计算机控制技术课程设计

目录

1 引言 0

2 课程设计任务和要求 (1)

3 直流伺服电机控制系统概述 (1)

3.1 直流伺服系统的构成 (1)

3.1.1 伺服系统的定义 (1)

3.1.2 伺服系统的组成 (1)

3.1.3 伺服系统的控制器的分类 (2)

3.1.4 直流伺服系统的工作过程 (3)

4 直流伺服电机控制系统的设计 (4)

4.1方案设计步骤 (4)

4.2 总体方案的设计 (4)

4.3控制系统的建模和数字控制器设计 (6)

4.4数字PID工作原理 (7)

4.5数字PID算法的simulink仿真 (7)

5 硬件的设计和实现 (8)

5.1 选择计算机机型（采用51内核的单片机） (8)

5.1.1 80C51电源 (9)

5.1.2 80C51时钟 (9)

5.1.3 80C51 控制线 (9)

5.1.4 80C51 I/O接口 (10)

5.2 设计支持计算机工作的外围电路（键盘、显示接口电路等） (10)

5.2.1数据锁存器 (10)

5.2.2键盘 (10)

5.2.3显示器 (11)

5.2.4数模转换器ADC0808 (11)

5.3 其它相关电路的设计或方案 (12)

5.3.1 供电电源设计 (12)

5.3.2 检测电路设计 (13)

5.3.3 功率驱动电路 (13)

5.4 仿真原理图 (13)

6软件设计 (14)

6.1 程序设计思想 (14)

6.2 主程序模块框图 (14)

6.3编写主程序 (14)

7 总结 (15)

附录1 ADC0808程序 (16)

附录2 数字控制算法程序 (17)

参考文献 (18)

1 引言

半个世纪来，直流伺服控制系统己经得到了广泛的应用。随着伺服电动机技术、电力电子技术、计算机控制技术的发展，使得伺服控制系统朝着控制电路数字化和功率器件的模块化的方向发展。

本文介绍直流伺服电机实验台的硬件、软件设计方案。通过传感器对电机位移进行测量，控制器将实际位移量与给定位移量进行比较，控制信号驱动伺服电机控制电源工作，实现伺服电机的位置控制。其电机位置随动系统硬件设计主要包括:总体方案设计、单片机应用系统设计、驱动电路设计和测量电路设计。软件编制采用模块化的设计方式，通过系统的整体设计，完成了系统的基本要求，系统可以稳定的运行。

本次设计说明书主要包括主要包括主程序设计、模数转换器ADC0809程序及数字控制算法程序的设计等内容。

通过本次设计，加深在计算机控制系统课程中所学的知识的理解，提高电气设计与分析的能力，为今后的工作打下基础。

2 课程设计任务和要求

课程设计对象是直流伺服电机实验台，设计一个计算机控制的直流伺服电机控制系统。由测量元件(位移传感器)对被控对象(电机)的被控参数(位移)进行测量，由变换发送单元(A\D 转换器)将被控参数(位移)变成一定形式的信号，送给控制器CPU ，控制器将测量信号(实际位移量)与给定信号(位移量)进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号驱动执行机构(伺服电机控制电源)工作，使被控参数(实际位移量)与给定值(给定位移量)保持一致。其电机位置随动系统：

)

1)(1()1()(213+++=T s T s s T K S G 式中，K=50， T 1=1.1，T 2=0.15，T 3=0.2

控制算法选用数字PID 控制。

要求根据所给条件确定能够根据功能要求查找相关的元器件的说明书。能够对元器件的说明书进行学习并掌握元器件的控制方法和时序要求。能够利用相关仿真软件对电路进行仿真调试。能够按着规范的课程设计的格式完成课程设计报告。按照任务书要求，提交一份纸制课程设计报告，控制程序工程文件。

3 直流伺服电机控制系统概述

伺服系统也称为随动系统，属于自动控制系统的一种，它是用来控制被控对象的转角或位移，使其能自动的、连续的、精确地复现输入指令的变化规律，它通常具有负反馈的闭环控制系统。

3.1 直流伺服系统的构成

3.1.1 伺服系统的定义

“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。

伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。

3.1.2 伺服系统的组成

伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分

及被控对象组成。

（1）功率变换器

直流伺服系统功率变换器的主要功能是根据控制电路的指令，功率变换器主要包括控制电路、驱动电路、功率变换主电路等。

功率变换主电路主要由整流电路、滤波电路和逆变电路三部分组成。

控制电路主要由运算电路、PWM生成电路、检测信号处理电路、输入输出电路、保护电路等构成，其主要作用是完成对功率变换主电路的控制和实现各种保护功能等。

驱动电路的作用是根据控制信号对功率半导体开关进行驱动，并为器件提供保护，主要包括开关器件的前级驱动电路和辅助开关电源电路等。

（2）传感器

在伺服系统中，需要对伺服电机的绕组电流及转子速度、位置进行检测，以构成电流环、速度环和位置环，因此需要相应的传感器及其信号变换电路。

电流检测通常采用电阻隔离检测或霍尔电流传感器。

速度检测可采用无刷测速发电机或无刷旋转变压器。

位置检测通常采用绝对式光电编码器或无刷旋转变压器，也可采用增量式光电编码器进行位置检测。

（3）控制器

在直流电机伺服系统中，控制器的设计直接影响着伺服电机的运行状态，从而在很大程度上决定了整个系统的性能。

位置伺服系统的伺服控制器主要包括电流控制器和速度控制器和位置控制器。其中电流控制器是关键的环节。

因为无论是速度控制还是位置控制，最终都将转换为对电机的电流控制。电流环的响应速度要远远大于速度环和位置环。

对于速度和位置控制，由于其时间常数较大，因此可借助计算机技术实现许多复杂的基于现代控制理论的控制策略，从而提高伺服系统的性能。

3.1.3 伺服系统的控制器的分类

伺服系统控制器主要有以下三种：

电流控制器

电流环由电流控制器和逆变器组成，其作用是使电机绕组电流实时、准确地跟踪

电流指令信号。

速度控制器

速度环的作用是保证电机的转速与速度指令值一致，消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响。

速度指令与反馈的电机实际转速相比较，其差值通过速度控制器直接产生交轴电流指令。

并进一步用直轴电流指令共同作用，控制电机加速、减速或匀速旋转，使电机的实际转速与指令值保持一致。速度控制器通常采用的是数字PID控制方式。

位置控制器

位置环的作用是产生电机的速度指令并使电机准确定位和跟踪。通过比较设定的目标位置与电机的世纪位置，利用其偏差通过位置控制器来产生电机的速度指令当电机启动后在大偏差区域，产生最大速度指令，使电机加速运行后以最大速度恒速运行；在小偏差区域，产生逐次递减的速度指令，使电机减速运行直至最终定位。

3.1.4 直流伺服系统的工作过程

直流伺服电机采用改变电枢电压的电枢控制法。该方法以电枢绕组为控制绕组，在负载转矩一定时，保持励磁电压恒定，通过改变电枢电压来改变电动机的转速。

直流伺服电动机输出恒定的电磁转矩，且电磁转矩只与电枢电流的大小有关。直流伺服电动机通过转子位置传感器检测出转子的位置信号。经过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩使直流伺服电动机运转起来。

将直流伺服电机与微型计算机连接，首先，用位移传感器将每个采样周期内的直流电机控制试验台移动的距离进行检测，将控制信号传输到锁存器中。然后经锁存器送到微型计算机，与数字给定值进行比较，并进行数字PID运算；再经锁存器送到D/A 转换器，将数字量变成脉冲信号，再由脉冲发生器产生调节脉冲，经驱动放大后控制电机转动，从而控制试验台的移动。

4 直流伺服电机控制系统的设计

4.1方案设计步骤

一、总体方案设计

二、控制系统的建模和数字控制器设计

三、硬件的设计和实现

1. 选择计算机机型（采用51内核的单片机）；

2. 设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等）；

3. 设计输入信号接口电路；

4. 设计信号输出控制电路；

5. 其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）

四、软件设计

1.分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；

2.编写A/D转换和位置检测子程序框图；

3.编写控制程序和D/A转换控制子程序模块框图；

4.其它程序模块(显示与键盘等处理程序) 框图。

五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（A3幅面）

4.2 总体方案的设计

本系统是采用闭环控制系统，调节器的设计方法是从内环到外环，逐步设计各环节的调节器，为了使直流伺服控制系统各个硬件设备能够正常运行，有效实现电机的实时控制。在总体方案选择时，不仅要有合理设计的硬件电路外，还要按照数字PID 控制原理完成数字控制器的设计。

其中位置调节器是位移的校正装置，它的类型和参数决定了位置随动系统的系统误差和动态性能。

从动态要求上看，系统通过电流调节器来实现电枢电流的控制，以保证电枢电流不超过如允许值。

位置控制器采用数字PID增量型控制算法。为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟PID算式离散化，变为数字PID算式，为此，在采样周期T远小于信号变化周期时，作如下近似(T足够小时，如下逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近)：

)]}2()1(2)([)()]

1()({[)(-+--++--=?k e k e k e T

T k e T T k e k e K k u d i p T k e k e dt de j e T edt k j t

)1()()(00--≈≈∑?=

于是有：

)]}1()([)()({)(0--++=∑=k e k e T T j e T T k e K k u k j d i p

u(k)是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置(如控制阀门的开度)一一对应，所以称之为位置型PID 算法。

在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量u(k)不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得u(k)产生大幅度变化。这样会引起系统冲击，甚至造成事故。

所以实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可以采用增量型PID 算法。当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID 控制算法。

图4.1 基本原理图

图4.2 程序流程图

直流伺服电机控制系统由直流伺服电机，微控制器，位移传感器，计数器，定时器，A/D转换器等组成。

微控制器选用Atmel公司生产的89C51单片机。

A/D转换器则选用ADC0808 8位精度转换器。

4.3控制系统的建模和数字控制器设计

图4.3 PID 算法流程图

4.4数字PID 工作原理

PID 调节器结构简单，参数整定方便，易于工业实现，适用面广，因而它是连续系统中技术最成熟，适用最广泛的一种调节器。随之计算机技术的发展，由计算机实现的数字PID 控制器正在逐步取代模拟PID 。

数字PID 算法的基本原理就是利用偏差来计算系统的输出量，实现不断纠偏的过程，使系统最终趋于稳定。数字PID 控制分为位置式PID 控制和增量式PID 控制。由于位置式PID 采用全量输出，输出的是执行机构的实际位置，每次输出均与过去状态有关，计算时要对偏差进行累加，工作计算量大，并且，一旦数据处理计算芯片出现问题，将会使输出大幅波动，从而造成执行机构大幅波动，很有可能引起巨大的事故。而增量式PID 算法较好。所以本系统采用增量式PID 算法。增量式PID 算法公式如下所示：

)]2()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=?k e k e k e K k e K k e k e K k u d i p

其中p i K K =i T T 为积分系数，p d K K =T T d 为微分系数。 4.5数字PID 算法的simulink 仿真

图4.4 PID 算法simulink 仿真

参数整定的结果：