计算机控制技术课程设计任务书

1.1课题背景

近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它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;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。

1.2系统功能

该系统的核心为高性能低成本的单片机ATC51，它与87C51完全兼容，内部包含4KEPROM。利用ATC51单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制；采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形。

2总体方案设计

2.1系统总体设计框图

图2-1   系统总体设计框图

2.2系统控制器ATC51简介

在此次设计中，选用高性能、低成本的ATC51单片机， 管脚及基本连接电路如图2-2所示。和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。再着，ATC51目前的售价低，市场供应很充足。_T

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参数如下：

VCC：供电电压。

GND：接地。

 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。复位电路如图2-3所示。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。

 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

晶振电路如图2-4所示。

2.3   PWM信号发生电路设计

2.3.1  PWM的基本原理

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。

由上面的公式可见，当我们改变占空比 D = t1 / T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。

2.3.2 PWM信号发生电路设计

PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。

使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”，使用数值比较器4585的B组与P1端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。

2.3.3  PWM发生电路主要芯片简单介绍

(1)芯片4585 

对于A和B两组4位并行数值进行比较，来判断它们之间的大小是否相等。引脚图如图2-7。

(2)芯片4040 

芯片4040是一个12位的二进制串行计数器，所有计数器位为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数。当CR为高电平时，它对计数器进行清零，由于在时钟输入端使用施密特触发器，故对脉冲上升和下降时间没有，所有的输入和输出均经过缓冲。

芯片4040提供了16引线多层陶瓷双列直插、熔封陶瓷双列直插、塑料双列直插以及陶瓷片状载体等4种封装形式。

1）芯片4040引出端功能符号：

CP: 时钟输入端   CR：清除端   Q0—Q11：计数脉冲输出端   

VDD: 正电源   VSS: 地端

2）芯片4040功能表：

3）芯片4040的引脚图

2.4  功率放大驱动电路设计

    由ATC51单片机产生的PWM信号，经光耦隔离、放大后，送给集成驱动芯片IR2111，然后驱动由功率MOSFET组成的H桥，控制直流电机的转速和转向

2.4.1  IR2111的引脚图以及驱动电路

2.4.2  延时保护电路分析

利用IR2110芯片的完善设计可以实现延时保护电路。

IR2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互琐时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。

2.4.3  H桥工作原理

当开关Q1与Q4闭合时，负载电流从电源由A流向B，此时负载端A点相对于B点是正电位，电机两端承受正向电压。开关Q1与Q4由控制逻辑来同步工作，在开关Q1与Q4闭合期间，控制逻辑使另一对开关Q2与Q3处于断开状态。反之，当开关Q2与Q3闭合时，开关Q1与Q4断开，此时，负载电流从电源U由B流向A，负载端B点相对于A点是正电位，电机两端承受反向电压。通过调节PWM信号的占空比就可改变电机电枢两端的平均电压，从而控制电机的转速或方向。当PWM信号占空比α>50%时，电枢两端电压平均值为正，电机正向转动；当α<50%时，电枢两端电压平均值为负，电机反向转动；当α=50%时，电机电枢电压平均值为0，电机停转，但此时电枢两端电压的瞬时值并不为0，而是幅值接近直流电源电压U的方波。 

2.4.4 输出电压波形

2.5  测速发电机

测速发电机是输出电动势与转速成比例的微特电机，分为直流与交流两种。其绕组和磁路经过精确设计，输出电动势E和转速n成线性关系，即E=kn，其中k是常数。改变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变。

当被测机构与测速发电机同轴连接时，只要检测出输出电动势，即可以获得被测机构的转速，所以测速发电机又称速度传感器。测速发电机广泛应用于各种速度或者位置控制系统，在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或者通过反馈来提高系统稳定性和精度。

2.6  A/D转换

ADC0809是8位、逐次比较式A/D转换芯片，具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一的+5V电源，其模拟量输入电压的范围为0V---+5V，其对应的数字量输出为00H---FFH，转换时间为100μs，无须调零或者调整满量程。

2.7显示模块

本显示模块可以用数码管显示。，数码管虽然廉价，但所用单片机管脚多，占用资源。

3系统软件设计

3.1 PI 转速调节器原理图及参数计算    

按照典型II型系统的参数选择方法, 转速调节器参数和电阻电容值关系如下:

Kn = Rn/ R0      Γn = Rn/ Cn     Ton = 1/4 R0 * Con

参数求法： 电动机 P=10KW  U=220V  I=55A  n=1000转/分  电枢电阻R=0.5欧姆   取滤波电路中Ro=40千欧  Rn=470千欧  Cn=0.2uF  Con=1uF  则：

Umax=220V

Umin=（220/0.9）*0.5=122V

P=Kp=Rn/Ro=11.7

I=Kp*T/Ti=125

3.2系统中的部分程序设计

3.2.1  单片机资源分配

工作寄存器0组

RO-R7                        00H-07H

数据缓冲区                   30H-7FH

PSW.4（RS1=0）    PSW.3(RS0=0)    ；选中工作寄存器0组

P0口地址                     80H 

P1口地址                     90H

P2口地址                     A0H

P3口地址                     B0H

堆栈（SP）                    81H

定时器/计数器控制       TCON     88H

定时器/计数器方式控制   TMOD     H

定时器/计数器0 低字节   TL0   8AH     高字节   TH0    8CH

定时器/计数器1 低字节   TL1   8BH     高字节    TH1   8DH

中断1——PI采样（ui）

中断0——A/D采样   P1口预置  W

                    P0口测量值（实测Y）

主程序：

0000         AJMP      START

START：CLR    PSW.4

        CLR    PSW.3        ；选中工作寄存器0组

        CLR    C

        MOV  R0 ，4FH

        MOV  A ，30H

CLEAR1：CLR   A

         INC    A

         DJNZ   R0 ，CLEAR1       ；清零30-7FH

         SETB   TR0                ；定时器/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        MAIN

LCALL     SAMPLE

单片机时钟为12MHZ，用一个定时器/计数器定时50ms，用R2作计数器，置初值14H，到定时时间后产生中断，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。

PI控制算法:

令P=KP   I=KP*T/T I

则

 T——采样周期                       

4结论：

一周的课程设计终于结束了，虽然很忙碌，但是收获很大。本次设计的直流

5参 考 文 献

【1】何立民．单片机初级教程[M]．北京：北京航天航空大学出版社，2004

【2】 赵建领．51单片机开发与应用技术详解[M]．北京：电子工业出版社,2009

【3】高金源．计算机控制技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001

【4】 张晋格．计算机控制原理与应用[M]．北京：电子工业出版社，1995

【5】 谢剑英. 微型计算机控制技术. 北京：国防工业出版社，1985

【6】 扬天怡、黄勤.微型计算机控制技术.重庆：重庆大学出版社，1996

【7】 何立民.单片机应用技术选编（一）.北京：北京航空航天大学出版社.1993

【8】  李荣生主编，电气传动控制系统设计指导，机械工业出版社，2007

【9】吴守箴，臧英杰 编著， 电气传动的脉宽调制控制技术，机械工业出版社,2006

【10】 陈伯时主编,自动控制系统---电力拖动控制,广播电视大学出版社,2008

【11】王离九，黄锦恩编著，晶体管脉冲直流调速系统，华中理工大学出版社出版，2007

附录A硬件原理接线图：下载本文