毕业论文--单片机实现直流电机PWM调速系统毕业设计

1、毕业论文一单片机实现直流电机pwm调速系统毕业设计摘要木文主要研究了利用mcs-51系列单片机控制pwm信号从而实现对直流电机 转速进行控制的方法文章中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等均作了详细的阐述此外本文中还采用了芯片tr2110作 为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块并且把它与延时电路相结合完成 了在主电路中对直流电机的控制另外木系统中使用了测速发电机对直流电机的 转速进行测量经过滤波电路后将测量值送到ad转换器并且最终作为反馈值输入 到单片机进行pi运算从而实现了对直

2、流电机速度的控制在软件方面文章中详细 介绍了 pt运算程序初始化程序等的编写思路和具体的程序实现关键词pw'm信号测速发电机p1运算第1章绪论11利用单片机控制的直流电机转速系统设计目的和意义com目的和意义在电气吋代的今天电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作 用无论是在工农业生产交通运输国防航空航天医疗卫生商务与办公设备中还是 在日常牛活中的家用电器中都大量地使用着各种各样的电动机以前电动机大多 使用由模拟电路组成的控制柜进行控制现在单片机已经开始取代模拟电路作为 电机控制器当前电机控制器的发展方向越来越趋于多样化和复杂化现有的专用 集成电路未必能满足苛刻的新产品开发要求

3、为此可考虑开发电机的新型单片机 控制器com研究现状简述电动机的控制技术的发展得力于微电子技术电力电子技术传感器技术永磁 材料技术电动控制技术微机应用技术的最新发展成果正是这些技术的进步使电 机控制技术在近20多年内发生了翻天覆地的变化其屮电动机的控制部分已由模 拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制形成数字和模拟的混合控制系 统和纯数字控制的应用并曾向全数字化控制方向快速发展国外交直流系统数字 化己经达到实用阶段com计论文所采用的研究方法和手段根据市场需求和发展趋势本设计将介绍一种基于8051单片机的直流电机转 速控制系统首先对直流调速控制电路进行设计来实现对速度的控制检测显示再 对直

4、流调速控制主冋路进行设计其采用了三相桥式全控整流电路然后进行系统 的软件设计本课题采用p1d控制算法设计最后进行系统的抗干扰设计为了防止 从电源系统窜入干扰木系统供电采用隔离变压器同时为了保证信息传输的正确 性在过程通道上采用光祸隔离措施12利用单片机控制的直流电机转速系统的设计设计项目发展目前使用的电机模拟控制电路都比较复杂测量范围与精度不能兼顾口采样 时间较长难以测得瞬时转速本文介绍的电机控制系统利用pwm控制原理同时结 合霍尔传感器来采集电机转速并经单片机检测后在显示器上显示出转速值而单 片机则根据传感器输出的脉冲信号来分析转速的过程量并超限自动报警本系统 同时设置有按键操作仪表可用于调

5、节电机的转速直流电机控制系统主要是以单片机为核心组成的控制系统本系统中的 电机转速与电机两端的电压成比例 而电机两端的电压与控制波形的占空比成正 比因此由mcu内部的可编程计数器阵列输出pwm波以调整电机两端电压与控制波 形的占空比从而实现调速本系统通过霍尔传感器来实现对直流电机转速的实时 监测系统的设计任务包括硬件和软件两大部分其中硬件设计包括方案选定电路 原理图设计pcb绘制线路调试软件设计包括内存空间的分配直流电机控制应用 程序模块的设计程序调试软件仿真等是完全集成的混合信号系统级mcu芯片具有64个数字10引脚片内含 有vdd监视器看门狗定时器和时钟振荡器是真正能独立工作的片上系统并能

6、快 捷准确地完成信号釆集和调节同时也方便软件编程干扰防制以及前向通道的结 构优化本单片机控制系统与外部连接可实时接收到外部信号以进行对外部设备的 控制这种闭环系统可以较准确的实现设计要求从而制定岀一个合理的方案本系统先由单片机发出控制信号给驱动电机同时通过传感器检测电机的转 速信号并传送给单片机单片机再通过软件将测速信号与给定转速进行比较从而 决定电机转速同时将当前电机转速值送led显示此外也可以通过设置键盘來设 定电机转速系统中的转速检测装置由霍尔传感器组成并通过ad转换将转速转 换为电压信号再以脉冲形式传给单片机这种设计方法具有频率响应高响应频 率达20 khz以上输出幅值不变抗电磁干扰能

7、力强等特点其中霍尔传感器输入为 脉冲信号十分容易与微处理器相连接也便于实现信号的分析处理单片机的t0 口 可对该脉冲信号进行计数 本系统的脉冲宽度调制pulse width modulation原理是脉冲宽度调制波由一列占空比不同的矩形脉冲构成 其占空比与信号的瞬 时采样值成比例该系统由一个比较器和一个周期为ts的锯齿波发生器组成脉冲 信号如果大于锯齿波信号比较器输出正常数a否则输出0 设样木tk为均匀 脉冲信号它的第k个矩形脉冲可以表示为 其屮x t是离散化信号ts是采 样周期t 0是未调制宽度m是调制指数现假设脉冲幅度为a中心在t kts处tr 在相邻脉冲间变化缓慢那么其xp t可表示为其

8、中为电机角速度结合式2 可见脉冲宽度信号可由信号x t加上一个直流成分以及相位调制波构成因此脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调c8051单片机 有2个12位的电压方式dac每个dac的输出摆幅为0 vvref对应的输入码范围 是oxooooxfff通过交叉开关配置可将cex0cex4配置到p2端口这样 改变pwm 的占空比就可以调整电机速度led显示采用动态扫描方式并用单片机10接口扩展输出再由三极管驱 动各显示器的位选端并放大电流独立式按键采用查询方式按键输入均采用低有 效上拉电阻可用于保证在按键断开使其10 口为高电平单片机的10 p0105引脚 所扩展的5个按键分别定义为设置启

9、动移位开始+1功能硕件电路确定以后电机 转速控制的主要功能将依赖于软件来实现应用软件的设计可采用模块化结构设计其优点是每个模块的程序结构 相对简单且任务明确易于编写调试和修改其次是程序可读性好对程序的修改可 局部进行而其他部分可以保持不变这样便于功能扩充和版本升级另外对于使用 频繁的子程序可以建立子程序库以便于多个模块调用 最后是便于分工合作多个 程序员可同时进行程序的编写和调试工作故可加快软件研制进度 整个软件 由主程序模块转速测量模块时钟模块数据通信模块动态显示模块等组成各模块 均采用结构化程序设计思想设计因而具有较强的通用性而采用模块化程序结构 则可使软件易于调试维护和移植系统软件可根据

10、硬件电路的功能与各管脚的连接情况对软件进行设计 以便明确各引脚所要完成的功能从而方便进行程序设计和内存地址的分配最终 完成程序模块化设计包括键等由于木系统中的单片机还有闲置的10 口线而系统要求所设置的按 键数量也不多因此可以采用独立式按键结构图21com 8051单片机简介18051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木结 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22 8051单片机基本组成2cpu及8个部件的作用功能介绍如下中央处理器cpu它是单片机的核心完成运算和控

11、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10 口 8051芯片内部有4个8位的10 口 p0p1p2p3以实现数据的并行输 入输出串行口它是用来实现单片机和其他设备z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

12、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屮断控制系统该芯片共有5个屮断源即外部屮断2个定时计数屮断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单片机产生吋钟脉冲序 列的时钟电路系统允许的最高晶振频率为12mhz38051单片机引脚图图23 8051单片机引脚图com单片机系统中所用其它芯片简介1地址锁存器74ls37374ls373片内是8个输出带三态门的d锁存器其结构如下图所示图24 74ls373片内三态门的d锁存器当使能端g呈高电平时锁存器屮的内容可以更新而在返回低电平的瞬间实 现锁存如果此时芯片的输出控制端为低也即是输出三态门打开锁存器中的地址

13、信息便可以通过三态门输岀以下是其引脚图图25 74ls37引脚图2程序存储器271281芯片引脚图26程序存储器27128引脚图功能表表21功能表引脚工作方式片选允许输出vpp编程控制输出 读vcch 数据输出维持 hvcc 高阻编程 l h vpp l 数据输入编程校验ll vpph 数据输出编程禁止 h存储器62641芯片引脚图27数据存储器6264芯片引脚vpp 高阻 3 数据芯片功能表表22芯片功能表引脚工作方式100107 未选屮ii高阻未选中 l高阻输岀禁止l h h h 高阻h数据输出数据输入写l h l l 数据输入com 8051单片机扩展电路及分析图28 8051单片机扩展

14、电路接线分析p07poo这8个引脚共有两种不同的功能分别使用于两种不同的情况第一 种情况是8051不带片外存储器p0 口可以作为通用10 口使用p07-p00用于传 送cpu的10数据第二种情况是8051带片外存储器p07-一p00在cpu访问片外存 储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址然后传送cpu对片外存储器的读写 数据p27-一p20这组引脚的第一功能可以作为通用的10使用它的第二功能和p0 口引脚的第二功能相配合用于输出片外存储器的高8位地址共同选中片外存储 器单元但是并不能像p0 口那样还可以传送存储器的读写数据p37p30这组引脚的第一功能为传送用户的输入输出数据它的第二功能

15、作为控制用每个引脚不尽相同如下表所示p3 口的位第二功能注释p30 rxd串行数据接收口p31txd串行数据发送口p32外中断0输入p33外中断1输p34 t0计数器0计数输入p35 t1计数器1计数输入p36外部ram写选通信号p37外部ram读选通信号表 23 p3 口功能表vcc为5v电源线vss为接地线ale地址锁存允许编程线配合p0 口引脚的第二功能使用在访问片外存储器 吋8051 cpu在p07-p00引脚线上输出片外存储器低8位地址的同吋还在ale 线上输出一个高电位脉冲其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外 部专用地址锁存器以便空出p07p00引脚线去传送随后而来的片外

16、存储器的 读写数据在不访问片外存储器时8051自动在ale线上输出频率为16 fosc的脉冲序列该脉冲序列可以用作外部时钟源或者作为定时脉冲源使用vpp允许访问片外存储器编程电源线可以控制8051使用片内rom还是片 外rom如果1那么允许使用片内rom如果0那么允许使用片外rom片外rom选通线在执行访问片外rom的指令movc时8051自动在线上产生一 个负脉冲用于片外rom芯片的选通其他情况下线均为高电平封锁状态rstvpd复位备用电源线可以使8051处于复位工作状态xtal1和xtal2片内振荡电路输入线这两个端子用來外接石英晶体和微调 电容即用来连接8051片内osc的定时反馈电路石

17、英晶振起振后应能在xtal2线 上输出一个3v左右的正弦波以便于8051片内的osc电路按石英晶振相同频率自 激振荡电容c1c2可以帮助起振调节它们可以达到微调fosc的目的22 pwm信号发牛电路设计com 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

18、pw又被称为开关驱动装置如下图所示图29时序图设电机始终接通电源时电机转速最大为v设占空比为d tl t则电机的平均速度为巾 v d其中va指的是电机的平均速度v是指电机在全通电时的最 大速度d tl t是指占空比由上面的公式可见当我们改变占空比d tl 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com pwm信号发牛电路设计图210 pwm信号发生电路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波的频率太高吋它对直流电机驱动的功率

19、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左右时效果最好在木系统内采用了两片4位数值比较器4585和一片12位 串行计数器4040组成了 pwm信号发生屯路两片数值比较器4585即图上u2u3的a组接12位串行4040计数输岀端q2q9 而u2u3的b组接到单片机的p1端口只要改变p1端口的输出值那么就可以使得 pwm信号的占空比发生变化从而进行调速控制12位串行计数器4040的计数输入端clk接到单片机c51晶振的振荡输出 xtal2计数器4040每來8个脉冲其输出q2q9加1当计数值小于或者等于单片机 p1端口输出值x时图中u2的a b

20、输岀端保持为低电平而当计数值大于单片机p1 端口输岀值x时图中u2的a b输出端为高电平随着计数值的增加q2q9由全1 变为全0时图中u2的a b输出端又变为低电平这样就在u2的a b端得到了 pwm 的信号它的占空比为255 -x 255100那么只要改变x的数值就可以相应的改变 pwm信号的占空比从而进行直流电机的转速控制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

21、増大com pwm发生电路主要芯片的工作原理1.芯片45851芯片4585的用途对于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2芯片4585的功能表表24芯片4585的功能表输入输出比较级取a ba ba ba baba b a3 b3a3b3a2 b211001a3001a3b3a2b2ala3b3a2b2alblaobo0alblaobo10010100a3b3a2a3b31图211芯片4585的引脚图a3b3a2b2a1b1aobo1001001a3b3a2b2al b1b3a2b2a1b1a0b01b1a0b000100110010a3b3a2 b20a3b3a2b2a

22、1b1b2100003芯片4585的引脚图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限制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的极限值电源电压范围-05v18v输入电压范围-05vvdd05v输入电流范围±10ma贮存温度范围-65。c150° c2芯片4040引出端功能符号cp时钟输入端cr清除端 q0q11

23、计数脉冲输出端vdd正电源 vss地端芯片4040功能表表25芯片4040功能表输入输出cp crfillh保持计数所有输出端均为l4芯片4040的引脚图图212芯片4040的引脚图23功率放大驱动电路设计该驱动电路采用了 ir2110集成芯片该集成电路具有较强的驱动能力和保护 功能com芯片ir2110性能及特点ir2110是美国国际整流器公司利用白身独有的高压集成屯路以及无闩锁 cmos技术于1990年前后开发并且投放市场的1r2110是一种双通道高压高速的 功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器它把驱动高压侧和低压侧mosfet或tgbt 所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内外接很少的

24、分立元件就能提供 极快的功耗它的特点在于将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号可以驱 动同一桥臂的两路输出驱动能力强响应速度快工作电压比较高可以达到600v其 内设欠压封锁成本低易于调试高压侧驱动采用外部自举电容上电与其他驱动电 路相比它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目使得mosfet和tgbt的驱 动电路设计大为简化而且它可以实现对mosfet和1gbt的最优驱动还具有快速完 整的保护功能与此同时ir2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系 统的可靠性降低了产品成本和减少体积com ir2110的引脚图以及功能引脚1l0与引脚7h0对应引脚12以及引脚10的两路驱动信号输

25、出端使用中 分别通过一电阻接主电路中下上通道mosfet的栅极为了防止干扰通常分别在引 脚1与引脚2以及引脚7与引脚5之间并接一个10kq的电阻引脚2c0m卜通道mosfet驱动输出参考地端使用屮与引脚13vss直接相连同 时接主电路桥臂下通道mosfet的源极引脚3vcc直接接用户提供的输岀极电源正极并且通过一个较高品质的电容 接引脚2引脚5vs上通道mosfet驱动信号输出参考地端使用中与主电路中上下通道 被驱动mosfet的源极相通与引脚6vbb通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚3的高反压快恢复二极 管与用户提供的输出极电源相连对vcc的参数要求为大于或等于05v而小于或等 于20v引脚

26、9vdd芯片输入级工作电源端使用中接用户为该芯片工作提供的高性能 电源为抗干扰该端应通过一高性能去耦网络接地该端可与引脚3vcc使用同一电 源也可以分开使用两个独立的电源引脚10iiin与引脚12lin驱动逆变桥屮同桥臂上下两个功率mos器件的驱动 脉冲信号输入端应用中接用户脉冲形成部分的对应两路输出对此两个信号的限 制为vss-05v至vcco5v这里vss与vcc分别为连接到tr2110的引脚13vss与 引脚9vdd端的电压值引脚11sd保护信号输入端当该引脚为高电平时ir2110的输出信号全部被封 锁其对应的输出端恒为低电平而当该端接低电平时则ir2110的输出跟随引脚10 与12而变

27、化引脚13vss芯片工作参考地端使用中直接与供电电源地端相连所有去耦电 容的一端应接该端同时与引脚2直接相连引脚8引脚14引脚4为空引脚芯片参数1. ir2110的极限参数和限制最大高端工作电源电压vb -03v至525v门极驱动输出最大脉冲电流i02a最高工作频率flmilz工作电源电压vcc-03v至25v贮存温度tstg-55至150° c工作温度范围ta-40至125° c允许最高结温tjl50° c逻辑电源电压vdd-03v至vss25v允许参考电压vs临界上升率dvsdt50000v u s 高端悬浮电源参考电压vsvb-25v至vb03v 高端悬浮输

28、出电压vi10vs-03v至vb03v 逻辑输入电压vinvss-03v至vdd03v 逻辑输入参考电压vssvcc-25v至vcco3v 低端输出电压vl0-03v至vcco3v 功耗pddip-14封装为16w2. ir2110的推荐工作条件高端悬浮电源绝对值电压vbvslov至vs20v 低端输岀电压vloo至vcc低端工作电源电压vcclov至20v逻辑电源电压vdd vss5v至vss20v逻辑电源参考电压vss -5v至5v图213 ir2110芯片24主电路设计com延时保护电路利用ir2110芯片的完善设计可以实现延时保护屯路r2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适

29、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辭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屮两个功率mos器件同时导通而发生直流电源 直通路的危险com主电路从上而的原理可以看出产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开 关的动作在高压侧截止期间低压侧必须导通才能够给自举电容提供充电的通路 因此在这个电路屮q1q4或者q2q3是不可能持续不间断的导通的我们可以采取双 pwm信号来控制直流电机的正转以及它的速度将tc1的hin端与tc2的lin端相连而把tc1的ltn端与tc2的htn端相连 这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反在hin为高电平期间q1q4导通在直

30、流电机上加正向的工作电压其具体的操 作步骤如下当ic1的l0为低电平而h0为高电平的时候q2截止c1上的电压经过vbic 内部电路和h0端加在q1的栅极上从而使得q1导通同理此时ic2的h0为低电平 而l0为高电平q3截止c3上的电压经过vb1c内部电路和h0端加在q4的栅极上 从而使得q4导通电源经q1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过q4到达零电位完成整 个的回路此时直流电机正转在hin为低电平期间lin端输入高电平q2q3导通在直流电机上加反向工作 电压其具体的操作步骤如下当ic1的l0为高电平而110为低电平的时候q2导通且q1截止此时q2的漏 极近乎于零电平vcc通过d1向c1充

31、电为q1的又一次导通作准备同理可知ic2 的h0为高电平而l0为低电平q3导通且q4截止q3的漏极近乎于零电平此时vcc 通过d2向c3充电为q4的又一次导通作准备电源经q3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过q2到达零电位完成整 个的冋路此时直流电机反转因此电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形由于存在着机械惯性的缘故 电动机转向和转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的设pwm波的周期为thin为高电平的时间为tl这里忽略死区时间那么lin 为高电平的时间就为t-tlhin信号的占空比为d tlt设电源电压为v那么电枢电 压的平均值为vout tl - t - tl v t2 tl - t v

32、 t2d - 1 v定义负载电压系数为入入vout v那么入2d - 1当t为常数时改变 htn为高屯平的吋间tl也就改变了占空比d从而达到了改变vout的目的d在01 之间变化因此入在± 1之间变化如果我们联系改变入那么便可以实现电机正向 的无级调速当入05时vout 0此时电机的转速为0当05 x 1时vout为正电机正转当入1时vout v电机正转全速运行图214主电路com输出电压波形图21525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

33、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岀输岀电动势即可以获得被 测机构的转速所以测速发电机乂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白动控制系统屮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26滤波电路图216滤波电路27 ad转换com 芯片adc0809介绍adc0809是8位逐次比较式ad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0v5v其对应的数字量输出为 00h-ffh转换时间为100卩s无须调零或者调整满量程com adc0809的引脚及其功能adc0809有28个引脚其屮in0-in

34、7接8路模拟量输入ale是地址锁存允许接基准电源在精度要求不太高的情况下供电电源就可以作为基准电源start 是芯片的启动引脚其上脉冲的下降沿起动一次新的ad转换eoc是转换结束信号 可以用于向单片机中请中断或者供单片机查询0e是输出允许端clk是时钟端 dbo-一db7是数字量的输出addaaddbaddc接地址线用以选定8路输入中的一路 详见下图图217 adc0809的引脚表26接地址线选定8路输入addc addb adda选通输入通道0 0 0 1n0001tni 010 tn2 011 tn3 100 tn4 101 in5 110 in6 111 in7第3章直流调速系统31直流

35、调速系统概述直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速以满足工作机械的要 求从机械特性上看就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动 机的机械特性从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点使电动机的 稳定运转速度发牛变化调速通常通过给定环节屮间放大坏节校正环节反馈环节和保护环节等来实 现电动机的转速不能自动校正与给定转速的偏差的调速系统称为开环控制系统 这种调速系统的电动机的转速要受到负载波动及电源电压波动等外界扰动的影 响电动机的转速能自动的校正与给定转速的偏差不受负载及电网电压波动等外 界扰动的影响使电动机的转速始终与给定转速保持一致的调速系统称为闭环控 制系统这是由于闭

36、环控制系统具有反馈环节电气传动控制系统通常由电动机控制装置和信息装置三部分组成它能按照 规定的指令及时的控制电动机的启动制动运转方向位置速度和加速度等以满足 工作机械及牛产过程的要求随着电机传感器控制器件变流技术和控制理论的发展电气传动控制系统也 得到了很大的发展冃前所用电机的单机容量从几百瓦发展到数万千瓦变流设备 从旋转式电机变流机组发展到大功率晶闸管静止变流装置中小功率自关断器件 静止变频装置控制单元从模拟量触发器调节器给定积分器发展到以微处理器芯 片为核心的交直流通用的数字量控制模块系统的控制方式从手动操作的开关控 制发展到闭环多参量控制电气传动以从单纯的调速系统扩展为实现位置速度加 速

37、度控制的运动控制中的重要分支总之现代电气传动控制系统业己发展成为全新的电气传动自动化系统32单闭环直流调速系统在单闭环直流调速系统中只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的 但它只是在超过临界电流ttr值以后靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击并不 能很理想地控制电流的动态波形带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统启动 时的电流和转速波形如图1-la所示当电流从最大值降低下来以后电极转矩也随 z减小因而加速过程必然拖长在电机最大电流或转矩受限的条件下希望充分利用电机的允许过载能力最 好是在过度过程中始终保持电流或转矩为允许的最大值使电力拖动系统尽可能 用最大的加速度启动到达稳态转速后又让电流立即降

38、低下来使转矩马上与负载 相平衡从而转入稳态运行这样的理想启动过程波形示于图3-lb这时启动电流 呈方形波而转速是线性增长的这是在最大电流或转矩受限制的条件下调速系统 所能得到的最快的启动过程实际上由于主电路电感的作用电流不能突变图3-lb所示的理想波形只能 得到近似的逼近不能完全实现为了实现在允许条件下最快启动关键是要获得一 段使电流保持为最大值idm的恒流过程按照反馈控制规律采用某个物理量的负 反馈就可以保持该量基本不变那么采用电流负反馈就应该能得到近似的恒流过 程问题是希望在启动过程中只有电流负反馈而不能让它和转速负反馈同时加到 一个调节器的输入端到达稳态转速后又希望只要转速负反馈不再让电

39、流负反馈 发挥作用怎样才能做到这种既存在转速和电流良种负反馈又使它们只能分别在 不同的阶段去作用呢双闭环直流调速系统正是用来解决这个问题的b理想图31直流调速系统启动过程的电流和转速波形采用pi调节器的单闭环转速反馈系统即保证了动态稳定性有保证了静 态无静差很好的解决了动静态之间的矛盾但电流得不到限制电流负反馈虽然能 限制启动电流但在启动时启动电流仅在某一瞬间达到最人的允许值其余的时间 都比较小启动过程慢同时他的机械特性较软不适合调速想要启动过程尽可能快 就应使整个启动过程中的电机始终保持最大的启动转矩由上述可知实现理想过程过程的关键是控制电流波形图32生产机械工作工程由图可知为了达到最佳过渡

40、过程必须满足过渡过程中尽量能使电枢电流为最大值过渡过程结束时尽快使电枢电流达 到稳定值为了使电枢电流有动态到稳态和由稳态到动态迅速变化应使ud突变到最大 值待电枢电流达到要求值欧在突变到需要值同时西东机械特性曲线应既有转速负反馈的绝对硬特性还要有电流截至负 反馈挖土机特性如果单闭环无静差调速系统同时引入转速负反馈和电流负反馈 法兼顾这两方面的性能要求不仅启动电流波形几乎没有得到改善而且其转速还 存在静差所以就引入了双环和多环调速系统33开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较v-m开环系统其机械特性方程而闭环时静特性可写成其屮分别表示开环和 闭环系统的理想空载转速分别表示开环和闭环系统的稳态速降

41、闭环与开环特性 比较静态速降小特性硬在负载相同情况下两者的转速降落分别为则它们的关系是（2）系统的静差率小稳速精度高闭环与开环系统的静差率分别为和 当 时当要求的静差率一定时闭环系统调速范围可大大提高 如果电动机的最高转速都是而对最低速静差率s要求相同则闭环和开环的调速 范围分别为将式代入上式得上述三项优点若要有效都取决于一点即k要足够大因 此必须设置放大器结论闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性从而在 保证一定静差率的要求下能够提高调速范围为此所需付岀的代价是须增设检测 与反馈装置和电压放大器第章图41转速调节器原理图按照典型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 rotn rn cnton 14 ro con参数求法电动机p 10kw u 220v i 55a n 1000转分 电枢电阻r 05欧姆取滤波电路中ro 40千欧:rn 470千欧cn 02ufcon luf 则u 220vumin 2200905 122vyi-1 0w 1000 转分p kp rnro 1171 kptti 12542控制电路设计com单片机资源分配工作寄存器0组r0-r70011-0711数据缓冲区30h-7fhp