课程设计论文基于单片机的双闭环直流调速系统.doc

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1、基于单片机的双闭环直流调速系统目 录摘要3前言4第一章 系统硬件电路的设计5第一节 系统方案选择与总体设计51.1.1 调速方案的选择51.1.2 双闭环直流调速系统电路原图61.1.3 双闭环直流调速系统动态数学模型 61.1.4 数字控制双闭环直流调速系统方图71.1.5 数字式双闭环直流调速系统硬件图81.1.6 8051单片机简介9第二节 主电路设计与参数计算101.2.1 整流变压器的计算与设计101.2.2 开关器件IGBT参数计算与选择111.2.3 电阻电容的选择111.2.4 整流功率二极管的选择111.2.5 平波电抗器的选择与计算111.2.6 快速熔断器的选择与计算11

2、第三节 调节器的选择与计算121.3.1 确定电流调节器时间常数121.3.2 电流调节器结构的选择121.3.3 电流调节器参数计算131.3.4 确定转速调节器时间常数131.3.5 转速调节器结构的选择131.3.6 转速调节器参数计算14第四节 PWM信号发生电计141.4.1 PWM的基本原理141.4.2 PWM信号发生电路设计151.4.3 PWM发生电路主要芯片工作原理16第五节 功率驱动模块及光耦隔离设计171.5.1 功率驱动模块171.5.2 光电耦合隔离18第六节 A/D转换及芯片选择191.6.1 芯片ADC0809介绍191.6.2 ADC0809引脚及其功能表19

3、第七节 测速环节设计201.7.1 旋转编码器的原理及选择201.7.2 M法测速的实现21第八节 键盘显示单元21第二章 系统软件程序的设计22第一节 主程序设计23第二节 PI控制子程序设计24第三节 M法数字测速程序26第四节 故障保护程序设计28第二章 系统MATLAB仿真32第一节 系统建模与参数设置323.1.1 直流电机的数学模型323.1.2 转速电流双闭环调速系统的数学模型323.1.3 建立仿真模型33第二节 仿真结果33结论35结束语36参考文献371总体结构设计1.1系统方案选择与总体结构设计本系统利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。冲量相

4、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。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得

5、了空前的发展。到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。PWM控制技术以其控制简单、灵活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

6、控制。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=2.2kW、UN=220V、IN=17A、nN=1480 r/min，电动势系数Ce=0.136V/min/r。他励电压：220V。1.3双闭环直流调速系统电路原理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

7、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

8、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。图1-1.1 双闭环直流调速系统电路原理图1.4双闭环直流调速系统动态数学模型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、

9、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。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

10、,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系统方框图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1.7 8051单片机简介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

11、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。1.7.1 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： 图1-1.5 8051单片机基本组成1.7.2 CPU及8个部件的作用功能介

12、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），以实现数据的并行输入输出。串行

13、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1.3系统各单元方案选择1.3.1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

14、波器和脉宽调制变换器。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

15、要的功率器件少；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。1.3.2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：1） 电流一定连续；2） 可使电机在四象限运行；

16、3） 电机停止时有微振电流，可以消除静摩擦死区；4） 低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右；5） 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。2 主电路的设计及参数计算3.1.1 确定时间常数整流滞后时间常数。经查表，三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s。电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）=3.33ms,因此取=2ms=0.002ms。电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取=+=0.0037s。3.1.2 选择调节器结构根据设计要求=10，并保证稳态电流

17、无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为 Ki 电流调节器的比例系数； tiR1C 电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：=0.03/0.0037=8.11,参考典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3.1.3 计算电流调节器参数：电流调节器超前时间常数：=0.03s 电流环开环增益：要求时，查表，取 因此 =0.5/0.0037=135.1 于是，ACR的比例系数为3.1.4 校验近似条件电流环截止频率： 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。 校验忽略反电动势变化对电流环动态影像的条件满足

18、近似条件。校验电流环小时间常数近似处理条件：满足近似条件。3.2转速环的设计图6 转速环的动态结构图及其简化3.2.1确定时间常数电流环等效时间常数。前面已取，则 转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s。 转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取3.2.2 选择调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为Kn 转速调节器的比例系数；tn 转速调节器的超前时间常数。 3.2.3 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为s可求得转速环开环增益因为 所以于是，可求得ASR的比例系数为3.2.4 验近似条件计算转速环截止频率：

19、电流环传递函数简化条件： 满足简化条件 转速环小时间常数近似处理条件 满足近似条件3.2.5转速超调量的计算设理想空载起动时z=0，已知Pn=2.8kw，Un=220V，In=17.3A，Nn=1780r/min，Ce=0.136v/min/r 他励电压：220V 晶闸管的放大倍数：=40电枢回路总电阻：R=0.5 时间常数：Tm=0.18sTL=0.03s电流反馈系数：=0.05V/A 转速反馈系数：=0.007 v/min/r 。当h=5时，查表得能满足设计要求。第二章 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

20、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2-1.1 主程序的流程图 图2-1.2 初始化子程序流程图如图2-

21、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

22、 SETB IT1 ；置INT1为降沿触发LJMP MAINLJMP CTCOLCALL SAMPLE.Fosc=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。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（如图2-2.1）。PI程序：SETB EX1 ；开放中断1MOV R0，90H ；P1口（W）送R0,预设MOV R1，80H ；

23、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 ；Ui给7CHMOV 7DH，7CH ；Ui给Ui-1MOV A，7BH ；Umax给ACJNE A，#Ui，LOOP2 ；UiUm

24、ax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 6EH，#P CLR C MOV A，7FH ；ei给A SUBB A，7EH ；ei-ei-1给A MOV 7EH，7FH ；

25、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2-2.1 PI控制子程序框图第三章 系统MATLAB仿真本次系统仿真采用控制系统仿真软件MATLAB7.0，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种：一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究；另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用前一种方法。第一节 系

26、统的建模与参数设置3.1.1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：3.1.2转速电流双闭环调速系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

27、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

28、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：。3.1.3 建立仿真模型转速双闭环直流调速系统的传递函数模型主要由给定环节、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如图3-1.1所示：图3-1.1 双闭环直流调速系统模型第二节 仿真结果仿真波形如图3-2.1所示图3-2.1 仿真波形如图3-2.1所示，在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用

29、。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，极性发生了变化，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调

30、节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。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

31、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。总结通过这段时间的课程设计，我觉得我学到了许多东西，不仅巩固了以前所学的知识，而且还学到了许多在课本上不能学到的东西。参考文献1 陈伯时主编 电力拖动自动控制系统运动控制系统（第3版） 机械工业出版社 2007 2 王兆安，黄俊主编 电力电子技术（第4版） 北京：机械工业出版社 20003 任彦硕主编 自动控制原理 机械工业出版社 20064 李荣生主编 电气传动控制系统设计指导 机械工业出版社5 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6孟庆春 电力拖动自动控制系统 沈阳：东北大学出版社 2005.127 沈文，Eagle lee 詹卫前 AVR单片机C语言开发入门指导. 20038 万福君 潘松峰 单片微机原理系统设计与应用(第二版) 20049 李仁定 电机的微机控制 机械工业出版社 200410 周渊深 交直流调速系统与MATLAB仿真 中国电力出版社 200723