直流電機調(diào)速計算機控制技術(shù)課程設(shè)計.doc
《直流電機調(diào)速計算機控制技術(shù)課程設(shè)計.doc》由會員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《直流電機調(diào)速計算機控制技術(shù)課程設(shè)計.doc(10頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
計算機控制技術(shù)課程設(shè)計 評語: 考勤10分 守紀(jì)10分 過程30分 設(shè)計報告30分 答辯20分 總成績(100分) 專 業(yè): 自動化 班 級: 姓 名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院 2016 年 07 月 15 日 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 1設(shè)計目的 本課程設(shè)計是在修完《計算機控制技術(shù)A》課程之后,為加強對學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用能力的培養(yǎng)而開設(shè)的綜合設(shè)計訓(xùn)練環(huán)節(jié)。本課程設(shè)計結(jié)合《計算機控制技術(shù)A》課程的基礎(chǔ)理論,重點強調(diào)實際應(yīng)用技能訓(xùn)練,包括計算機控制系統(tǒng)算法軟件和硬件設(shè)計。其課程設(shè)計任務(wù)是使學(xué)生通過應(yīng)用計算機控制技術(shù)的基本理論,基本知識與基本技能,掌握計算控制技術(shù)中各主要環(huán)節(jié)的設(shè)計、調(diào)試方法,初步掌握并具備應(yīng)用計算機進行設(shè)備技術(shù)改造和產(chǎn)品開發(fā)的能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識,提高學(xué)生的動手能力、分析問題和解決問題的能力。 2 設(shè)計方法 設(shè)計一個直流電機系統(tǒng),合理選擇PID控制規(guī)律,掌握被控對象參數(shù)檢測方法、H橋驅(qū)動的功能、旋轉(zhuǎn)編碼器的功能、單片機PWM控制波形輸出方法,進一步加強對課堂理論知識的理解與綜合應(yīng)用能力,進而提高解決實際工程問題的能力。直流電機調(diào)速系統(tǒng)是以電機轉(zhuǎn)速作為變量,單片機根據(jù)采集電機轉(zhuǎn)速的測量值與設(shè)定值的偏差去控制PWM波形的脈寬,從而改變直流電機兩端的電壓,達到控制轉(zhuǎn)速的目的。直流電機調(diào)速系統(tǒng)由單片機、直流電機、光電式旋轉(zhuǎn)編碼器、H橋驅(qū)動、LCD顯示屏等及相關(guān)電路組成。 3 設(shè)計方案及原理 3.1系統(tǒng)功能介紹 整個控制系統(tǒng)由控制器、執(zhí)行器、被控對象和測量變送組成,在本次控制系統(tǒng)中控制器為單片機,采用算法為PID增量算法控制規(guī)律,執(zhí)行器為H橋驅(qū)動電路,測量變送器為光電式旋轉(zhuǎn)編碼器,被控對象為直流電機。然后通過單片機對數(shù)據(jù)進行處理,控制轉(zhuǎn)速的大小和正反轉(zhuǎn)。 3.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) 計算機控制系統(tǒng)由控制計算機系統(tǒng)和生產(chǎn)過程兩大部分組成。控制計算機是指按生產(chǎn)過程控制的特點和要求而設(shè)計的計算機系統(tǒng),它可以根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模和要求選擇或設(shè)計不同種類的計算機。計算機控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 計算機控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 直流電機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 圖2 直流電機調(diào)速系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 3.3直流電機調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn) 本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的值由一定時間內(nèi)的脈沖數(shù)來表示。給單片機輸入一個給定脈沖數(shù)值,可由按鍵增減給定值,單片機輸出PWM后經(jīng)過三極管放大電路和H橋驅(qū)動,然后傳給直流電機,從電機轉(zhuǎn)速輸入到光電式旋轉(zhuǎn)編碼器,編碼器將檢測到的實際脈沖數(shù)輸入到單片機中,最后,在單片機中根據(jù)脈沖的的前三個時刻的偏差值,利用PID增量型控制程序程序算法得到控制增量,將控制增量給單片機,產(chǎn)生對應(yīng)的脈寬PWM波形控制電機兩端的電壓,從而達到調(diào)速目的。最后在LCD顯示電路中顯示出來。 4硬件設(shè)計 硬件電路由開關(guān)控制模塊、單片機、晶振電路、顯示電路、驅(qū)動電路電路、直流電機、旋轉(zhuǎn)編碼器組成。硬件總體框圖如圖3所示。 圖3 硬件總體框圖 4.1主控芯片AT89C52 89C52是INTEL公司MCS-51系列單片機中基本的產(chǎn)品,它采用ATMEL公司可靠的CMOS工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機,屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51的HCMOS產(chǎn)品。它結(jié)合了CMOS的高速和高密度技術(shù)及CMOS的低功耗特征,它基于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51單片機體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng),屬于89C51增強型單片機版本,集成了時鐘輸出和向上或向下計數(shù)器等更多的功能,適合于類似馬達控制等應(yīng)用場合。89C52內(nèi)置8位中央處理單元、512字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM、8k片內(nèi)程序存儲器(ROM)32個雙向輸入/輸出(I/O)口、3個16位定時/計數(shù)器和5個兩級中斷結(jié)構(gòu),一個全雙工串行通信口,片內(nèi)時鐘振蕩電路。 4.2 H橋驅(qū)動的選擇 H橋(H-Bridge), ,即全橋(因外形與H相似故得名),通過開關(guān)的開合,將直流電(來自電池等)逆變?yōu)槟硞€頻率或可變頻率的交流電或直流開關(guān)電源的斬波,從而用于驅(qū)動電機。本系統(tǒng)采用四個三極管放大功率以控制NMOSFET管H橋。三極管選用FAIRCHILD公司的2N5210。它是NPN型低噪聲、高增益的通用放大器,當(dāng)集電極電流從1A到5mA時,它是一個通用放大電路。NMOSFET管選用ON半導(dǎo)體公司的NTD18N06L,它是低電壓,高速度開關(guān)應(yīng)用電力用品,可用于轉(zhuǎn)換器和功率電機控制和橋電路,開啟電壓最低為1V,最大為2V。 4.3 直流電機的選擇 直流電機選用KINGLYMOTOR公司的直流碳刷微型電機JRS-385 RA/SA,使用范圍為DC 4~20V,額定電壓為DC 12V,額定轉(zhuǎn)速為14000r/min,額定電流為0.15A,起動電流為1A。 4.4 光電式旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇 旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速并配合PWM技術(shù)可以實現(xiàn)快速調(diào)速的裝置,光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換,可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出(REP)。本例中我選擇了東莞市林積為公司的內(nèi)密控157線增量式旋轉(zhuǎn)編碼器,編碼器每圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)為157。 4.5 轉(zhuǎn)速顯示電路的選擇 為方便對轉(zhuǎn)速大小的直觀印象,決定使用顯示一定時間內(nèi)單片機捕捉的脈沖數(shù)來表示轉(zhuǎn)速。為此該系統(tǒng)選擇了LCD1602液晶顯示屏,1602液晶也叫1602字符型液晶,它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行,每行16個字符液晶模塊(顯示字符和數(shù)字)。 5 PID算法及軟件設(shè)計 5.1 PID算法分析 數(shù)字PID控制是在實驗研究和生產(chǎn)過程中采用最普遍的一種控制方法,在電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。常規(guī)的PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。 圖4 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖 根據(jù)給定轉(zhuǎn)速r(t)與實際轉(zhuǎn)速c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)=r(t)-c(t),然后將偏差按比例、積分、微分,通過線性組合構(gòu)成控制量,控制被控對象,控制規(guī)律為: 其中,Kp是比例系數(shù),Ti是積分時間,Td是微分時間。 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮,PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下: 1、比例環(huán)節(jié) 用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp越大,系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高,但易產(chǎn)生超調(diào),甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp值過小,則會降低調(diào)節(jié)精度,使響應(yīng)速度變慢,從而延長調(diào)節(jié)時間,使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。 2、積分環(huán)節(jié) 主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ti越小,系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快,但Ti過小,在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象,從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若Ti過大,將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除,影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 3、微分環(huán)節(jié) 能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能,其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化,對偏差變化進行提前預(yù)報。但Td過大,會使響應(yīng)過程提前制動,從而延長調(diào)節(jié)時間,而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。 該直流電機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)采用單片機來控制,其PID控制規(guī)律采用增量式,差分方程如下: 其中,K為采樣信號,u(k)是第K次時計算機輸出值,e(k)是第K次采用輸入差值,e(k-1)為第K-1次采用輸出偏差值。 把捕獲的脈沖數(shù)與設(shè)定值相比,便可得到兩者的偏差,然后經(jīng)過PID的運算,得到控制器的輸出量,調(diào)整PWM的脈寬,來改變轉(zhuǎn)速。 6系統(tǒng)仿真及實際調(diào)試 6.1 MATLAB程序與仿真 見附錄1。 6.2 PROTEUS程序與仿真 見附錄2。 7總結(jié) 根據(jù)偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)進行控制(簡稱PID控制),是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實際運行的經(jīng)驗和理論的分析都表明。這種控制規(guī)律對許多工業(yè)過程進行控制時,都能達到滿意的效果。不過,用計算機實現(xiàn)PID控制不是簡單地把PID控制規(guī)律數(shù)字化,而是進一步與計算機的邏輯判斷功能結(jié)合,使PID控制更加靈活。在計算機控制系統(tǒng)中,PID控制規(guī)律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時,用求和代替積分、用后相差分代替微分,使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠獭? 在控制系統(tǒng)中,每個采樣周期,控制器輸出的控制量,是相對于上次控制量的增加,此時控制器應(yīng)采用數(shù)字PID增量式控制算法。通過此次設(shè)計,我掌握了直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)成,知道它最基本的部分有控制器、調(diào)節(jié)器、被控對象和測量變送組成。并且學(xué)會了如何去設(shè)計一個過程控制系統(tǒng),掌握了基本的設(shè)計步驟,認知被控對象、設(shè)計控制方案、選擇控制規(guī)律、選擇過程儀表、選擇過程模塊、參數(shù)整定、設(shè)計系統(tǒng)流程圖,掌握MATLAB仿真和PROTEUS的硬件仿真和設(shè)計。這次課程設(shè)計令我受益匪淺。 參考文獻 [1]李華.計算機控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007. [2]阮毅.電力拖動自動控制系統(tǒng) [M].北京:機械工業(yè)出版社,2003. [3]姜香菊.傳感器原理及應(yīng)用 [M].北京:機械工業(yè)出版社,2015. [4]薛定宇.控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計 [M].北京:清華大學(xué)出版社,2012. [5]王思明.單片機原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 [M].北京:科學(xué)出版社,2012. [6]童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [M].北京:高等教育出版社,1980. 附錄1 MATLAB程序與仿真 圖5 電機調(diào)速的PID增量仿真模型 圖6 電機調(diào)速的PID增量仿真結(jié)果 附錄2 PROTUES程序與仿真 圖7 電機調(diào)速的硬件示意圖 PID增量算法程序如下: int PID() //增量式PID { int change; err_now = set - now; err_bef = set - bef; err_bbef = set - bbef; change = kp*(err_now - err_bef) + ki*err_now + kd*(err_now - 2*err_bef + err_bbef); if(change > 0) { printchar(1,10,+); printuint(1,11,4,change); } else if(change < 0) { printchar(1,10,-); printuint(1,11,4,-change); } else if(change == 0) { printchar(1,10, ); printword(1,11," 0 "); } return(change); } 附錄3 直流電機調(diào)速系統(tǒng)流程圖- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
- 2.下載的文檔,不會出現(xiàn)我們的網(wǎng)址水印。
- 3、該文檔所得收入(下載+內(nèi)容+預(yù)覽)歸上傳者、原創(chuàng)作者;如果您是本文檔原作者,請點此認領(lǐng)!既往收益都歸您。
下載文檔到電腦,查找使用更方便
9.9 積分
下載 |
- 配套講稿:
如PPT文件的首頁顯示word圖標(biāo),表示該PPT已包含配套word講稿。雙擊word圖標(biāo)可打開word文檔。
- 特殊限制:
部分文檔作品中含有的國旗、國徽等圖片,僅作為作品整體效果示例展示,禁止商用。設(shè)計者僅對作品中獨創(chuàng)性部分享有著作權(quán)。
- 關(guān) 鍵 詞:
- 直流電機 調(diào)速 計算機控制 技術(shù) 課程設(shè)計
鏈接地址:http://kudomayuko.com/p-6672145.html