直流电机调速控制系统的设计-毕业论.doc

31继续教育学院 毕业设计（论文）题 目： 直流电机控制系统的设计 专业名称： 机电一体化 学 号： 017115110015 学生姓名： 陈佳宇 指导教师： 蒋萍萍老师 目 录1.绪论41.1直流电机调速系统的研究意义41.2直流电机调速的发展趋势41.3本文研究的内容52.直流调速系统的硬件设计52.1设计方案综述52.1.1 H桥驱动电路设计方案62.1.2 调速设计方案72.2 硬件设计72.2.1 电源电路72.2.2 H桥驱动电路82.2.3 基于霍尔传感器的测速模块82.2.4 LCD显示模块93.直流调速系统的软件设计103.1 PWM技术简介103.1.1 PWM介绍103.1.2 PWM控制的基本原理103.1.3 PWM调速原理113.2 调节器设计133.2.1电流调节器设计133.2.2速度调节器的设计143.3 软件设计163.3.1系统总控制流程图及说明163.3.2 PWM波软件设计173.3.3 测速软件设计204. 基于matlab的仿真分析214.1仿真步骤214.2仿真分析235.总结26参考文献27摘要直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。本文设计的直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LCD液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LCD实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。关键字：直流电机调速；H桥驱动电路；LCD显示器；51单片机271.绪论1.1直流电机调速系统的研究意义三十多年来，直流电机调速系统经历了重大的变革。首先，实现了整流器件的更新换代，以晶闸管整流装置取代了使用己久的直流发电机一电动机机组及水银整流装置，使直流电机拖动完成了一次大的飞跃。同时，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。直流调速技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电机拖动领域中一直居于垄断地位。数字化调速系统与模拟系统相比具有以下优点。(1)提高了调速性能由于测速采用数字化，能够在很宽的范围内高精度测速，所以扩大了调速范围，提高了速度控制的精度。另一方面，一些模拟电路难以实现的控制规律和控制方法，例如各种最优控制、自适应控制、复合控制等都变得十分容易了，从而使系统的控制性能得到提高。(2)提高了运行的可靠性硬件高度集成化，零部件数量和触点减少，很多功能由软件来完成，采用单片机控制的电力拖动系统的故障率比模拟系统小。另外，数字电路的抗干扰性能强，不易受温度等外界条件变化的影响，没有工作点的温漂等问题，所以运行的可靠性高。(3)易于维修由于单片机可以与计算机相连，而计算机具有存储、显示、记录等功能，可以对系统的运行状态进行检测、诊断、显示和记录，并对发生故障的时间、性质和原因进行分析和记录，所以维修很方便，维修周期变短。1.2直流电机调速的发展趋势(1)国外发展概况随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机数字控制调速系统的研究也在不断的发展和完善。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究，有的提出了内模控制的算法；有的提出了用I-P控制器取代PI调节器的方法；有的提出了自适应PID算法和模糊PID算法等。(2)国内发展概况目前，国内各大专院校、科研单位和厂家都在开发数字直流调速装置。因此国内调速系统的研究也非常活跃，但很多电机调速的市场还是被国外公司所占据。在国家十五计划中，对电机调速系统方面的研究投入将高达500亿元，所以电机调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。基于目前国内外的研究状况，本设计主要研究的是用数字化调速系统代替传统的模拟调速系统。虽然本设计研究的调速系统无法与国外先进的调速系统相比拟，但相对国内的现状，本设计研究还是具有一定的实用价值的。1.3本文研究的内容该系统以89C51单片机为核心，用PWM实现直流电机调速。以小直流电机为控制对象，可以实现电机的启制动，正反转，速度调节。通过单片机外围的键盘按键实现速度、转向调节，并在LCD上实时显示相关参数。2.直流调速系统的硬件设计2.1设计方案综述采用由达林顿管组成的H型PWM电路（图2.1）。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术4。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。图2.1 PWM波调速电路其结构图如图2.2所示：图2.2电机调速系统框图本方案特点：调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大。2.1.1 H桥驱动电路设计方案H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，如图2-4所示。图2.4 H桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图2-5所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图2.5 H桥驱动电机顺时针转动图2-6所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图2.6 H桥驱动电机逆时针转动2.1.2 调速设计方案调速采用PWM脉宽调制。工作原理：通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。2.2 硬件设计2.2.1 电源电路电源电路采用78系列芯片产生+5V、+15V。电路图如图2.7： IC采用集成稳压器7805和7815，C2、C3、C5、C6分别为输入端和输出端滤波电容，稳压二极管D1串接在7805稳压器2脚与地之间，可使输出电压U得到一定的提高，输出电压U为7805稳压器输出电压与稳压二极管D1稳压值之和。D2是输出保护二极管，一旦输出电压低于D1稳压值时，D2导通，将输出电流旁路。图2.7 78系列的电源电路2.2.2 H桥驱动电路基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用H桥驱动。直流电机控制使用H桥驱动电路（图2.8），当PWM1为低电平,通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5截止，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通，Q6截止，从而实现电机反向转动以及转速的控制。图2.8 H桥的电机驱动电路2.2.3 基于霍尔传感器的测速模块霍尔传感器的电路原理如图2.9所示。当电流流过霍尔传感器时，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件进行测量并放大输出，其输出电压V精确的反映原边电流。图2.9 霍尔传感器的测速电路2.2.4 LCD显示模块（1）1602芯片介绍1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如A。1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地第2脚：VDD接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。（2）电路原理图图2.10 LCD显示电路3.直流调速系统的软件设计3.1 PWM技术简介3.1.1 PWM介绍脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等许多领域。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM的优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点。 3.1.2 PWM控制的基本原理 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。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。图3-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 分别将如图3-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图3-1a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图3-1b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。图3-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。3.1.3 PWM调速原理直流电动机转速n=(U-IR)/K,其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻,为每极磁通量，K为电动机结构参数。 直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM(脉宽调制)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。 PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比(占空比)来改变直流电机电枢上电压的占空比，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用PWM技术构成的无级调速系统启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。图3.3 电枢电压“占空比”与平均电压关系图如图3.3所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=tT，则电机的平均速度为 Vd=VmaxD 式中，Vd-电机的平均速度；Vmax-电机全通电时的速度（最大）；D=t1/T-占空比。由公式可见，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。严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以其近似地看成线性关系。本设计中PWM信号是由单片机EM78P156输出的，然后通过控制导通角实现对直流电机速度的控制。其电路图如图所示。图3.4单片机控制单元电路图3.2 调节器设计3.2.1电流调节器设计在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE0。这时，电流环如下图3.5所示。 图3.5 电流环的动态结构图及其化简如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统（图3.6所示）。 图3.6 等效单位负反馈系统3.2.2速度调节器的设计（1） 电流环节的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递函数Wcli(s).电流环闭环传递函数为: 式中 。接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s),因此电流环在转速环中应等效为： （2） 转速调节器结构的选择。为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必有一个积分环节，它包含在转速调节器ASR中。现在扰动作用点后加了一个积分环节，因此转速环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的系统同时也满足动态抗扰性能好的要求。其传递函数为： 其中 Kn-转速调节器的比例系数； -转速调节器的超调时间常数； 3.7 用等效环节代替电流环 3.8 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处 3.9 校正后成为典型 II 型系统这样，调速系统的开环传递函数为： 令转速开环增益KN为则有调速系统的开环传递函数为 3.3 软件设计3.3.1系统总控制流程图及说明图3.10 系统总控制流程图如流程图所示。（1）单片机控制电机时，系统首先进入中断保护过程。中断保护过程将完成如下5方面的工作：保存端口的状态值，保存中断前的片内寄存器值，保存存储器的寻址地址，保存主程序的执行代码断点，初始化脉冲宽度、延时长度和状态信息。（2）完成中断保护后，系统将检查脉冲宽度计时时间是否达到。脉冲宽度计时用于开启可控硅，控制电机运行。如果既定时间宽度的脉冲已完成（即判定结果为是），则必须撤销脉冲；如果既定时间宽度的脉冲已完成（即判定结果为否），则不撤销脉冲。（3）判断电机是否正在运行。如果电机没有运行，则恢复寄存器初始值，完成中断，返回系统主程序；如果电机正在运行，则继续执行。（4）判断脉冲延时时间是否到达。如果延时到达，中断将重新开启脉冲，并给出脉冲初始值，重新决定是否开启可控硅，控制电机运行；如果延时不到，则恢复寄存器初始值，完成中断，返回系统主系统。（5）完成中断，返回系统主程序。3.3.2 PWM波软件设计Pwm波软件设计的思想是：通过控制总中断使能EA控制电机的开关，同时使能对霍尔传感器输出的方波在单位时间内脉冲个数的计数。其中定时器T0,T1分别对脉冲的宽度、霍尔元件输出的脉冲数对应的1秒时间定时。对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定时长度，由变量high控制。变量change、 sub_speed 、add_speed分别实现电机的转向、加速、减速。其程序流程图如图3.11所示。产生矩形波开始按键查询OPEN是否按下时定时器T0开始计时Add_speed是否按下初始化是是增大矩形波占空比Sub_speed是否按下是减小矩形波占空比Swap或close是否按下改变转向或关闭电机图3.11 PWM波软件设计方框图部分程序代码如下：/*通过按键实现对电机开关、调速、转向的控制的程序*/ void motor_control() if(open = 1) EA = 1;if(close = 1) EA = 0; if(swap = 1) change = change; while(swap != 0) if(sub_speed = 1) high+; if(high = 30) EA=0; while(sub_speed != 0) if(add_speed = 1) high-; if(high = 5) high = 5; while(add_speed != 0) 3.3.3 测速软件设计开始初始化OPEN是否按下定时器T1开始计时对单位时间内的脉冲计数 N根据公式计算出电机的速度液晶显示电机速度图3.12 软件测速的方框图/*T1中断服务程序*单位时间（S）方波的个数*/void time1_int(void) interrupt 3 count_speed+;if(count_speed = 20) count_speed = 0;num_display = num_medium;num_medium = 0;4. 基于matlab的仿真分析4.1仿真步骤直流脉宽调速系统的控制电路包括：给定环节、转速调节器ASR、电流调节器ACR，速度、电流反馈环节、PWM信号发生器等。其中，转速调节器和电流调节器各封装在子模块中，里面包含PI调节，限幅值等。(1)控制电路mosfet，采用系统自动给定的参数，不需要做调整。数据类型转换选择inheri via back propagation.采用数据类型转化的原因是信号经速度和电流调节器后由double型变为boolean型。(2)current controller 采用relay环节，图4.1 current controller参数设置Speed controller参数KP=1.6，KI=16.图4.2 speed controller参数设置(3)平波电抗器L=1H，其值偏大。(4)电动机的参数如图所示。负载T=50n.m图4.3 dc machine参数设置脉宽调速系统的模型为图4.4：图4.4 脉宽调速系统的模型4.2仿真分析图4.5仿真效果图如图所示，在0-2秒的时间内，分三个阶段：电流上升阶段，恒流升速阶段，转速调整阶段。4秒时给定速度有100变为50rad/s,4-4.4秒时间内，电动机转速上升，电枢电流基本不变，当转速达到给定值时，电枢电流有大幅的下降，5-6秒时间内转速基本恒定，电枢电流有一振荡的环节。第8秒时，负载给定变化，由20变为60n.m。这时由于系统中由有速度与电流调节器（PI调节器）的作用，使得电动机的转速基本没有变化，电枢电流由小幅的振荡上升过程最后达到稳定。当负载T=50n.m时，仿真结果为：图4.6负载为50n.m仿真效果图当负载为T=30n.m时，仿真结果为：图4.7负载为30n.m仿真效果图当负载变为T=10n.m时，仿真结果为：图4.8负载为1