1、 计算机 控制技术 课程设计（论文） 题目： 直流电机转速控制系统设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间： 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号 学生姓名 专业班级 自动化 课程设计 题目 直流电机转速 控制系统 设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能 直流电动机作为执行元件，广泛应用于工业控制中，本设计要求采用单片机作为控制芯片，控制算法采用常规的 PID 控制，加上相应的输入输出通道，构成一个单闭环控制系统，使电机转速稳定运行，并实时显示转速值。 设计 任务
2、及要求 1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路； 2、建立被控对象的数学模型； 3、推导 PID 控制算式，设计 PID 算法的程序流程图或程序清单； 4、仿真研究，验证设计结果。 5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上。 技术参数 电机参数：他励直流电动机，额定电 压 36V，额定功率 2.2KW，额定转速 2000 转 /分。 设计指标：稳态运行时最大超调量小于 20% 进度计划 布置任务，查阅资料，确定系统方案（ 1 天） 被控对象建模（ 1 天） 算法推导，程序设计（ 3 天） 仿真研究（ 2 天） 撰写、打印设计说明书（ 2 天）
3、答辩（ 1 天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 IV 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
4、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。 本文章 介绍了 由 51 单片机以及直流电机、矩阵键盘、 LCD 和传感器构成的转速闭环控制系统。其中传感器负责 对 电机转速 进行测量，并将测量的结果反馈 给控制中心，并由控制中心将之 与 设定值 进行 比较 得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。 文章不但介绍了 基于单片机的转速控制系统的 软件设计，还涉及 了硬件设计方法。 文中介绍系统不但可以实现手动控制，还有无人值守，自动调速功能。 关键词： 直流电机 闭环控制 单片机 矩阵键盘 LCD V 目 录 第 1 章 绪论 . 1 第 2
5、 章 课程设计的方案 . 2 2.1 概述 . 2 2.2 系统组成总体结构 . 2 第 3 章 硬件设计 . 3 3.1 控制器 . 3 3.2 测速发电机 . 3 3.3 A/D 转换和 D/A 转换器 . 3 3.4 晶闸管整流控压 . 3 3.5 键盘模块 . 5 3.6 显示器 . 5 3.7 整体结构原理图 . 6 第 4 章 软件设计 . 7 4.1 主流程设计 . 7 4.2 按键功能部分 . 8 4.3 PID 控制部分 . 8 4.4 参数确认 . 9 4.5 LCD 显示部分 . 10 第 5 章 实验试验结果 . 11 第 6 章 课程设计总结 . 12 参考文献 .
6、13 部分程序 . 14 1 第 1章 绪论 直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源，常用的可控直 流电源有以下几种 :第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机 电动机 (也称为旋转变流组 )，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围 (十比一至数十比一 )、较小的转速变化率和调速平滑等。特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮
7、惯量反馈给电网，这样，一方 面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机 电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积设备较多、体积大、费用高、效率低、安装需要地基、运行有噪声、维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机 电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机 电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点 :维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四， 1957 年，世界上出现了第 一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的
8、优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在 10000 以上，比机组 (放大倍数 10)高 1000 倍，比汞弧变流器 (1000)高 10 倍 ;在快速响应性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。因此，目前在直流调速系统中，除某些特大容量的设备而且供电电路容量较小的情况 下，仍有采用机组供电、晶闸管励磁系统以外，几乎绝大部分都已改用晶闸管相控整流供电了。 随着微电子技术的发展，微机功能的
9、不断提高以及电力电子、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。计算机的发展可 以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核心的数字控制技术成为自控领 域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。 2 第 2章 课程设计的方案 2.1 概述 本次设计主要是 综合应用所学知识，设计 直流电机转速控制系统设计 ，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。 能够较全面地巩固和应用“ 微型计算机控制技术 ”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型 控制 系统设计的基本方法。 2.2 系统组成总体结构 图 2.2 是 基于单片机的转速控
10、制系统 的基本组成方框。主要由 测速发电机 ，电机 ，矩阵键盘， LCD（ 12864），单片机（ 89C51）组成。 测速发电机输出电压的大小反映机械转速的高低 ， 并将该 模拟量 入 如 A/D 转换器，转换成 数字 信号 给单片机。 单片机 89C51 是该系统的 核心 部分 ，一方面 负责计算电机的转速，另一方面将计算得到的转速与设定转速相比较 ，经过计算处理，得到相应的 控制信号，并用 该信号 传入D/A 转换器，再传入晶闸管调压器 控制 控制电压从而控制 电机转速。通过键盘可以设定工作模式（通过输入设定转速，单片机自动控制电机转速，使其接近设定值）设定转速。由单片机检测哪一个按键按
11、下，实现设定值的修改，并通过 LCD 实时显示设定值以及测得转速。 图 2.2 系统框图 电机 测速 发电机 单片机 D/A转换器 LCD A/D转换器 键盘 晶闸管 3 第 3章 硬件设计 3.1 控制器 采用 AT89 C51 作为系统控制的方案。 AT89C51 单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。相对于 FPGA 来说，它 的芯片引脚少，在硬件很容易实现。并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，在各个领域中应用广泛。 3.2 测速发电机 采用 ZYS 型 直流测速发电机， 直流测速发电机在结构上与普通小微型直流发电机相同，通常是
12、两极电机，分为他励式和永磁式两种。 他励式测速发电机的磁极由铁心和励磁绕组构成，在励磁绕组中通入直流电流便可以建立极性恒定的磁场。它的励磁绕组电阻会因电机工作温度的变化而变化，使励磁电流及其生成的磁通随之变化，产生线性误差。 永磁式测速发电机的磁极由永久磁铁构成，不需励磁电源。磁极的热稳定性较好，磁通随电 机工作温度的变化而变化的程度很小，但易受机械振动的影响而引发不同程度的退磁。 3.3 A/D 转换和 D/A 转换 器 该模块 A/D 转换选用 ADC0809 是 M 美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8通道， 8 位逐次逼近式 A/D 转换器。其内部有一个 8 通道多路开关，它可
13、以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。是目前国内应用最广泛的 8 位通用 A/D 芯片 。 DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个 DA 芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广 泛的应用。 D/A 转换器由 8 位输入锁存器、 8 位 DAC 寄存器、 8 位 D/A 转换电路及转换控制电路构成。 3.4 晶闸管整流控压 本设计采用 三相全控桥式整流电路 ， 由一组共阴极接法的三相半波可控整流电路4 和一组共阳极接法的三相半波可控整流电路串联而成 。如图 3.4 所示。 如
14、图 3.4 三相桥式全控整流电路 三相全控桥式整流电路要求用双窄脉冲触发，即用两个间隔 60的窄脉冲去触发晶闸管。产生双脉冲的方法有两种， 一种是每个触发电路在每个周期内只产生一个脉冲， 脉冲输出电路同时触发两个桥臂的晶闸管，这叫外双脉冲触发； 另一种是每个触发电路在一个周期内连续发出两个相隔 60的窄脉冲， 脉冲输出电路只触发一个晶闸管，这称为内双脉冲触发。 内双脉冲触发是目前应用最多的一种触发方式。 本设计采用 KC04 与 KC41C 组合的触发电路如图 3.4.1 所示触发电路。 5 3.4.1 KC04 与 KC41C 组成的全控桥触发电路 3.5 键盘 模块 本次设计中采用的 4*
15、4 的非编码键盘。矩阵式非编码键盘的电路原理图如图 3.4所示。当没有键按下时，行线和列线之间是不相连。若第 N 行第 M 列的键被按下，那么第 N 行与第 M 列的线就被接通。如果在行线上加上信号，根据列线的状 态，便可得知是否有键按下。如果在行线上逐行加上一个扫描信号（本实验中用的低电平），就可以判断按键的位置。常用的按键识别有两种方法：一种是传统的行扫描法；另 一种是速度较快的线反转法 。本实验中采用的是 线反转 法进行识键。 键盘在单片机系统中是一个很重要的部件。为了输入数据、查询和控制系统的工作状态，都要用到键盘，键盘是人工干预计算机的主要手段。 键盘可分为编码和非编码键盘两种。编码
16、键盘采用硬件线线路来实现键盘编码，每按下一个键，键盘能自动生成按键代码，键数较多，而且还具有去抖动功能。这种键盘使用方便，但硬件较复杂 ， PC 机所用的键盘就属于这种。非编码键盘仅提供按键开关工作状态，其他工作由软件完成，这种键盘键数较少，硬件简单，一般在单片机应用系统中广泛使用。 3.6 显示 器 液晶显示模块（ LCD12864）由于其具有功耗低、无电磁辐射、寿命长、价格低、接口方便等一系列显著优点，被广泛应用与各种仪表仪器、测量显示装置、计算机显示终端等方面。 12864 汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置 8192个中文汉字（ 16X16 点阵）、 128 个字符（ 8
17、X16 点阵）及 64X256 点阵显示 RAM（ GDRAM）。 主要技术参数和显示特性 : 电源： VDD 3.3V+5V(内置升压电路，无需负压 )； 显示内容： 128 列 64 行 显示颜色：黄绿 显示角度： 6： 00 钟直视 LCD 类型： STN 与 MCU 接口： 8 位或 4 位并行 /3 位串行 配置 LED 背光 多种软件功能： 光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等 6 3.7 整体结构原理图 整体原理图如图 3.7 所示： EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9P3.7(RD)17P3.6(WR)16P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13
18、P3.4(T0)14P3.5(T1)15P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78(AD0)P0.039(AD1)P0.138(AD2)P0.237(AD3)P0.336(AD4)P0.435(AD5)P0.534(AD6)P0.633(AD7)P0.732(A8)P2.021(A9)P2.122(A10)P2.223(A11)P2.324(A12)P2.425(A13)P2.526(A14)P2.627(A15)P2.728PSEN29ALE/PROG30(TXD)P3.111(RXD)P3.010GND20VCC40AT89C51+5V11223344
19、55667788991010111112121313141415151616171718181919202021212222LCDIN31IN42IN53IN64IN75START6EOC7D38OE9CLK10VCC11VREF+12GND13D114D215VREF-16D017D418D519D620D721ALE22ADD C23ADD B24ADD A25IN026IN127IN228UADC0809VREF8RFB9GND10IOUT111IOUT212DI713DI614DI515DI416DI07CS1WR12GND3DI34DI25DI16XFER17WR218ILE19VDD20UDAC0832测速发电机电动机晶闸管总电路3.7 整体原理图
