直流电机PI控制系统

沈航北方科技学院课程设计说明书课程名称计算机控制技术课程设计课程题目直流电机PI控制系统教学部工学一部专业自动化班级B941302学号B94130214学生姓名李富彬指导教师席剑辉2012年7月目录0.前言......................................................................................................................11.直流电机PI控制基本理论................................................................................12.总体设计方案………………………………………………………………….33.硬件电路及工作原理..........................................................................................44.软件编程..............................................................................................................45.系统调试和结果分析.........................................................................................176.结论及进一步设想............................................................................................17实验原件…………………………………………………………………………18参考文献.................................................................................................................18课设体会.................................................................................................................19沈航北方科技学院课程设计论文直流电机PI控制系统1直流电机PI控制系统李富彬沈阳航空航天大学北方科技学院摘要：本文设计了一个直流电机PI控制系统，在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电动机进行驱动、传动和控制，而现代智能控制系统中，对电机的控制要求越来越精确和迅速，对环境的适应要求越来越高。随着科技的发展，通过对电机的改造，出现了一些针对各种应用要求的电机，如伺服电机、步进电机、开关磁阻电机等非传统电机。但是在一些对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中，传统电机如直流电机仍有很大的优势，而要对其进行精确而又迅速的控制，就需要复杂的控制系统。随着微电子和计算机的发展，数字控制系统应用越来越广泛，数字控制系统有控制精确，硬件实现简单，受环境影响小，功能复杂，系统修改简单，有很好的人机交换界面等特点。关键词：PI控制；调速；简单精确0.前言在电机控制系统开发中，常常需要消耗各种硬件资源，系统构建时间长，而在调试时很难对硬件系统进行修改，从而延长开发周期。随着计算机仿真技术的出现和发展，可用计算机对电机控制系统进行仿真，从而减小系统开发开支和周期。计算机仿真可分为整体仿真和实时仿真。整体仿真是对系统各个时间段对各个对象进行计算和分析，从而对各个对象的变化情况有直观的整体的了解，即能对系统进行精确的预测1.直流电机PI控制基本理论调速原理：当基于以上产生一个PWM后，就可以借助PWM脉冲来控制晶体管的导通和关断，来给压频转换器来提供一定的电压，在PROTUES中仿真中，给定一个+12V的电压，就通过晶体管的导通和关断来给压频转换器供电，压频转换器就会输出很多的脉冲，借助单片机P3.5来计数，其计数送给P0来显示，通过给定不同的ADC的输入电压，就可以的得到不同的计数显示，电压越大，其计数显示也就越大，通过改变计数脉冲的周期和硬件压频转换器（LM331）的电阻和电容，就可以得到与输入电压接近的数值显示，可能由于干扰的原因，其显示值和实际值有一点偏差，这是在没有什么负载的情况下，或者说是在空载的情况下，这样就可以得到一个很理想的开环系统，也为闭环PWM调节做好准备。当开环系统稳定后，加上一个扰动，或者说是加上负载，这样就使的压频转换器的电沈航北方科技学院课程设计论文直流电机PI控制系统2压减少，在给定一定电压的时候，当负载分压的时候，也就相当于直流电机的电压就会减少，这样直流电机的转速就会下降，或者说当有负载的时候，压频转换器的输入电压就会减少，这样输入的脉冲在单位时间就会减少，这样PID调节器，通过改变PID的参数，PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为u(t)=kp(e((t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt)式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数这样就会得到一个偏差，通过这个偏差来改变原来的PWM的占空比，使得晶体管的导通时间加长或减少，这样就改变了直流电机的输入电压，也就是该变了在PROTUES压频转换器的输入电压，使得输出的计数脉冲在单位时间发生改变，也就是模拟了直流电机的转速的改变，我们希望通过PID的调节，使得输出的计数脉冲的显示值和预先设定的值接近，由于偏差的存在，使得PID调节器不断的去修正，使得显示值近可能的接近我们所预期的设定值。PID（比例积分微分）是一个数学物理术语。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。沈航北方科技学院课程设计论文直流电机PI控制系统3PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为u(t)=kp(e((t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt)式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。2.总体方案设计实验原理图实验接线图（1）按图接线沈航北方科技学院课程设计论文直流电机PI控制系统4（2）将宏汇编程序经过汇编，连接后形成EXE文件装入系统，也可直接从软盘中调用EXP1.EXE文件。注意：其段地址CS：0000，偏移地址：IP：2000，应与宏汇编程序设定相符。可用U0000:2000命令查看第一、二条指令为MOVAX，0239、MOVDS，AX由此可知数据段地址为0239。用D0239:0000命令可查看到数据段中所放TS、SPEC、IBAND、KPP等参数值（对于双字节DW，低位在前）已按顺序排好，并与初始化值相符。用E0239:0000命令可从TS第一个数据开始修改这些值，按空格继续修改下一个值，按减号修改上一个值，按回车确认并停止修改。例：D0239:0000（回车）可看到：0239:00001430006000601010即：TS=14H，SPEC=0030H，0239:0008002000xxxxxxxxxxIBAND=0060HKPP=1060HKII=0010HKDD=0020H（3）在F7-Wave界面下运行程序（4）观察电机转速及示波器上给定值与反馈值的波形，分析器响应特性，改变参数Ibang、KPP、KII、KDD的值后再观察其响应特性，选择一组较好的控制参数并记录下来。3.硬件电路的工作原理TDN-AC/ACS系统的8255PB10脉冲信号为控制量，经驱动电路驱动电机运转。霍尔测速原件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量，在参数给定情况下，经PID运算，电机可在控制量作用下，按给定转速闭环运转。其中OPCLK为1.1625MHZ时钟信号，经8253的2号通道分频输出1ms的方波，接入8259产生IRQ6中断，作为系统采样时钟，PB10产生PWM脉冲计时及转速累加，8259的IRQ7中断用于测量电机转速。4.软件编程STACKSEGMENTSTACKDW256DUP(?)TOPLABELWORDSTACKENDSDATASEGMENTTSDB14H；采样周期沈航北方科技学院课程设计论文直流电机PI控制系统5SPECDW0020H；转速给定值IBANDDW0060HKPPDW1060HKIIDW0010HKDDDW0020HCH1DB?CH2DB?YKDW?CKDB?VADDDW?ZVDB?ZVVDB?TCDB?FPWMDB?CK_1DB?EK_1DW?AEK_1DW?BEKDW?AAADB?VAADB?BBBDB?VBBDB?MARKDB?R0DW?R1DW?R2DW?R3DW?R4DW?R5DW?R6DW?R7DB?R8DW?DATAENDS沈航北方科技学院课程设计论文直流电机PI控制系统6CODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASTART:MOVAX,DATAMOVDS,AXMAIN:CALLSYSTEM;调用system子程序CALLINIT;程序初始化STIM1:MOVAL,TS；判断Ts=Tc？SUBAL,TCJNCM1MOVTC,00H；计算出反馈量MOVAL,ZVVMOVAH,00HMOVYK,AXCALLPID；调用PID子程序，计算出控制量MOVAL,CK；根据控制量产生PWM脉冲SUBAL,80HJCIS0MOVAAA,ALJMPCOUIS0:MOVAL,10H；电机启动值不能低于10HMOVAAA,ALCOU:MOVAL,7FHSUBAL,AAA沈航北