51系列单片机直流电机闭环调速实验1

成绩：重庆邮电大学自动化学院综合实验报告题目：51系列单片机直流电机闭环调速实验姓名：陈功学号：2012212699姓名：李源学号：2012212855姓名：邬昌强学号：2012213079班级：0831202指导教师：郭鹏完成时间：2015年11月1实验名称：51系列单片机直流电机闭环调速实验基本情况：1.学生姓名：陈功，邬昌强，李源2.学号：2012212699，2012213079，20122128553.班级：08312024.实验项目组长：陈功5.同组其他成员：序号姓名班级学号分工系数1陈功083120220122126990.42邬昌强083120220122128550.33李源083120220122128550.32T实验内容一、系统方案设计（一）系统设计思想直流电机控制器可采用电机控制专用DSP，也可采用单片机＋直流电机控制专用集成电路的方案。前者集成度高，电路设计简单，运算速度快，可实现复杂的速度控制算法，但由于DSP的价格高而不适合于小功率低成本的直流电机控制器。后者虽然运算速度低，但只要采用适当的速度控制算法，依然可以达到较高的控制精度，适合于小功率低成本的直流电机控制器。闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称PID控制），其输出是输入的比例、积分和微分的函数。PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型，因此PID调节器得到了广泛的应用。（二）数字PID控制算法图1系统控制方案图在DDC系统中，用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现是由计算机软件来完成的。因此，系统中数字控制的设计，实际上是计算机算法的设计。由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，故在计算机控制系统中，首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。为将模拟PID控制规律离散化，我们把r(t)、e(t)、u(t)、c(t)在第n次采样的数据分别用r(n)、e(n)、u(n)、c(n)表示，于是e(t)r(t)c(t)变为：e(n)r(n)c(n)（1.1）当采样周期T很小时dt可以用T近似代替，de(t)可用e(n)e(n1)近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似de(t)e(n)e(n1)（1.2）dtTtn0e(t)dte(i)Ti1这样，e(t)r(t)c(t)便可离散化以下差分方程：（1.3）Tu(n)KP{e(n)TIne(n)Di1T[e(n)e(n1)]}u0（1.4）3TTTIP上式中u0是偏差为零时的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例（P）项uP(n),即up(n)KPe(n)第二项起积分控制作用,称为积分（I）项uI(n)即（1.5）u(n)KTIne(i)i1（1.6）第三项起微分控制作用,称为微分（D）项uD(n)即uD(n)KTD[e(n)e(n1)]PT（1.7）这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用,常用的组合有:P控制:u(n)uP(n)u0（1.8）PI控制:u(n)uP(n)uI(n)u0（1.9）PD控制:u(n)uP(n)uD(n)u0（1.10）PID控制:u(n)uP(n)uI(n)uD(n)u0（1.11）式（1.4）的输出量u(n)为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。因此,式（1.4）又称为位置型PID算式。由（1.4）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差e(i),不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此对式（1.4）进行改进。根据式（1.4）不难看出u(n-1)的表达式，即Tu(n1)KP{e(n1)TIn1e(n)Di1T[e(n1)e(n2)]}u0（1.12）将式（1.4）和式（1.12）相减，即得数字PID增量型控制算式为u(n)u(n)u(n1)KP[e(n)e(n1)]KIe(n)KD[e(n)2e(n1)e(n2)]（1.13）从上式可得数字PID位置型控制算式为u(n)KP[e(n)e(n1)]KIe(n)KD[e(n)2e(n1)e(n2)]u0（1.14）式中：KP称为比例增益；TKIKPI称为积分系数；TDKDKPT称为微分系数。4数字PID位置型示意图和数字PID增量型示意图分别如图2和图3所示：c(t)图2数字PID位置型控制示意图图3数字PID增量型控制示意图c(t)（三）直流电机的PWM控制技术直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。所以在直流调速系统中，都是以变压调速为主。其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。直流PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。同样，由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、装置效率高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。正因为直流PWM调速系统有以上优点，并且随着电力电子器件开关性能的不断提高，直流脉宽调制(PWM)技术得到了飞速的发展。随着科学技术的迅猛发展传统的模拟和数字电路已被大规模集成电路所取代，这就使得数字调制技术成为可能。目前，在该领域中大部分应用的是数字脉PID位置算法控制器r(t)+e(t)u-被控对象PID增量算法控制器r(t)+-e(t)u被控对象5宽调制技术。电动机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，并且结构简单、可靠性高、操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。下面主要介绍直流电机PWM调速系统的算法实现。根据PWM控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的PWM脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间T内脉冲宽度为t0,幅值为U，由图4可求得此时间内脉冲的等效直流电压为：U(t)U0t0TtUt0Ut0图4PWM脉冲0，若令TT，即为占空比，则上式可化为：U0U(U为脉冲幅值)（1.15）若PWM脉冲为如图5所示周期性矩形脉冲，那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同，即Unt0U0nTt0UTU（为矩形脉冲占空比）（1.16）U(t)U0t0T2t02T3t03T4t0nT(n+1)t0t图5周期性PWM矩形脉冲6由式（1.16）可知，要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值U和占空比来实现，因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的，所以通常通过控制占空比的大小实现等效直流电压在0～U之间任意调节，从而达到利用PWM控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。二、硬件设计（一）AT89C52单片机模块1、AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。兼容MCS51指令系统2、AT89C52单片机特性（1）8k可反复擦写(1000次）FlashROM；（2）32个双向I/O口；（3）256x8bit内部RAM；（4）3个16位可编程定时/计数器中断；（5）时钟频率0-24MHz；（6）2个串行中断；（7）2个外部中断源；（8）共6个中断源；（9）2个读写中断口线；（10）3级加密位；（11）低功耗空闲和掉电模式；（12）软件设置睡眠和唤醒功能；3、AT89C52单片机电路图7图6AT89C52单片机电路图（二）LM016L液晶屏模块1、LM016L液晶屏介绍LM016L液晶模块采用HD44780控制器，HD44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，HD44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM(AC)。IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种。CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节，可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符，AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址。82、LM016L液晶屏管脚（1）VSS一般接地；（2）VDD接电源（+5V）；（3）V0液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）；（4）RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器；（5）R/WR/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作；（6）EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能；（7）DB0底4位三态、双向数据总线0位；（8）DB1底4位三态、双向数据总线1位；（9）DB2底4位三态、双向数据总线2位；（10）DB3底4位三态、双向数据总线3位；（11）DB4高4位三态、双向数据总线4位；（12）DB5高4位三态、双向数据总线5位；（13）DB6高4位三态、双向数据总线6位；（14）DB7高4位三态、双向数据总线7位；（15）BLA背光电源正极；（16）BLK背光电源负极；3、LM016L液晶屏电路图图7LM016L液晶屏电路图9（三）串行AD转换器TLC2543模块1、TLC2543转换器介绍TLC2543转换器是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。2、TLC2543转换器的特点（1）12位分辩率A/D转换器；（2）在工作温度范围内10μs转换时间；（3）11个模拟输入通道；（4）3路内置自测试方式；（5）采样率为66kbps；（6）线性误差±1LSBmax；（7）有转换结束输出EOC；（8）具有单、双极性输出；（9）可编程的MSB或LSB前导；（10）可编程输出数据长度。3、TLC25