引脚定义7
4.3.28259A的内部结构8
4.4AD5748
5系统设计思路及总设计方案10
5.1关键问题10
5.2总设计思路及方案10
5.3霍尔元件测速模块11
5.44*3小键盘原理图13
5.5主程序设计13
5.6设计进度的具体安排和记录15
6硬件连接及系统电路图15
6.1硬件连接15
6.2系统硬件连接图16
心得体会16
——付攀2009507716
——明柯辰2009508717
——金智2009508418
——邱宁2009508919
参考文献20
附1：
程序流程图22
附2：
程序清单27
引言
由于直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
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。
目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。
本次项目的设计是在PD-32E对直流电机控制系统的基础上进行设计和改进的。
在设计过程中，使学生能够对单片机有进一步的了解，培养了学生独立的进行程序的设计和调试。
系统中通过单片机对直流电机的转速进行控制和转化，并在8位数码管上进行显示，方便人们的控制检测，运用PID调节实现直流电机的闭环调速，同时在电机的上电转动中，对电机进行过电保护，使电机可以良好的进行运转。
1小组分工
整个课程设计从拿到课题到完成基本功能、添加优化方案、最终形成课程设计报告，小组成员始终活跃在各自的岗位，有条不紊的完成分配给各自的任务，整个设计过程大家都全程参与，没有一个人缺席。
综合小组各成员从编程能力、资料收集整理能力、组织协调能力、文书编写能力等方面进行如下分工：
学号
分工项目
付攀
20095077
显示与处理、显示子程序的编写和调试；标度变换程序的编写调试，辅助整体程序的调试
明柯辰
20095087
键盘扫描程序及各键功能子程序的编写调试，均值滤波程序的编写，辅助报告的完成
金智
20095084
AD转换程序，初始化8254、8255、8259子程序的编写，完成实验报告的编写
邱宁
20095089
主程序的设计，控制算法程序，终端相关的程序设计，PWM波的生成程序，及整个程序的调试
2模型建立
2.1设计要求
（1）已知参数和设计要求
1.用PD-32E实验装置产生PWM方波调制直流电机以一定速率选装，认为给一个虚度漂移，霍尔原件测出速度并根据PID算法跟踪校正速度漂移。
2.要求用LED或LCD实时显示电机速度。
3.要求在10秒内PID算法纠正速率漂移。
（2）实现方法
采用PD-32E实验装置实现
2.2设计报告要求
1）明确每位组员的详细分工。
2）在上述设计主要内容的基础上，本组讨论整理出系统的详细操作说明。
3）详细描述自行完善和优化的系统功能以及设计方案。
4）给出系统的设计思路和意见、软件设计方案。
5）画出各软件模块的程序流程图。
6）列出加上必要注释的程序清单。
7）每位组员根据自己承担的设计内容和设计过程，写出心得体会。
8）所有组员在任务书上签名，将任务书装订在报告首页。
4构建系统的器件
4.18254定时器/计数器
8254内部有3个独立的16位计数器，每个计数器有6种工作方式，计数的数制可以是二进制数或BCD码数，每个计数器允许的最高计数频率10MHZ。
8254是8253的改进型，因此它的操作方式以及引脚与8253完全相同。
主要不同点是8253的最高计数频率只为2MHZ，且8254比8253多了一个读回命令，这个命令可以使3个通道的计数值和状态信息都锁存，而这在8253中需写入3个命令。
4.1.18254具有以下基本功能
1）有3个独立的16位计数器。
2）每个计数器可按二进制或十进制（BCD）计数。
3）每个计数器可编程工作于6种不同工作方式。
4）8254每个计数器允许的最高计数频率为10MHz（8253为2MHz）。
5）8254有读回命令，除了可以读出当前计数单元的内容外，还可以读出状态寄存器的内容。
6）计数脉冲可以是有规律的时钟信号，也可以是随机信号。
计数初值计算公式为：
定时时间
=CLK时钟周期
×计数初值N。
4.1.28254的工作方式
1）方式0：
计数到0结束输出正跃变信号方式。
2）方式1：
硬件可重触发单稳方式。
3）方式2：
频率发生器方式。
4）方式3：
方波发生器。
5）方式4：
软件触发选通方式。
6）方式5：
硬件触发选通方式。
4.1.38254内部寄存器各位的定义及初始化的编程方法
8254的方式控制字和读出控制字共用该寄存器，即使用同一个口地址。
其中方式控制字用于设置计数器的工作方式，读出控制字用于设置读出命令。
在8253中该寄存器只用于设置计数器的工作方式。
4.1.48254定时/计数器原理图和发光二极管的驱动原理图
4.28254定时器/计数器
本实验中使用的核心器件是并口芯片8255A。
8255A是一种使用单一的+5V电源、40引脚双列直插式的大规模集成电路芯片。
4.2.18255的工作方式
8255内部有3个I/O端口，A口可以工作在方式0、方式1或方式2；B口可以工作在方式0或方式1；C口可以工作在方式0。
方式0是基本型输入/输出。
用这种方式和外设交换数据时，8255端口与外设之间不使用联络线。
方式1为选通型输入/输出。
用这种方式和外设交换数据时，端口和外设之间要有联络信号。
方式2是双向数据传送，仅A口有此功能。
当A口工作在方式2时，B口仍可以工作在方式0或方式1，但此时的B口方式1只能用查询方式与CPU交换信息。
4.2.28255并口模块原理图
4.38259中断控制器
8259A是可编程的中断控制器。
每片8259A可以管理8个外部中断，通过多片8259A的级联最多可以管理64个外部中断，8259A能对它所管理的每个中断源进行单独的允许与禁止，对各中断请求具有多种优先级管理方式；中断响应时能够自动提供中断类型号，通过中断类型号可得到4字节（CS：
IP）的中断服务程序入口地址。
4.3.18259各引脚定义
8259A是28引脚双列直插式芯片，各信号引脚与TTL兼容，采用+5V供电。
1）数据线
~
，双向三态，可直接与系统数据总线相连。
2）片选信号
:
低电平有效，通常由系统高位地址译码产生。
3）地址线
：
用于8259A内部寄存器选择。
4）读信号
、写信号
：
低电平有效，用以控制数据总线上的数据流向。
5）中断请求线INT：
8259A向CPU或上一级8259A输出的重点请求信号。
6）中断响应线
：
CPU或上一级8259A的中断响应信号输入端。
7）外部中断请求输入
~
:
外部设备的中断请求信号输入端。
4.3.28259A的内部结构
4.4AD574
AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：
分辨率：
12位
非线性误差：
小于±1/2LBS或±1LBS
转换速率：
25us
模拟电压输入范围：
0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种
电源电压：
±15V和5V
数据输出格式：
12位/8位
芯片工作模式：
全速工作模式和单一工作模式
AD574A的引脚说明：
[1]. Pin1（+V）——+5V电源输入端。
[2]. Pin2（
）——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。
[3]. Pin3（
）——片选端。
[4]. Pin4（A0）——字节地址短周期控制端。
与
端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。
须注意的是，
端TTL电平不能直接+5V或0V连接。
[5]. Pin5（
）——读转换数据控制端。
[6]. Pin6（CE）——使能端。
现在我们来讨论AD574A的CE、
、
、
和A0对其工作状态的控制过程。
在CE=1、
=0同时满足时，AD574A才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当
=0时A/D转换，当
=1是进行数据读出。
和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。
A0-0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。
当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。
当
=1，也即当AD574A处于数据状态时，A0和
控制数据输出状态的格式。
当
=1时，数据以12位并行输出，当
=0时，数据以8位分两次输出。
而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。
AD574A控制端标志意义
CE
A0
工作状态
0
X
X
X
X
禁止
x
1
X
X
X
禁止
1
0
0
X
0
启动12位转换
1
0
0
X
1
启动8位转换
1
0
1
接+5V
X
12位并行输出有效
1
0
1
接0V
0
高8位并行输出有效
1
0
1
接0V
1
低4位并行输出有效
5系统设计思路及总设计方案
5.1关键问题
1）解决PID控制算法的问题。
2）解决PWM波的产生的问题。
5.2总设计思路及方案
单片机直流电机调速简介：
单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。
PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。
硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。
硬件的功能由总体设计所规定，硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图，必要时做一些部件实验，以确定电路图的正确性。
整个测量转速系统为PD-32E控制模块、霍尔传感器模块、LED模块等各个模块都承担着各自的任务。
5.3霍尔元件测速模块
当没有信号产生时，可以改变一下磁钢的方向，霍尔对磁钢方向有要求。
没有磁钢时输出高电平，有磁钢时输出低电平。
霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图所示。
磁钢用来提供霍尔能感应的磁场，当霍尔元件以切割磁力线的方式相对磁钢运动时，在霍尔输出端口就会有电压输出，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。
霍尔传感器检测转速示意图如下。
在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。
圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。
通过单片机测量产生脉冲的频率，就可以得出圆盘的转速。
同样道理，根据圆盘（车轮）的转速，再结合圆盘的周长就是计算出物体的位移。
如果要增加测量位移的精度，可以在圆盘（车轮）上多增加几个磁钢。
AD574利用不同的控制信号，既可实现高精度的12位转换，又可作快速的8位转换。
12位转换后的数据有两种读出方式：
12位一次读出；高8位、低4位分两次读出。
ADC数据输出带有三态缓冲，可直接与8位或16位的微处理器接口。
内部采用快速逐次逼近式A/D转换，转换时间为25us。
AD574有单极性输入和双极性两种模拟输入可供选择使用，在实际应用时，应根据模拟输入信号的性质加以选定，在PD-32实验装置已固定为双极性输入。
状态输出信号STS，转换时为高电平，转换结束时为低电平，如果AD574用于微处理器系统,STS信号可做为CPU的中断请求信号。
硬件中断是由CPU以外的器件发出的中断请求信号而引发的中断。
80486MPU只有2个引脚（INTR和NMI）可以接收外部的中断请求信号,为了管理众多的外部中断源,Intel公司设计了专用的配套芯片--8259A中断控制器。
8259A是可编程芯片,一片8259A管理8级中断源,采用级连方式，两片8259A可以管理15级中断。
它内部有一组初始化命令字寄存器，用于存放对8259初始化编程时的命令字ICW1～ICW4。
8259A是可编程器件，其工作方式由软件编程决定，它提供的两类命令字分别可以用来完成初始化编程和应用编程。
其中ICW命令可装入到8259A的内部控制寄存器，以确定它用到的中断管理方式或工作模式。
经过初始化编程以后,在使用过程中只需使用OCW进行应用编程即可。
每一片8255的，负责其上方的两片数码管。
端口A输出驱动左边数码管的a～h阴级段。
端口B输出驱动右边数码管的a～h阴级段。
端口C输出驱动两个数码管的共阳极。
每个数码管有两个共阳极（分别是第1、5脚），两个共阳极都接低电平，数码管不显示；第5脚阳极接高电平，第1脚阳极接低电平，数码管显示红色字符；第1脚阳极接高电平，第5脚阳极接低电平，数码管显示绿色字符，两个共阳极都接高电平，数码管显示黄色字符。
数码管字型编码表如下所示：
5.44*3小键盘原理图
由一片74HC245作为键盘的行扫描电路（键盘的列扫描信号由一片74HC273提供，如图2所示），74HC245的P0--P3已经分别接到4*3的小键盘的4行。
另外，这片74HC245的引脚和4*3小键盘行、列都有引出相应的接插口，所以也能另作它用，例如用74HC245来驱动发光二极管，或者与适当的输入输出器件（例如8255）相配合就可以进行键盘扫描实验。
该片74HC245的/G端引了出来（KEYCS0）作为它的片选信号端。
硬件连接说明:
1.小键盘的P0~P3口连接第四片8255的C0~C3口；Q0~Q2口连接A0~A2口；
2.占空比输入接第四片的PB7口；8259的INTP接INTR1口；
3.8254A的OUT0接8259的IRQ0;CLK0接47K;CS接CS1；GATE0接+5V；
5.5主程序设计
将人为设定的直流电机转速值，与测速电路得到的直流电机转速值（反馈量）进行比较，其差值经过PID运算，将得到控制量并产生PWM脉冲，通过驱动电路控制直流电机的转动，构成直流电机闭环调速控制系统。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比。
由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。
本设计中采用软件延时方式对脉冲宽度进行控制，PWM模式被用于产生一个连续的占空比可调的方波信号。
脉冲宽度调制通过比较PCA定时器的低字节（CL）和比较寄存器的低字节（CCAPnL）产生8位PWM脉冲。
当CL输出频率取决于PCA定时器的信号源。
占空比由写入比较寄存器的高字节（CCAPnH）控制，计算如下：
CCAPnH=256（1–Dutycycle）
其中CCAPnH为8位整型数，Dutycycle为百分数。
5.6设计进度的具体安排和记录
9.17~9.18：
确定组员分工；搜集现实模型的材料，并根据材料商榷选用车速、燃油量、里程统计方案等参数；小组根据《设计任务书》共同讨论基本功能、优化功能的实现方法，构思各自分配程序的实现方式，规划好各自的硬件连接并记录。
9.18~9.19：
小组各成员各自完成自己负责的程序编写，将自己的每个单一功能程序写成独立程序检测功能完成情况；组长记录和督促完成进度。
9.19~9.20：
小组各成员将各自程序还原成子程序或功能模块，根据各自的硬件连接改写初始化程序；将程序汇总，调试程序，直到确保基本功能和优化功能的实现。
6硬件连接及系统电路图
6.1硬件连接
8254：
CS接320H、CLK0接47K、GATE0接+5V、OUT0接IRQ0
8255：
键盘P0~P3接C口的PC4~PC7、Q0~Q2接C口的PC0~PC2
电机模块：
占空比输入接8255A口的PA1、脉冲输出接PWM—电压转换单元IN
8259：
CS—1接340H、INT1接INTR、SP/1接5V
AD574：
A0接GND、12/8接5V、10VIN接OUT、CS接300H
6.2系统硬件连接图
心得体会
——
面对此次课程设计题目—直流电机转速闭环控制，回忆上学期所学的计算机控制课程实验，其中有类似跟随控制电机转速的实验。
对比当时的实验，对课题的理解变更加的透彻，解决思路也多了起来，经过资料的查找，理论模型的分析和大家的讨论，大致的方案便成型了。
接下来的工作便是明确分工，每个人负责几个模块的工作，提高了完成课题的效率，同时由于使用了模块化，便相对降低了工作难度。
我主要负责对AD转换过后得到的数字量进行标度变换，得到对应的能直接反映电机转速的内容，同时将最终经过控制得到的电机转速和当时设置的电机转速进行显示。
经过计算，得到标度变换的算法以及具体需进行处理的数字，便可进行程序的编写。
在此便不再详述具体程序的编写了。
完成标度变换之后，对程序进行了初步的调试，检测经过标度变换的值是不是符合课题要求，待检测结果符合要求时便完成了对应的标度变换模块的实现。
对于显示模块，又分为了两个子程序：
显示预处理程序、显示程序。
显示预处理程序需要完成的任务是讲要显示的内容进行各个位数的分离，查表，然后存储在预先定义好的缓存区中，以方便之后显示程序的实现。
此处我利用除法将待显示数据进行了位的分离，并查表得到了对应的字型码，放回了缓存区中，留待之后的显示程序的应用。
此时显示预处理程序便完成了它的功能。
显示程序需要完成的任务便相对清楚明显了，直接将经过显示预处理程序处理得到的字型码进行显示便可，在此需注意对应位选的地址的选择，分别将对应的字型码送给对应位选的LED，便完成了整个显示模块的功能。
完成程序的编写之后，需编写一个简单的程序对之进行检测和调试，直到确认它能完成对应的功能。
这次课程设计让我对控制算法在编程中的应用有了深刻体会，同时了解了各种算法的原理，结合电机转速的闭环控制，了解了控制算法在实际问题中的应用，同时了解了各算法的优点和缺点，对以后的学习和应用有很大的启示。
这次课程设计让我学到了很多，感谢学院安排这次提升自己的机会，同时感谢各位老师耐心的指导和教育，谢谢你们。
——
课程设计是大学生涯中不可或缺的一个经历，它使我们在实践中了巩固了所学的知识、在实践中锻炼自己的动手能力。
它不仅开阔了我们的视野，增战了自己的见识，也为我们以后进一步走向社会打下了坚实的基础，是我们走向以后走向工作岗位的奠基石。
经过一周时间的辛勤劳作，我们小组《直流电机转速闭环控制系统（基于PD—32E实验装置）》这个课题终于完成了。
虽然我们所做的课题需要实现的功能都很简单，不过在我们的程序在克服重重问题最终调试成功的时候，大家都是心怀喜悦的。
我们小组拿到自己的课题后，很快进入状态。
综合小组各成员从编程能力、资料收集整理、组织协调能力、文书编写能力等方面进行考虑，设计的工作细化分工给了每位组员。
在于我自己，通过上两周的《计算机硬件》课程设计，编程能力得到了一定的提高，又组织协调能力和文书编写的能力较强，便主动承担起了编写难度较小的程序和辅助撰写报告的职责，并在记录协调项目进度之余和组员们一起商讨学习。
下面我根据自身在项目中担当的角色和职责出发，探讨下这一周时间的得失。
由于通过上两周的历练，自己的编程能力有所提高，所以负责键盘扫描以及其对应功能子程序、均值滤波程序的编写。
扫描键盘程序即是将行信号和列信号相互排列组合形成键特征值锁定按下按键并完成对应按键功能的程序。
而得到键特征的方法有很多，我选择了先将某列置为低，然后通过读入行信号进行检测，找到低那一行从而锁定按键。
均值滤波程序即调用AD574芯片进行AD转换，并将其结果进行采样16次，叠加求和之后再除以16，以此得到的平均数将被
升级会员 