【導讀】存論文；學校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本論文全文或者部分的閱覽服務；學校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或者機構(gòu)送交論文的復印件和電子版；除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文的研究成果不包含任何他人。創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本學位論文原創(chuàng)性。聲明的法律責任由本人承擔。研究以單片機AT89S52和IR2110控制的直流電機脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。成、降低系統(tǒng)成本、增強系統(tǒng)性能、以滿足更多應用場合的需要。要求直流電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為30-50轉(zhuǎn)/秒，實時測量電機的。實際轉(zhuǎn)速,并要求在LED數(shù)碼管上顯示出來。選擇可以構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)的方案、選。擇所需器件和模塊、以及IGBT管組成橋式斬波電路。師的指導下進行的研究工作及取得的成果。究所取得的研究成果。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學可以將本學位

　　

【正文】 封 鎖 PWM輸 出分 析 ， 判 斷 故障 原 因顯 示 故 障等 待 系 統(tǒng) 復 位 圖 43 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序框圖 圖 44故障保護中斷子程序框圖 當故障保護引腳的電平發(fā)生跳變時申請故障保護中斷，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用定時中斷。兩種中斷服務中，故障保護中斷優(yōu)先級別最高，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷級別次之。 鍵盤 /顯示模塊設計 鍵盤 /顯示模塊核心控制器件是 8279，由軟件設置為 8 字符顯示，左端送入，編碼掃描鍵盤，雙鍵互鎖，內(nèi)部時鐘頻率設置為 100KHz。按鍵操作由終端導入，靜態(tài)顯示方式。 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 24 圖 45 顯示子程序 選通個位 ? 是 否 選通個位 ? 是 否 選通個位 ? 是 否 選通個位 ? 是 否 顯示個位 顯示十位 顯示百位 顯示千位 返回 延時 延時 延時 分解速度值到顯示緩沖區(qū) 延時 顯示完畢 ? 否 是 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 25 圖 46測速子程序 數(shù)字 PID 控制器 PID 控制器原理 在工程實際中，應用最為廣泛的 調(diào)節(jié)器 控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè) 控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用 PID 控制技術(shù)最為方便。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD控制。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡提速 N 轉(zhuǎn) 是 否 停止記數(shù) 讀計數(shù)器值 求出此時電機速度值 重裝記數(shù)初值 開始記數(shù) 返回 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 26 稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error） 。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項 ” 。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動 控制 系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 數(shù)字 PID 控制器流程圖 數(shù)字 PID 控 制算法可以分為位置式 PID 和增量式 PID 控制算法。 將模擬的 PID 算式 ? ? ? ? ? ? ? ? 00p1Ktu udt tdTdtteTte t eDI??????? ??? ? (42) 用求和的方式代替積分；用增量的方式代替微分 .則可作如下近似 ktt? (k=0, 1 ,2,…… ..) ? ? ? ? ????? ??k0jk0jt0ejTjTetdtte (43) ? ? ? ? ? ?? ? T eeT TkekTedt t kk 11de ?????? 進 行離散處理有 ? ?00 1kkDjkpk ueeTTeeKu ??????? ???? ??kjITT (44) 這便是增量式 PID 算式，由于它的每次輸出均與過去有關(guān)，計算時要對 Ek進行累加，故工作量大。因此一般不用位置式 PID。對三式稍作推導即得到下式。 2k1kkk CeBeAeu ???? 式中 ???????? ??? TTTT1KA DI (45) 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 27 B= ?????? ?? TT21K D TTKC DP? (46) 由式看出，如果計算機采用恒定的采樣周期 T,一旦確定了 ABC 只要使用前三次測量值的偏差，就可以由式求出控制增量。如圖 47 所示 . 圖 47 PID流 程圖 開 始 計算 NK存入 46H— 48H 計算 ANK存入 4CH— 4EH 計算 Δ NK存入 4CH— 4EH 計算 CBNK2存入 4FH— 51H 計算 ANK+BNK存入 4CH— 4EH 計算 BNK存入 4FH— 51H 取 Δ NK整數(shù) N 降速 N轉(zhuǎn) 更新 NK1,NK2 取 Δ NK整數(shù) N Δ NK0 提速 N轉(zhuǎn) 返 回 AT89C51 開始 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 28 圖 48 調(diào)速軟件系統(tǒng)框圖 保護現(xiàn)場 存放計數(shù)器 T1中的值 是否計夠20次？ 累加 20次的計數(shù)值 計算實際轉(zhuǎn)速 n=60M/ZTc 給出 PID運算參數(shù) TI、 TD、 KP 調(diào)用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器運算 保存運算結(jié)果 將實際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成十進制， 送入顯示 RAM顯示 返回中斷 重新設定定時器 /計數(shù)器的 初值并啟動 重新設定定時器 /計數(shù)器的初值并啟動 N Y 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 29 5 系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 本次系統(tǒng)仿真采用控制系統(tǒng)仿真軟件 ，使用 MATLAB對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法有兩種 ： 一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB的Simulink工具箱對其進行計算機仿真研究 ； 另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用 Power System工具箱進行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用 前 一種方法。 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設置 結(jié) 合本設計的特點，轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖圖，如圖 51 圖 51無靜差直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的框圖 下面我們將分別給出閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 1．直流電機的傳遞函數(shù) 額定勵磁下他勵直流電機的等效電路如圖 52所示： 圖 52直流電動機等效電路 規(guī)定正方向如圖所示。假如主電路電流連續(xù)，則動態(tài)電壓方程為： ddIU do R Id L Edt? ? ? E Cen? （ 51） 忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動機軸上的動力學方程為： 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 30 2375L GD dnTe T dt?? 電磁轉(zhuǎn)矩 Te CmId? （ 52） 式中 LT —— 包括電動機空載轉(zhuǎn)矩 在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩（ ）。 2GD —— 電力拖動系統(tǒng)折算到電動機軸上的飛輪慣量（ N. 2m ）。 Cm—— 額定勵磁下電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（ ／ A）， Cm＝ 30? Ce ，將上述微分方程式 加以整理可得 ()dL dIU d o E R Id T dt? ? ? LId Id? ＝ TmR dEdt （ 53） 其中 LT ＝ L／ R————— 電磁時間常數(shù)； Tm＝2375GDRCeCm——— 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)； /LLId T Cm? ———— 過載電流（ A）。 在零初始條件下，將上面的等式兩邊進行拉式變換，得 電壓與電流之間的傳遞函數(shù)： ()( ) ( )Id sUdo s E s? ＝ 1/1L RTS? （ 54） 電流與電動勢間的傳遞函數(shù)： ()( ) ( )dLEsId s I s? ＝ RTmS （ 55） 根據(jù)上面兩式并考慮 n＝ E／ Ce 即可得到額定勵磁下直流電動機得動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖53所示： 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 31 圖 53 額定勵磁下直流電動機得動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 前面的轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)總由靜差是因為電壓放大器為比例放大器，如果選用比例積分調(diào)節(jié)器（即 PID 調(diào)節(jié)器）， PID 調(diào)節(jié)器的輸出由兩個分量組成，一個是比例分量 KpUin ，一個是積分分量 Kp Uindt? ? ，它能隨時間 對輸入信號的不斷積累，當突加 Uin 時，相當于放大倍數(shù)為 Kp 的比例調(diào)節(jié)器，當 Uin 不為零時，積分作用將不斷作用下去，輸出積累上升，直到限幅最大值；一旦 Uin＝ 0，輸出保持在此時的數(shù)值上，穩(wěn)態(tài)時 PID 調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)是它本身的開環(huán)放大倍數(shù)，極大的開環(huán)放大倍數(shù)使系統(tǒng)基本無靜差。積分控制可以使系統(tǒng)在偏差電壓為零時保持恒轉(zhuǎn)速運行，實現(xiàn)無靜差調(diào)速，因此，采用比例積分調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是無靜差調(diào)速系統(tǒng)。 電機 Matlab 仿真 本次設計選用 直流電動機的額定參數(shù) 直流電動機的額定參數(shù) PN=、UN=220V、 IN=10A、 nN=1480 r/min， Ks= Ce=。 他勵電壓：220V。 選取電動機各參數(shù)分別為 Ra=， La=， Ka=， Kb=， f=，Ja=m2。分別以電動機電樞電壓 ua(t)和負載力矩 Md(t)為輸入變量，以電動機的轉(zhuǎn)動速度為輸出變量，在 MATLAB 中建立電動機的數(shù)學模型。 在 MATLAB 命令窗口中輸入： Ra=。La=。Ka=。 Kb=。f=。Ja=。 G1=tf(Ka,[La Ra])。 G2=tf(1,[Ja f])。 dcm=ss(G2)*[G1,1]。 dcm=feedback(dcm,Kb,1,1)。 dcm1=tf(dcm) 運行結(jié)果為： Transfer function from input 1 to output: 10／ s^2 + 14 s + 43 Transfer function from input 2 to output: 50 s + 200／ s^2 + 14 s + 43 RTmS 1Ce Ud0（ s） IdL（ s） n(s) E(s) － ＋ 1/1lRTS? Id（ s） 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 32 step(dcm(1))。 Transfer function from input 1 to output: 10 s^2 + 11 s + 11 Transfer function from input 2 to output: 50 s + 50