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1、 直流调速控制系统课程设计题目：基于51单片机的双闭环直流调速系统院（系）：专业班级：学 号：学生姓名：指导老师： 摘要3第一章 总体结构设计4第一节 系统方案选择与总体结构设计41.1.1 方案选择41.1.2系统控制对象的确定71.1.3双闭环直流调速系统电路原理71.1.4双闭环直流调速系统动、静态模型91.1.5 数字控制双闭环直流调速系统方框图121.1.6数字式双闭环直流调速系统硬件结构图13第二节 8051单片机简介141.2.1 8051单片机的基本组成151.2.2 CPU及8个部件的作用功能介绍如下151.2.3电动机供电方案选择171.2.4 晶体管PWM功率放大器方案选
2、择17第二章 主电路的设计及参数计算182.1.1 设计参数182.1.2 稳态参数的计算182.1.3 调节器的设计18电流调节器：18转速调节器：20第三章 系统软件程序设计24第一节 主程序设计24第二节 PI控制子程序设计26第四章 数学模型的建立294.1.1直流电动机的数学模型294.1.2转速电流双闭环调速系统的数学模型294.1.3仿真模型30结论30总结31参考文献32摘要随着时代的进步和科技的发展，电机调速系统在工农业生产、交通运输及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义。长期以来，直流电机被广泛的应用于调速系统中，而且一直在调速领域中占主导地
3、位。 本设计是基于单片机控制的PWM直流电机调速系统，系统以51单片机为核心，以直流电机为控制对象。调节PWM的占空比控制电机两端电压，从而达到调速的目的。系统的硬件设计部分包括案件模块、电动机驱动模块、STC89C51单片机系统、保护电路、供电电源和直流电机。系统的软件部分包括按键控制程序设计、显示程序设计、主控程序设计。关键词：STC89C51单片机；直流电机；PWM；占空比；第一章 总体结构设计第一节 系统方案选择与总体结构设计1.1.1 方案选择 本系统利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进
4、行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图1-0.1中a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图1-0.1的a为矩形脉冲，图1-0.1的b为三角脉冲，图1-0.1的c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为如下图的d所示的单位脉冲函数时，环节的响应即为
5、该环节的脉冲过渡函数。1-0.1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图1-0.2 a的电路是一个具体的例子。图中为窄脉冲，其形状和面积分别如图1-0.1的a、b、c、d所示，为电路的输入。该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流为电路的输出。图1-0.2b给出了不同窄波时的响应波形。从波形可以看出，在的上升段，脉冲形状不同时的形状也略有不同，但其下降段几乎完全相同。脉冲越窄，各波形的差异也越小。如果周期性的施加上述脉冲，则响应也是周期性的。用傅立叶级数分解后将可看出，各在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同。图1-0.2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形PWM控制技术以其控制简单、灵活
6、和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。本系统就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。利用编码器测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。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
7、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，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
8、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。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,幅值为U，由图1-0.3可求得此时间内脉冲的等效直流电压为：图1-0.3 PWM脉冲，若令，即为占空比，则上式可化为： (U为脉冲幅值) 若PWM脉冲
9、为如图1.7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 （为矩形脉冲占空比） 图1-0.4周期性PWM矩形脉冲由式上式可知，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0U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。1.1.2系统控制对象的确定本次设计选用直流电动机的额定参数直流电动机的额定参数PN=20W、UN=12V,nN=500 r/min，电动势系数Ce=0.136V/min/r。1.1.3双闭环直流调速系统电路原理转速、
10、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。采用PID调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足需要，这主要是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。这时候就需要双闭环控制系统了。 因为双闭环采用转速和电流两个调节器，能同时存在转速和电流两种负反馈，又能分别在不同的阶段起作用。随着调速系统的不断发展和应用，传统的采用 PI 调节器的单闭环调速系统既能实现转速的无静差调节，又能较快的动态响应只能满足一般生产机械的调速要求。为了提高生产
11、率，要求尽量缩短起动、制动、反转过渡过程的时间，最好的办法是在过渡过程中始终保持电流（即动态转矩）为允许的最大值，使系统尽最大可能加速起动，达到稳态转速后，又让电流立即降低，进入转矩与负载相平衡的稳态运行。要实现上述要求，其唯一的途径就是采用电流负反馈控制方法，即采用速度、电流双闭环的调速系统来实现。在电流控制回路中设置一个调节器，专门用于调节电流量，从而在调速系统中设置了转速和电流两个调节器，形成转速、电流双闭环调速控制。双闭环调速控制系统中采用了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实现串级连接。图11.1为转速、电流双闭环直流调速系统的原理图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节
12、器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅什Uim决定了电流调节器ACR的给定电压最大值Uim，对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角。1-1.1双闭环直流调速系统电路原理静态结构图系统特点（1） 两个调节器，一环嵌套一环；速度环是外环，电流环是内环 。（2） 两个PI调节器均设置有限幅 ；一旦PI调节器限幅（即饱和）其输出量为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反极性
13、的输入信号使调节器退出饱和；即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使该调节器处于断开。而输出未达限幅时，调节器才起调节作用，使输入偏差电压在调节过程中趋于零，而在稳态时为零。(3) 电流检测采用三相交流电流互感器；(4) 电流、转速均实现无静差。由于转速与电流调节器采用PI调节器，所以系统处于稳态时， 转速和电流均为无静差。转速调节器ASR输入无偏差，实现转速无静差。1.1.4双闭环直流调速系统动、静态模型双闭环系统的静特性如图所示特点： 1）n0-A 的特点 ASR不饱和。 ACR不饱和。 或n0为理想空载转速。此时转速n与负载电流无关，完全由给定电压所决定。 电流给定有如下关系
14、? 因ASR不饱和，故。n0A这段静特性从一直延伸到。2）ASR不饱和。ACR不饱和。电流跟随，起到了过流保护作用。双闭环直流调速系统动态结构图如图1-1.2所示图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有为了引出电流反馈，在电动机的动态框图中必须把电枢电流显露出来。图1-1.2 双闭环直流调速系统动态结构图双闭环系统的动特性如图所示启动过程分析：设系统启动前处于停车状态：Un*=0,Ui=0,Uct=0,n=0 ,Ui*=0,90,Ud0=0，当输入阶跃信号时，系统进入起动过程。按照转速调节器ASR在起动过程中经历的不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程分成图
15、中标明的I、II、III三个阶段。第I阶段 电流上升阶段（0 t1）突加Un* Un很大ASR迅速饱和Ui* Uim* Uct、Ud0、Id迅速上升n上升IdIdm时， Ui Uim* 。在本阶段：ASR由不饱和迅速饱和（Un增长慢）。ACR不饱和（Ui增长快）。第 II 阶段 恒流升速阶段（t1 t2）ASR饱和Ui*Uim*IdIdm电机以恒加速度上升（n线性上升至n*）nEIdUiUiUctUd0Id（Id维持Idm不变 ）在本阶段中：（1）由于n的线性增长，使E为一个线性渐增的干扰量，ACR起调节作用，使Uct和Ud0基本上线性增长；（2）调整过程中，Id略低于Idm，保证U0,Uct
16、线性上升。恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。第阶段 转速调节阶段（t2以后）Un0 (n n*)ASR仍饱和Ui Uim* Id IdmILnn* Un0 ASR退饱和Ui*Uim*IdId ILnn（转速可能会经过几次振荡，但转速环会进行调节）结论：起动过程中，ASR饱和后，系统成为恒流调节系统；ASR退饱和后，系统达到稳定运行时，表现为一转速无静差调速系统动态抗扰性能分析抗负载扰动作用:由双闭环调速系统抗负载扰动作用的动态结构图可以死看出，负载扰动作用在电流环之外，转速环之内，所以双闭环调速系统在抗负载扰动方面和单闭环调速系统只能依靠转速环来进行抗扰调节。抗电网电压扰动作用：由动态结构图
17、知：电网电压扰动在电流环之内，电压扰动尚未影响到转速前就已经为电流环所抑制。因而双闭环系统中电网电压扰动引起的动态速降（升）比单闭环小得多。1.1.5 数字控制双闭环直流调速系统方框图根据设计要求，本系统设计为全数字式控制方式，因此要求微型计算机完成：电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算，以及与它们相应的反馈信号的采样和数字信号处理。 本系统采用霍尔元件作为检测电动机电枢电流的传感器,其电流容量为50A,转换比例为1000：1。霍尔元件检测得到的弱电流信号经转换、滤波、放大后,变成与电枢电流成比例的05V的直流电压信号,再经A/D转换电路,将模拟电压转换成数字量,输入微型计算机
18、。本系统选用光电脉冲信号发生器作为速度反馈的测量元件,光电脉冲信号发生器将电动机转子的角位移量转换成脉冲序列,通过计数器定时计数即可得到电动机转速的数字式反馈量。本系统由微型计算机来实现整个系统的控制,用全数字方式来取代传统的模拟控制方式,不仅提高了系统的可靠性、灵活性,而且还为整个系统的多功能、智能化提供了必要条件。 经上述考虑,本系统组成的方框图如图1-1.3所示。 数字式位置控制器数字式速度控制器数字式电流控制器数字式PWM信号发生器PWM功率放大器M信号转换滤波放大A/D转换.PG光电隔离倍频变向位置可逆计数器数字式速度测量计数器位置给定+-霍尔元件+图1-1.3 数字式双闭环直流调速
19、系统方框图1.1.6数字式双闭环直流调速系统硬件结构图 数字式双闭环直流调速系统硬件结构图如图1-1.4所示图1-1.4 数字式双闭环直流调速系统硬件结构图主电路：三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。检测回路：包括电压、电流、温度和转速检测。电压、电流和温度检测由 A/D 转换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速。故障综合：利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。第二节 8051单片机简介ST
20、C89C51RC是采用8051核的ISP（In System Programming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8K Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。本系统要求微型计算机完成电流环、速度环和位置环的控制算法运算以及相应的反馈信号数字化测量和采样,接收和处理上位微型计算机送给伺服系统的指令,采集伺服系统的
21、有关信息并反馈到上位微型计算机等。其中,电流环控制要求微型计算机有很快的响应速度,其采样频率比较高。另外,为了保证足够的控制精度和运算速度,对微型计算机字长和指令功能也有更高的要求。本系统选用我们比较熟悉的8051作为微型计算机。1.2.1 8051单片机的基本组成8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示： 振荡电路数据存储器程序存储器中断系统特殊功能寄存器CPU并行I/O口串行口定时器图1-1.5 8051单片机基本组成1.2.2 CPU及8
22、个部件的作用功能介绍如下中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80HFFH。内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。并行I/O口：8051芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的
23、并行输入输出。串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。1.7.3 8051单片机引脚图1-1.6 8051单片机引脚图1.2.3电动机供电方案选择变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和
24、脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又称V-M系电压。通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。与VM系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：一、主电路线路简单，需要的功
25、率器件少；二、开端频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小：三、低速性能好，稳速精度该，调速范围宽，可达1：10000左右；四、若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；五、功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高；六、直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流高。本设计应脉宽调速要求，采用直流PWM调速系统。1.2.4 晶体管PWM功率放大器方案选择双极性调制方式的特点是4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，双极性控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点：电流一定连续；可使电机在四象限运行；电机停止时有微振
26、电流，可以消除静摩擦死区；低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右；低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于器件的可靠导。故本设计选用双极性控制的桥式可逆PWM变换器。第二章 主电路的设计及参数计算2.1.1 设计参数（1） 直流电动机参数：PN=20W、UN=12V、IN=1.5A、=300r/min、电枢电阻Ra=4.5电枢电感La=6.76mH、GD2=15.68Ncm2、Tm=30ms（2） 转速电流双闭环直流调速系统：U *n=5V，Uim=5V，Idm=1.5IN，i5%，n10%。2.1.2 稳态参数的计算双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是
27、和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：速反馈转系数 电流反馈系数 2.1.3 调节器的设计电流调节器：1、确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts。由表2-2知，PWM装置的延长时间 Ts=0. 1ms=0.0001s。（2）电流滤波时间常数Toi。 （12）Toi=0.1ms，因此取Toi=0.06ms=0.00006s。（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取= Ts+Toi=0.00016s。（4）电磁时间常数TL TL=2.2ms=0.0022s2、 选择电流调节器的结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节
28、器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为 -电流调节器的比例系数；-电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：, 13.75 参照附表2-2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。3、计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：要求时，取，因此 于是，ACR的比例系数为 =4.6454、校验近似条件电流环截止频率： 3125PWM装置传递函数的近似条件 3333.33 满足近似条件。（1） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件（2） 电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件5、 计算调
29、节器电阻和电容按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为 , 取190 ，取0.012 取0.006 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。含滤波环节的PI型电流调节器转速调节器： 1.、确定时间（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，则=20.00016s=0.00032s（2） 转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 2、 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为 3、 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为 0.0166 则
30、转速环开环增益 435.48 则转速环开环增益 435.48 可得ASR的比例系数为 9.047 式中 电动势常数4、检验近似条件转速截止频率为 （1）电流环传递函数简化条件为 1473.14 满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为 340.21 满足近似条件5、计算调节器电阻和电容根据下图所示，取，则 取 , 取 , 取 含滤波环节的PI型转速调节器6、校核转速超调量当h=5时，查附表2-3典型型系统阶跃输入跟随性能指标得，不能满足设计要求。实际上，由于表2-3是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。计算超调
31、量：设理想空载起动时，负载系数，已知， ， ，。当时，由附表6.4查得，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降 调速系统开环机械特性的额定稳态速降 为基准值，对应为额定转速得 满足设计要求。转速环的动态结构图及其简化整流电路形式最大失控时间/ms平均失控时间/ms单向半波2010单相桥式（全波）105三相半波6.673.33三相桥式3.331.67表2-2h34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%/T2.402.652.853.03.13.23.33.35/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k
32、32211111表2-3第三章 系统软件程序设计数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。单片机数字控制双闭环直流调速系统的软件有主程序、初始化子程序、中断服务子程序等。第一节 主程序设计主程序流程图如图2-1.1所示。在主程序中，主要完成对各个可编程芯片进行初始化和键盘参数设置的处理。键盘参数设置的处理主程序中的重要部分，这部分程序设计采用程序的模块化，有效的解决了复杂的多重分支问题。启动功能键按下时，系统开始启动采样定时并进入实时控制阶段，每次中断返回时若有复位键和新的参数设置键按下则返回键处理程序。YES开始系统初始化按键处理有键按下？刷新显示数据通讯NO系
33、统初始化设定定时器工作方式设定I/O、键盘和显示接口的工作方式参数及变量初始化返回图3-1.1 主程序的流程图 图3-1.2 初始化子程序流程图如图3-1.2，系统初始化包括中断始化、各存储单元赋初值、键盘显示器的各数据程序表赋常数、各种限定值装入数据存储器、设定堆栈指针、给主程序标志寄存器送初始值、控制器设定初值等。主程序：0000 AJMP STARTSTART：CLR PSW.4 CLR PSW.3 ；选中工作寄存器0组 CLR C MOV R0 ，4FH MOV A ，30HCLEAR1：CLR A INC A DJNZ R0 ，CLEAR1 ；清零30-7FH SETB TR0 ；定
34、时器/计数器0工作 MOV TMODE ，#01H ；定时器/计数器工作在方式1 SETB EA ；总中断开放 SETB IT0 ；置INTO为降沿触发 SETB IT1 ；置INT1为降沿触发LJMP MAINLJMP CTCOLCALL SAMPLEFosc=12MHZ，用一个定时器/计数器定时50ms，用R2作计数器，置初值14H，每执行一次中断服务程序，让计数器内容减1，当计数器内容减为0时，则到1s。第二节 PI控制子程序设计为了安全起见，系统对转速调节器和电流调节器实行限幅，当转速调节中断服务子程序或电流调节中断服务子程序进行到“转速调节”或“电流调节”时，便进入PI控制子程序（如
35、图3-2.1）。PI程序：SETB EX1 ；开放中断1MOV R0，90H ；P1口（W）送R0,预设MOV R1，80H ；P0口（Y）送R1，实测MOV A，R0 ；W给AMOV B，R1 ；Y给BSUBB A，B ；ei给AMOV 7FH，A ；ei 给7FHMOV 7EH，#00H ；ei-1=0给7EHMOV 7BH，Umax MOV 7AH, UminAJMP IN ；积分项AJMP P ；比例项MOV A，R2 ；Pi给AADD A，R3 ；Pi+Pp给AMOV 7DH，#00H ；Ui-1=0给7DHADD A，7DH ；Ui-1+Pi+Pp=Ui给AMOV 7CH,A ；U
36、i给7CHMOV 7DH，7CH ；Ui给Ui-1MOV A，7BH ；Umax给ACJNE A，#Ui，LOOP2 ；UiUmax转移MOV A，#UiCJNE A，7AH，LOOP3 ；UiUmin转移MOV 90H，7CH ；输出Ui到P1口LOOP2：MOV A，7CH ；Ui给ACLR CSUBB A，#UmaxRETILOOP3：MOV A，7CH ；Ui给A CLR C SUBB A，#Umin RETIIN：MOV 6FH，#I MOV A，6FH ；I给A MOV B，7FH ；ei给B MUL AB ；Pi=I*ei给A MOV R2，A ；Pi给R2 RETIP：MOV
37、6EH，#P CLR C MOV A，7FH ；ei给A SUBB A，7EH ；ei-ei-1给A MOV 7EH，7FH ；ei给ei-1 MOV B，6EH MUL AB ；（ei-ei-1）*P给A MOV R3，A ；Pp给R3 RETI保护现场选择参数和初值本次采样输入计算偏差值e (k) ？返回NYNNNYYY图3-2.1 PI控制子程序框图 数学模型的建立4.1.1直流电动机的数学模型在本设计中讨论的是直流电动机拖动恒转巨负载的自动控制系统，直流电动机本身是一个电-磁相互作用的非线性系统，在这里将其近似为一个线性系统，得到直流电动机的传递函数为： 4.1.2转速电流双闭环调速系
38、统的数学模型求取双闭环调速系统的数学模型一般采用由内到外，逐环求取。对转速电流双闭环系统，首先求取电流环传递函数，再将其视为转速环中的一个环节，在求取转速环的传递函数，由于检测信号中含有交流分量或其他高频干扰。故对转速电流信号均经过型滤波，再加到调节器的输入端，为了补偿这些滤波环节带来的惯性作用，在给定信号中也加入一个相同时间常数的给定滤波环节。1、电流环传递递函数的求取 由于系统中机电时间常数远大于电磁时间常数，反电动势的变化过程相对缓慢，因此在电流环中，可忽视反电动势的影响，又由于和比小得多，可以当作小惯性环节近似处理，故取。由于电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而
39、在土家控制作用时不希望有超调，而且当时，典型型系统的抗恢复时间还是可以接受的，故采用调节器将电流环的控制对象校正成典型型系统，其中调节器传递函数为：。故电流环的闭环传递函数为2、转速环的传递函数有上式已知电流环的闭环传递函数，又由于转速环的截止频率一般较低，因此电流内环可等效为一阶环节。其近似条件为： 同样的，再将时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，形成一个时间常数为的惯性环节，则基于系统稳态无静差的条件，转速环应校正成典型型系统，而且典型型系统的抗扰动性能好。由于将转速环校正成了典型型系统，故ASR有必将采用PI调节器，其传递函数为： 4.1.3仿真模型转速双闭环直流调速系统的传递函数模型
40、主要由给定环节、ASR、ACR、限幅函数、速度反馈环等部分组成。采用传递函数图方法构成的双闭环系统仿真模型结论本文所述的直流电机闭环调速系统是以低价位的单片微机8051为核心的，而通过单片机来实现电机调整又有多种途径，相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行调整，采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。而在软件方面，采用PI算法来确定闭环控制的补偿量也是由数字电路组成的直流电机闭环调速系统所不能及的。曾经也试过用单片机直接产生PWM波形，但其最终效果并不理想，在使用了少量的硬件后，单片机的压力大大减小，程序中有充足的时间进行闭环控制的测控和计算，使得软件的运行更为合理可靠。因为本系统采用了双闭环系统，所以系统能够通过两个转速调节器进行自动调节作用减少稳态速降，但是有超调。为使系统的稳态性能更好，该系统采用无静差调节，即转速调节器采用比例积分调节器（PI调节器），使系统保证恒速运行，以保证满足更严格的生产要求。