1、 計算機控制技術課程設計報告題目 基于最小拍控制的直流伺服電機控制系統設計授課教師 蓋寧 學生姓名 張松松 學 號 201000804063 專 業 10級電科教學單位 物理系 完成時間 2013年7月6日目 錄摘要11總體方案設計22直流電機的建模和數字控制器設計22.1直流電機模型的建立22.2最小拍數字控制器設計23硬件的設計和實現.33.1系統總體設計思路33.2系統模塊3輸入模塊43.2.2反饋節53. 2.3顯示塊53.2.4控制器的計53. 3相關電路的設計或方案6軟件設計與調試74.1開環狀態測試74.2閉環狀態測試75設計總結8參考文獻9附錄：系統硬件整體電路圖9摘 要近年來

2、由于微型機的快速發展，國外交直流系統數字化已經達到實用階段。由于以微處理器為核心的數字控制系統硬件電路的標準化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響。其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復雜運算，可以實現不同于一般線性調節的最優化、自適應、非線性、智能化等控制規律。所以微機數字控制系統在各個方面的性能都遠遠優于模擬控制系統且應用越來越廣泛。本文介紹的是用一臺26KW的直流電動機，8051單片機構成的數字化直流調速系統。特點是用單片機取代模擬觸發器、電流調節器、速度調節器及邏輯切換等硬件設備。最后進行軟件編程、調試以及計算機仿真。實時控制結果表明，本數字化直流調速系統實現了電流和轉速雙閉環的恒速調

3、節，并具有結構簡單，控制精度高，成本低，易推廣等特點，而且各項性能指標優于模擬直流調速系統，從而能夠實際的應用到生產生活中，滿足現代化生產的需要。關鍵詞：單片機 雙閉環 直流調速系統 數字方式1、總體方案設計在數字隨動控制系統中，要求系統的輸出值盡快地跟蹤給定值的變化，最小拍控制就是為滿足這一要求的一種離散化設計方法。所謂的最小拍控制，就是要求閉環系統對于某種特定的輸入在最少個采樣周期內達到無靜差的穩態，且閉環脈沖傳遞函數有以下形式：式中，N是可能情況下的最小正整數。這一形式表明閉環系統的脈沖響應在N個采樣周期后變為零，從而意味著系統在N拍之內達到穩態。但是最小拍控制器有其局限性：1、最小拍控

4、制器對典型輸入的適應性較差。一種典型的最小拍閉環脈沖傳遞函數只適應一種特定的輸入而不能適應于各種輸入。2、最小拍控制器的可實現性問題。對于某些對象的脈沖傳遞函數，如:那么所設計的閉環脈沖傳遞函數中必須含有純滯后，且滯后時間至少要等于被控對象的滯后時間。否則系統的響應超前于被控對象的輸入，這在實際中是實現不了的。3、最小拍控制的穩定性問題。在選擇時必須有一個約束條件（穩定性條件）D（z）的零點和G（z）的不穩定極點能夠完全對消。2、直流電機的建模和數字控制器設計2l直流電機模型的建立直流電機轉速相對于輸入電壓的傳遞函數模型：式中：機械時間常數，電氣時間常數。選取一商流電動機，其銘牌參數為：額定電

5、壓U。=220V，額定電流L=lO.2A，額定轉速m=3246ra挑額定輸出功率m=2.0kw，電動機軸上的轉動慣量J=0.082Js，則直流電機轉速相對于輸入電壓的傳遞函數模型為： 上式為最小拍控制仿真的直流電機模型。22最小拍數字控制器設計直流電機計算機控制系統框圖如圖1所示。圖1中受控對象為直流電機，數字控制器為用計算機編程實現的最小拍控制。數字控制系統在典型的時間域輸入信號(例如階躍輸入、速度輸入、加速度輸入等)的作用下，經過有限個采樣周期(也稱有限個拍)，輸出信號的穩態誤差為零，且在盡可能少的有限個數目的采樣周期，穩態誤差為零。這種設計方法也稱為最小拍設計，用這種方法設計的數字控制系

6、統稱為最小拍控制系統。系統的連續-時間受控對象是Gp(s)，輸入信號為r(t)，輸出響應信號為y(t)，誤差信號為e(t)，則有。圖l是典型的單位反饋數字控制系統。圖l直流電機計算機控制系統以Ts為采樣時間間隔。數字控制器D(z)的輸入信號為e(KT。)，輸出信號為U(KTl)，則U(KTI)為控制信號。U(KL)輸入至零階保持器，零階保持器輸出u(t)是一個分段連續的時間信號，作為受控對象的輸入信號。將圖l中受控對象連同其前面的零階保持器的脈沖傳遞函數定義為G(z)，定義閉環傳遞函數M(z)，則中：R(z)一輸入序列；Y(z)一輸出序列，由上式解出最小拍無波紋控制器公式為設計數字控制系統時，

7、必須考慮物理可實現性和穩定性，滿足物理可實現性和穩定性的限制條件“。根據這些條件選擇閉環傳遞甬數M(z)，誤差傳遞函數1一M(z)，G(z)等，使得所設計的數字控制系統在有限個采樣周期內，對特定類型的輸入信號的作用，輸出的穩態誤籌為零。3、硬件的設計和實現3.1系統總體設計思路80C31單片機屬于基本型的51系列單片機，它采用HMOS工藝，片內集成有8位CPU；片內駐留128字節的RAM以及21個特殊功能寄存器；片內還包括兩個16位定時器/計數器、一個全雙工串行I/O口（UART）、32條I/O線、5個中斷源和兩級中斷，尋址能力達128K字節（其中程序存儲器ROM和數據存儲器RAM各64K字節

8、）。指令系統中設置了乘、除運算指令、數據查找指令和位處理指令等。主時鐘頻率為12MHz，大部分指令周期只需1s，乘除指令也僅需4s。3.2系統的外圍模塊3.2.1輸入模塊80C31外接27128EPROM作為16K程序存儲器，存放全部控制軟件。用兩片74LS374和四個PNP中功率三極管以動態掃描方式驅動四位LED數字，以顯示轉速、設定速度、電流等數據，兩片74LS374采用線選法與80C31接口，地址分別為0DFFFH和0BFFFH。在80C31的P3口上外接三個按鍵，一個為啟動/停止鍵，用于啟動或停止電機運轉；另兩個為顯示選擇鍵，一個用于控制顯示速度設定值，另一個用于控制顯示電流值，不按這

9、兩個鍵時，顯示實際電機轉速。另外利用一片74LS374的多余輸出線，外接兩個LED發光管，一個用于顯示工作正常與否，它每隔1秒閃亮一次；另一個用于顯示是否處于運行狀態。1.按鍵部分鍵盤及接口電路的設計有以下兩種方案：方案一：直接使用IO口的鍵盤連接電路。由于80C31的IO口具有輸出鎖存和輸入緩沖的功能，因而他們組成鍵盤電路時，可省去輸出鎖存器和輸入緩沖器，鍵位的列線、行線直接分別與單片機中接口相連。方案二：利用IO口和譯碼器的接口連接按鍵電路。將鍵盤的4根列線與譯碼器相連后由譯碼器74LS374三根口輸入單片機，可以節省IO口。于本設計所需要的按鍵總數較少，我們采用方案一，按鍵電路我們采用4

10、×4矩陣式鍵盤電路。2.鍵盤掃描方式的方案選擇：方案一：采用定時掃描方式。此掃描方式每隔一段時間對鍵盤掃描一次，通常利用單片機內部定時器，產生10ms的定時中斷，CPU響應定時器溢出中斷請求，對鍵盤進行掃描，以響應鍵盤輸入請求。方案二：采用中斷掃描方式。此掃描方式是在鍵盤上有鍵盤合上時才產生中斷請求，CPU響應中斷，執行中斷服務程序，判斷鍵盤上閉合鍵的鍵號，并作出相應的處理。方案三：采用循環掃描方式。次掃描方式就是在主程序中一直在掃描鍵盤，只要有鍵按下，就響應鍵盤請求，求取鍵值。經綜合考慮，本設計選擇方案三即循環掃描方式。因為本設計的程序并不復雜，采用循環掃描可以很好的響應鍵盤輸入，

11、并不影響其他功能的實現。3.2.2反饋環節反饋環節是本設計實現最小拍控制必不可少的部分，由測量元件(速度傳感器)對被控制對象(電機)的被控參數(速度)進行測量，送給控制器CPU，控制器將測量信號(實際速度量)與給定信號（速度量）進行比較，若有誤差則按預定的控制規律產生一控制信號驅動執行機構(伺服電機控制電源)工作，使被控參數(實際速度量)與給定信號（位移速度量）保持一致。本設計中，電機的轉速會以一個方波的形式從電機上輸出，相當于一個編碼器的作用。方波的頻率和電機的轉速成線性關系，所以在程序中設計一個頻率計，就可以很好的測得當前的電機轉速，從而反饋給控制器進行調節。3.2.3顯示模塊顯示模塊有以

12、下兩種設計方案：方案一：采用LCD(1602液晶顯示屏)來顯示電機的設定值。方案二：采用LED數碼管顯示電機的設定值。本設計采用的是方案一。因為用LCD顯示界面更友好，只要對相應的顯示驅動程序有一定的了解就能完成顯示功能，節省CPU的資源。如果用LED數碼管顯示，就需要用多位的動態掃描方式，這樣的設計既浪費CPU資源，同時界面顯示效果并不理想。3.2.4控制器的設計在系統任務書中我們得知系統的傳遞函數為：其中： =1.8， =0.15，K =100，控制算法選用最小拍控制 。通過Z變換得到脈沖傳遞函數為：用單位階躍輸入得到控制器傳遞函數為：由于是單位階躍輸入所以其中的最后通過計算得到uk=0.

13、0027e(k)-0.0044e(k-1)+0.0016e(k-2)+1.4368u(k-1)-0.4368u(k-2) 3. 3相關電路的設計或方案根據設計任務的要求，要實現對電機的調速，只要對加在電機兩端的電壓進行調節。我們先確定了一個方案，先是用一個二極管整流橋將接入的220V交流電整流為直流，再用一個buck電路實現對加在電機兩端電壓的調節。對于調速的實現通過一個外加電位器控制對buck電路的觸發脈沖的調節來實現對電機電壓的調節。對于電機轉向的控制，可以用四個IJBT 運用觸發脈沖來實現對電機正反轉的控制。 圖3主電路圖 圖4 整流電路 整流采用二極管整流，輸入電壓為220V交流電，輸

14、出電壓為198V。電感L和電容C的值取經驗值。 這部分電路的主要功能是通過控制觸發脈沖的高低來實現對電機正反轉的控制當1的脈沖為高電平時，電機正轉，為低電平時電機反轉。通過控制四個IJBT的開通和關斷，來實現對加在電機兩端電壓的正負的轉換，這個電路還應加上保護電路，和緩沖電路保證在電壓換相時不會出現短暫的高電壓和高電流沖擊。4、軟件設計與調試通過單片機軟件設計，本系統主要完成的功能是，通過鍵盤輸入目標的電機轉速，系統通過最下拍控制器調節使電機的轉速達到設定值。這其中還包括設定值的顯示，和電機轉速的采集，以及電壓信號的輸出。4.1開環狀態測試開環狀態下，未在系統中加入閉環，通過鍵盤我們給定電機一

15、個預期轉速值。確定之后，電機在初始狀態以很大的扭矩驅使電機轉動，隨著電機轉速實際值漸進給定值時，單位時間內轉速的增加值慢慢增大，但是沒有超調量，最后達到無靜差狀態。這樣的調節時間比較長。圖6中斷程序流程圖4.2閉環狀態測試通過對電機轉速的測得，系統實現了閉環控制。這樣我們通過鍵盤設定一個目標值，電機會通過最小拍控制器對電機的工作狀態進行調節。從而達到預期的控制效果。加入閉環后，系統的調節時間減小了，但是出現了一定的超調。通過MATLAB仿真可以直觀的看到控制效果。開始系統初始化（I/O口，LCD，中斷）光標閃爍，等待輸入目標值并確認判斷是否有鍵按下判斷按鍵功能判斷輸入值是否在范圍內光標閃爍，等

16、待輸入目標值并確認LCD顯示“input ERR”N 非A鍵Y A鍵 N Y 圖7系統的主程序流程圖5設計總結通過兩周的計算機控制系統課程設計，我認識到計控課程設計是對計算機控制系統知識的驗證，可以幫助我們理解鞏固所學知識，激發我們對實現一個可控系統的興趣，更鍛煉了我們獨立思考、開拓創新的能力。在這次設計中遇到了很多實際性的問題，所以有些問題不但要深入地理解，而且要不斷地更正以前的錯誤思維。一切問題必須要靠自己一點一滴的解決，而在解決的過程當中你會發現自己在飛速的提升。對于最小拍算法控制直流伺服電機的設計，其硬件電路是比較簡單的，在MATLAB里面我們可以很好的仿真。最大的問題主要是解決程序設計中使用最小拍算法的問題，程序設計是一個很靈活的東西，它反映了你解決問題的邏輯思維和創新能力，它才是一個設計的靈魂所在。這次課程設計，我們了解了課程設計的一般步驟和設計中應注意的問題，同時我們也掌握了做設計的基本流程，為我們以后進行更復雜的設計奠定了堅實的基礎。設計本身并不是有很重要的意義，而是同學們對待問題時的態度和處理事情的能力。設計的結果不是最重要的，設計的過程最值得回味，設計的思想中的每一個環節，設