单片机控制直流双闭环调速系统设计(共24页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上单片机控制直流双闭环调速系统设计1 设计目的与要求1.1 设计目的本次课程设计的目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手设计直流电机双闭环调速系统设计，使学生加深控制技术知识的认识。课程设计的主要任务是设计一个用单片机控制的直流调速系统，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。本次课程设计是为运动控制系统课程而开设的综合实践教学环节，是对以前学的传感与检测技术、自动控制原理、仪表与过程控制系统、计算机控制技术等前期课堂学习内容的综合应用，使学生加深对过去已修课程知识的理解，运用本课程所学的基本理论和方法，同

2、时综合计算机控制技术，传感与检测技术，解决运动控制领域的实际问题，为学生今后从事控制领域的工和学习作打下坚实的基础。，它能使我们更可能早的接触到生产过程领域的知识，因此本次此课程在教学计划中具有重要的地位和作用。1.2 设计要求运用所学的知识，设计一个用单片机控制的直流双闭环调速系统，可以实现对电机速度进行精确控制。要求利用单片机进行控制，控制系统采用双闭环，即转速环和电流环，实现调速系统的最优控制，不仅可以实现对速度稳、快、准的控制，而且由于有电流环的存在，同时起到过电流的保护作用。电机参数：Pn=2.2kw，Un=220V，In=17A，Nn=1480r/min，Ce=0.136v/min

3、/r 他励电压：220V要求完成的主要任务: （1）、空载启动转速超调量10%（2）、完成总体系统设计和数字系统设计（3）、完成单元电路和总电路设计2.控制系统分析2.1 系统的组成目前的对于直流电机而言，采用转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直流调速系统。虽然PI单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果系统对动态性能要求较高，单闭环控制系统在正常情况下不能满足要求。 图1理想快速启动过程电流和转速波形在直流电机启动过程中，理想情况下，我们一般要求电流的大小的如题1所示，为了实现在允许条件下的最快启动，要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。

4、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，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程，且电流环能起到过电流保护作用。所以，我们的目标是：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。为了起到速度调节和过电流保护，故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别在系统中起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）连接，如图2所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构

5、上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就组成了转速、电流双闭环调速系统。 图2转速、电流双闭环直流调速系统2.2 系统的控制原理图3直流双闭环调速系统电路原理图一般情况下，为满足要求，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，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ACR调节器，专门用于调节电流量，而在转速环采用ASR调节器，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3为直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

6、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4 双闭环直流调速系统动态结构图双闭环直流调速系统动态结构图如图4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 (1)(2)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。2.3 系统参

7、数计算根据设计要求<=10，并保证稳态电流无差，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: (3) Ki 电流调节器的比例系数； tiR1C 电流调节器的超前时间常数 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.系统各单元选择与设计 3.1 电动机供电方案与晶体管放大器方案选择（1）电动机供电方案 一般情况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，直流斩波器和脉宽调

8、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，需要的功率器件

9、少；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。（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；3） 电机停止时有微

10、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。3.2 电流调节器的设计在图5中电流内环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这给设计工作带来麻烦。在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，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，也就算说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近

11、似结构框图，如图7所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是： （4）式中 电流环开环频率特性的截止频率。图5忽略反电动势的动态影响时的电流环动态结构框图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图6所示。图6等效成单位负反馈系统的电流环动态结构框图最后，由于和一般都比小的多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性环节，其时间常数为： （5） 则电流环结构框图最终可以简化成如图7所示。简化的近似条件是 （6）图7小惯性环节近似处理的电流环动态结构框图（1）电流调节器结构的选择首先考虑把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求

12、上看，希望电流无静差，可以得到理想的堵转特性，由图8可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统。图8的表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成： （8）式中 电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 则电流环的动态结构框图便成图8所示的典型形式，其中： （9）图8校正成典型型系统的电流环动

13、态结构框图（2）电流调节器的参数计算确定时间常数：1）整流装置滞后时间常数。通过表1可得出，三相桥式电路的平均失控时间。2）电流滤波时间常数。根据初始条件有。3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。表1各种整流电路的失控时间（）整流电路形式最大失控时间平均失控时间单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式、六相半波20106.673.331053.331.674）电磁时间常数。已知电枢回路电感，则：（3）选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电压无差，按典型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： （10）检查对电源电压的抗扰性能：

14、，参照表2的典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。表2典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（4） 计算电流调节器参数电流反馈系数。电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：要求时，按表3，取，因此于是，ACR的比例系数为：表3典型型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间6.64.73.32.4峰值时间8.36.24.73.6相角稳定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率0.2

15、430.3670.4550.5690.786校验近似条件电流环截止频率：1） 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件。2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件。3） 电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。（5）电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图9所示。图中为电流给的电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。根据运算放大器的电路原理，可以导出：图9含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器3.3 转速调节器的设计（1）转速环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环的一个环节，由图9可知，电流环的闭环传递函数为

16、（11）忽略高次项，可降阶近似为 （12）近似条件 （13）式中 转速开环频率特性的截止频率。接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效成 （14）这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。（2）转速调节器的结构选择用电流环的等效代替图6中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图10所示。图10用等效环节代替电流环后转速环的代替结构框图把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改为，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中则转速环结构框图可简化成如图11所

17、示。 图11等效成单位负反馈系统和小惯性近似处理的转速环动态结构框图为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开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，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。在理论计算中，线性系统的阶跃超调量较大，但在实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。故而，ASR也采用PI调节器，其传递函数为 （15）式中 转速调节器的比例系数； 转速调节器的超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函数为 （16）令转速环开环增益为 （17）则 （18）

18、不考虑负载扰动时，校正后调速系统的动态结构框图如图12所示。上述结果所服从的近似条件归纳为：图12校正后成典型型系统的转速环的动态结构框图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的比例系数为转速超调量的计算：设理想空载起动时z=0，已知Pn=2.2kw，Un=220V，In=17A，Nn=1480r/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：=

19、0.007 v/min/r 。当h=5时，查表得能满足设计要求。4 系统软件部分设计 单片机控制调速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。单片机控制双闭环直流调速系统的软件有主程序、初始化子程序、中断服务子程序等。4.1 主程序设计主程序流程图如图13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

20、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13主程序的流程图 图14 初始化子程序流程图如图14，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 SET

21、B 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 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。4.2 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

22、”或“电流调节”时，便进入PI控制子程序（如图15）。PI程序：SETB EX1 ；开放中断1MOV R0，90H ；P1口（W）送R0,预设MOV R1，80H ；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+

23、Pp=Ui给AMOV 7CH,A ；Ui给7CHMOV 7DH，7CH ；Ui给Ui-1MOV A，7BH ；Umax给ACJNE A，#Ui，LOOP2 ；UiUmax转移MOV A，#UiCJNE A，7AH，LOOP3 ；Ui<Umin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

24、 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 ；ei给ei-1 MOV B，6EH MUL AB ；（ei-ei-1）*P给A MOV R3，A ；Pp给R3 RET 图15 控制子程序框图5 MATLAB仿真 转速电流双闭环控制的直流调速系统是最典型的直流调速系统，其原理结构如图9所示。双闭环控制直流调速系统的特点是电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器分别控制，且转速条街区的输出就是电流器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。当转速低于给定转速时

25、，转速调节器的积分作用使输出增加，即电流给定上升。当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减小，即电流给定减小，并通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速。当转速调节器饱和输出达到限幅值时，电流环即以最大电流限制Idm实现电动机的加速，使电动机的启动时间最短，在可逆调速系统中实现电动机的快速制动。在不可逆调速系统中，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。 图16转速电流双闭环控制的直流调速系统原理图直流双闭环系统的仿真可以依据系统的动态结构图进行，也可以用Power System的模块来组建。两种仿真不同在于主电路，前者晶闸管和电

26、动机是用传递函数来表示，后者晶闸管和电动机是使用Power System的模块，而控制部分是相同的。下面用前者仿真。 图17双闭环直流调速系统动态结构图图18 双闭环调速系统仿真结构图图19双闭环直流调速系统仿真波形6 总结与展望 随着时间将近过去了一个多星期，课程设计也接近了尾声。经过一周半周的奋战我的课程设计终于完成了。在没有做这次课程设计以前觉得这设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做设计发现自己的看法有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什

27、么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，无论是在以后的工作还是生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。同时也明白了人生不可能存在一帆风顺的事，只有自己勇敢地面对人生中的每一个挫折和失败，才能通往自己的罗马大道。在课程设计的过程中我总会遇到这样那样的问题，我有失落过，烦恼过，悲伤过，但我明白这又是我人生中的一大挑战，角色的转换，这除了有较强的适应力和乐观的生活态度外，更重要的是得益于两年的学习积累和技能的培养。在这里我知道我的将来会有光辉灿烂的一天。在这次毕业设计里，给我仅是初步的经验积累，对于迈向社会远远不够的，我必须做出更大的努

28、力。虽然在完成本次课程设计的过程中有过失落，有过烦恼，有过悲伤，但在这次毕业设计中也使我们的同学间的关系更进一步，在此期间同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，一起讨论，听听不同的看法不同的意见，这使我们能更好的理解知识，透彻知识，运用知识，因此在这里我要非常感谢帮助我的同学，谢谢你们的帮助，谢谢你们！在课程设计完成的过程里，我更明白了要做好人生规划的重要性，在此我要有以下几点规划：1、 继续学习，虽然我们即将步入社会，但我们绝不能忘记学习，不仅仅要学习知识，学习技能，还要学习如何与人相处，即将步入社会的我们光有知识技能是不能在这样充满竞争的社会好好发展我们的未来的了，所以我们要学习与

29、人相处，与人共事。2、 也许我们有知识，有技术，但我们缺少的是经验，实际动手的经验，所以我们步入社会后，要不断的积累经验，不断的实践，只有这样我才能在掌握知识的同时把握更多的技术，这样我们才能有更好的发展空间。3、 学校到社会是一个角色转变的过程，我们是否做好这个心理准备呢？但不管我们是否做好准备我们都将要面对现实，所以我们不仅在思想上认识到我们即将步入社会，即将加入到人与人之间的竞争中去，还要在行为行动上做好步入社会的准备，学校生活注定只是安逸的，学校里我们只是学习为主，而社会呢？我们是为了生存而工作，我们必须随时做好角色转换的准备！课程设计终于完成了，这让我不由有一种如释重负的感觉，总之我

30、明白了：知识必须通过应用才能实现其价值!有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在此要感谢我的指导老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次

31、毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。大学四年就会在这次课程设计总结划上一个圆满的句号。我曾经以为时间是一个不快不慢的东西,但现在我感到时间过的是多么的飞快,大学四年了,感觉就在一眨眼之间结束了我的大学生涯。毕业,最重要的一个过程,最能把理论知识运用到实践当中的过程就数毕业设计了。这也是我们从一个学生走向社会的一个转折。另一个生命历程的开始。参考文献1 泰继荣. 现代直流控制技术及其系统设计M. 北京：机械工业出版社，19932 林蔚天微机控制PWM直流调速. 上海电机技术高等专科学校学报, 20013 王兆安. 电力电子技术M.北京：机械工业出版社, 200：4 陈杰. 传感器与检测技术M.北京：高等教育出版社,2002 5 李朝青.单片机原理及接口技术.第二版.北京：北京航空航天大学出版社，19966 沙占友. 单片机外围电路设计M. 北京：电子工业出版社, 20037 铁才. 电机控制技术. 哈尔滨: 哈尔滨