基于16位单片机mc9s12的直流电机闭环控制系统的研究

基于16位单片机mc9s12的直流电机闭环控制系统的研究内容摘要：

驱动器，减少了噪音和功率损耗的特点。 因此， MC68HC12 具有低功耗、低电压、低噪音等优点。 [5] MC68HC12 内部有灵活的模块设计功能，因为其内部 有为低功耗而设计的标准总线接口 —— Lite 模块总线（ LMB），它将 CPU12 与专用外围模块相连接。 LMB与基于 MC68HC1 MC68300和 MPC500系列的内部模块总线 IMB（ Intermodule Bus）相类似、能利用现有的外围模块开发出新的 MC68HC12 系列产品。 片内集成 256KB 的闪速存储器（ FLASH）。 FLASH 的主要优点是结构简单、集成密度大、成本低。 系统掉电后， FLASH 中的内容仍能可靠保持不变。 应用锁相环技术提高了系统的电磁兼容性。 可在外接几十千赫的外部晶振情况下，通过软件编程产生几 MHz 的系统时钟，从而降低了对外辐射干扰，提高了系统的稳定性。 简单的背景开发模式（ BDM）使得开发成本进一步降低，也使得现场开发和系统升级变得比较方便。 此外，虽然拥有 16 位总线结构，但 MC9S12 的外部总线可根据不同的系统需求工作在 8位和 16 位两种模式，因而能够极大地适应不同价位的系统需求。 数字信号处理器（ DSP） 数 字信号处理 器 （ Digital Signal Processing, DSP）是指为得到满足人们需要的信号形式而对数字化的信号进行处理的数学原理、方法和手段。 数字信号处理已广泛应用于包括通讯、航天、医疗、能源、地质、建筑等诸多领域。 数字信号处理器（ Digital Signal Processor, DSPs）是指一类具有专门为完成数字信号处理任务而优化设计的系统体系结构、硬件和软件资源的单片可编程处理器件。 数字信号处理器是实现数字信号处理任务的一个重要而有效的手段。 特别是随着通信和信息技术的飞速发展，数字信号处理器件得到了空前的发展和应用。 现在，掌握和熟练应用数字信号处理器件已 经成为相关行业高级技术人才的一项重要技能。 [6] 世界上第一颗 DSP 芯片诞生于 1978 年。 目前，世界上主要的半导体厂商基本都有基于 DSP 的产品发布。 本论文采用的控制芯片选型 综合考虑开发难度和应用前景，我这次毕业设计采用的是 MC9S12DG128B，摩托罗拉 16 位单片机，它 的主频 达到了 25MHz，同时片上还集成了许多标准模块，片内拥有 256KB 的 FLASH EEPROM、 12KB的 RAM、 4KB 的 EEPROM。 其指令执行速度和 RAM 大小足以执行比较复杂的数字 PID 程序，并支持各种算 法。 数字 PID 简介 PID 控制原理 常规 PID 控制系统原理框图如图 23 所示 图 23 PID控制系统原理图 PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r（ t）与实际输出构成控制偏差： ( ) ( ) ( )e t r t c t （ 21） 将此偏差的比例（ P）、积分（ I）和微分（ D）通过 线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。 其控制规律为： 0()1 ( )( ) [ ( ) 1 / ]t DT d e te t d t dtU t Kp e t T   （ 22） 式中， Kp 为比例系数， T1为积分时间常数， TD为微分时间常数。 在 PID 控制中，比例项用于纠正偏差，积分项用于消除系统的稳态误差，微分项用于减小系统的超调量，增加系统稳定性。 PID 控制器的性能就决定于 Kp、T1和 TD这 3个系数。 如何选用这 3个系数 是 PID控制的核心。 数字 PID 控制算法选择 设计和调整数字 PID 控制器的任务就是根据被控对象和系统要求，选择合适的 PID 模型，将其进行离散化处理，编出计算机程序由微处理器实现，最后确定Kp、 TI、 TD、和 T， T为采样周期。 微处理器控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，必须对 PID 模型进行离散化处理。 [7] 用矩形方法数值积分代替式（ 22）中的积分项，对式（ 22）中的导数项用后向差分逼近，经推理可得到基本 PID 控制的位置式算法： 1 0( ) ( ) ) [ ( ) ( 1 ) ]k DjU k K p E k K E j K E k E k     （ （ 23） 式中 k—— 采样序号， k＝ 0， 1， 2，„„ U（ k） —— 第 k次采样时刻输出值 被控对象 比例环节 积分环节 微分环节 给定 e(t) r(t) u(t) f(t) E（ k） —— 第 k次采样时输入的偏差值 E（ k－ 1） —— 第（ k－ 1）次采样时刻输入的偏差值 KI—— 积分系数， KI＝ KpT／ TI KD—— 微分数系， KD＝ KpTD／ TI 在数字控制系统中， PID 控制规律是用程序来实现的，因而具有更大的灵活性。 由于基本 PID 控制中引入了积分环节，其目的主要是为了消除静差，提高精度。 但在柴油机调速过程中，突加突减负载时，会引起转速的较大波动，导致短时间内转速出现较大偏差，通过 PID积分运算积累，超调量过大，系统产生振荡，严重影响发电机组输出电能的品质。 为避免 PID 控制中积分项引起的超调，提高其调节品质，可采用积分分离法对基本 PID 控制进行改进，简称变速积分 PID。 [8]变积分控制算法流程图如图 24所示： 图 24 变积分 PID控制算法流 程图 为避免 PID 控制中积分项引起的超调，提高其调节品质，可采用积分分离法对基本 PID 控制进行改进，简称变速积分 PID。 变速积分 PID 的基本思路是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，偏差越大，积分越慢；反之，则越快。 为此，设置一个函数 f[E(k)],它是 E（ k）的函数： ()1[ ( ) ] [ ( ) ] ( ) ( )0 ( ) ( )E k Bf E k A B E k B E k B AE k B A       式中， A、 B为积分区间。 变速积分 PID 算法为： 0( ) ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]( ) ( ) [ ( ) ] ( )P I I DkiIjU k K E k K U k K E k E kU k E j f E k E k     式中， U1（ k）为第 k次采样时刻 PID 运算的积分部分输出值。 采用变速积分 PID 控制，系统具有以下特点：用比例消除大偏差，用积分消除小偏差，可完全消除积分饱和现象；各参数容易整定，易实现系统稳定，而且对 A、 B 两参数不要求十分精确；超调量大大减小，改善了调节品质，适应性较强。 3 系统硬件设计与实现 直流伺服电机驱动电路的实现 IR2110 驱动电路概述 本系统采用了 IR2110 作为驱动芯片，其电路图如下： 图 31 驱动电路原理图 驱动电路芯 IR2110 简介 1 内部结构和特点 IR2110 采用 HVIC 和闩锁抗干扰 CMOS 制造工艺， DIP14 脚封装。 具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达 500V，dv/dt=177。 50V/ns ， 15V 下静态功耗仅 116mW；输出的电源端（脚 3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围 10～ 20V；逻辑电源电压范围（脚 9） 5～ 15V，可方便地与 TTL， CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有 177。 5V 的偏移量；工作频率高，可达 500kHz；开通、关断延迟小，分别为 120ns 和 94ns；图腾柱输出峰值电流为 2A。 IR2110 的内部功能框图如图 32 所示。 由三个部分组成：逻辑输入，电平平移及输出保护。 如上所述 IR2110 的特点，可以为装置的设计带来许多方便。 尤其是高端悬浮自举电源的成功设计，可以大大减少驱 动的外围电路。 图 32 IR2110 的内部功能框图 2 高压侧悬浮驱动的自举原理 所谓的自举升压原理就是，在输入端 IN输入一个方波信号，利用电容 Cboot将 A 点电压抬升至高于 VDD 的电平，这样就可以在 B端输出一个与输入信号反相，且高电平高于 VDD 的方波信号。 具体工作原理如下。 当 VIN 为高电平时， NMOS 管 N1导通， PMOS 管 P1 截止， C 点电位为低电平。 同时 N2 导通， P2 的栅极电位为低电平，则 P2 导通。 这就使得此时 A 点电位约为 VDD，电容 Cboot两端电压 UC≈ VDD。 由于 N3 导通， P4截止，所以 B 点的电位为低电平。 这段时间称为预充电周期。 当 VIN 变为低电平时， NMOS 管 N1 截止， PMOS 管 P1 导通， C 点电位为高电平，约为 VDD。 同时 N N3 截止， P3 导通。 这使得 P2 的栅极电位升高， P2 截止。 此时 A点电位等于 C点电位加上电容 Cboot 两端电压，约为 2VDD。 而且 P4导通，因此 B 点输出高电平，且高于 VDD。 这段时间称为自举升压周期。 [10] IR2110 用于驱动半桥的电路如图 33 所示。 图中 C VD1 分别为自举电容和二极管， C2 为 VCC 的滤波电容。 假定在 S1 关断期间 C1 已充到足够的电压（ VC1≈VCC ）。 当 HIN 为高电平时 VM1 开通， VM2 关断， VC1 加到 S1的门极和发射极之间， C1 通过 VM1， Rg1 和 S1门极栅极电容 Cgc1 放电， Cgc1 被充电。 此时VC1 可等效为一个电压源。 当 HIN 为低电平时， VM2 开通， VM1 断开， S1栅电荷 图 33 IR2110半桥驱动电路 经 Rg VM2迅速释放， S1关断。 经短暂的死区时间（ td）之后， LIN为高电平，S2开通， VCC 经 VD1， S2给 C1充电，迅速为 C1补充能量。 如此循环反复。 [9] 驱动电路输入波形的产生 尽管 MC9S12 有 8个独立的 PWM输出口，但为了尽可能有效地利用单片机的系统资源，本系统只用一个 PWM 口控制电机的转速，并且使用 PB 的低四位来控制电机电机的四种状态（正转、反转、滑行、刹车），逻辑电路图如下图所示： 图 34 PWM控制信号逻辑电路 PWM 信号与 PB 的低四位相与得出四路可控的同相 PWM 波。 当 PB=0000 1001B 时，经过 IR2110 驱动后的信号是： 图 35 电机正转时，桥式电路四个场效应管的输入波形图 这时 H 桥驱动器的 Q1 和 Q4 一起间歇导通，电机将正转。 数码管显示 模块 的实现 为了更加直观地观察出电机的实际转速，本系统设计了一个数码管显示电路用来显示电机的实际转速。 本论文使用的数码管采用共阴四位数码管，这样可以 尽可能少的占用单片机的 I/O 口。 但采用了共阴的数码管，单片机的 I/O口驱动能力有限，无法直接点亮数码管，所以扩展了一块 8位 双向 3态缓冲电路 74LS245，用于增大 I/O 的电流驱动能力。 在程序中，首先用 7445 选通 1号数码管，输入出相应的数字，再选通 2号数码管，输出相应的数字，依次类推，一直把四号数码管的信号输出出来，这是一种动态扫描的输出方法。 [11] 图 36 数码管显示模块电路图 动态扫描是利用人眼的视觉暂留原理，只要扫描频率不小于 24Hz，人眼就感觉不到显示器的闪烁。 本系统由显示子程序程序 LEDOUT()。 输出一个 50Hz 的扫描频率。 实验 表明，这个系统的效果另人满意，通过简单的软件编程就可以使该显示模块清晰地显示出电机的实际转速。 相应的输出子程序算法如下： 第一步：将所要显示的四位数的千位、百位、十位、个位，分解出来，以便分别显示 ，在下面程序中 number 是要显示的数字： led_a=number/1000。 //求千位，放在 led_a 里 led_b=number/100led_a*10。 //求百位，放在 led_b 里 led_c=number/10led_a*100led_b*10。 //求十位，放在 led_c 里 led_d=numberled_a*1000led_b*100led_c*10。 //求个位，放在 led_d 里 第二步：定义一个数组 num[10]把所要显示的十个数字的编码放在里面： int num[10]={0X3F,0X30,0XA7,0X8F,0X99,0X9E,0XBE,0X0B,0XBF,0X9F}。 /*数码管对应的 10个数。