双闭环直流电动机数字调速系统

I与8051单片机构成的数字化直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节控制角α大小来在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。系统实现了电流与转速双闭环的恒速调节，具有结构简单、控制精度高、成本低、易推广等特点。extensiveapply.ThepaperstatedadigitalDCspeedcontrolsystemcomposedby3kwDCmspeedadjustabilityofthedoubleclosed-loopofelectriccuIIABSTRACT I一、设计目的及要求 11.1课程设计的目的 1.2课程设计的预备知识 1.3课程设计要求 1.4设计内容及要求 二、系统总体方案设计 22.1双闭环直流电动机数字调速系统原理 2三、主电路设计 33.1主电路 3 43.1.2泵升电压限制 43.2主电路参数计算和元件选择 43.2.1整流二极管的选择 43.2.2绝缘栅双极晶体管的选择 53.3调节器参数设计 53.3.1系统设计的一般原则 53.3.2电流环的参数设计 63.3.3转速环的参数设计 3.4数字控制器PI增量式算法及程序 7四、控制回路 94.1PWM控制电路 94.2PWM功率放大驱动电路设计 五、单片机小系统设计 5.1键盘、显示接口 5.2A\D转换芯片 5.3光电编码盘 六、调速系统的软件设计 6．1调速系统总体设计模块 6.2主程序、中断子程序和定时模块 七、课程设计心得体会 参考文献 1一、设计目的及要求1.1课程设计的目的1.2课程设计的预备知识熟悉计算机控制技术基本知识及直流控制系统的有关知识。1.3课程设计要求完成直流电机转速、电流控制系统设计。1.设计控制系统主机、过程通道模板电路，包括元器件选择。出程序流程图，设计算法程序。1.4设计内容及要求电枢回路总电阻R=2.50Ω;电磁时间常数TL=0.017s;机电时间常数TM=0.076s；电动势系数Ce=0.1352V/r*min晶闸管装置放大倍数Ks=53晶闸管整流电路滞后时间Ts=0.0017s2）主要技术指标：3）主要要求：直流电动机的控制电源采用晶闸管装置，在其输入电压为0-5V时可以输出0-264V电压，为电机提供最大25A输出电流。速度检测采用光电编码器（光电脉冲信号发生器且假定其输出的A、B两相脉冲经光电隔离辨向后获得每转1024个脉冲的角度分辨50A。采用双闭环（速度环和电流环）控制方式。计算机则要求采用51内核的单片机实现控2二、系统总体方案设计2.1双闭环直流电动机数字调速系统原理图1双闭环直流电动机数字PWM调速系统原理图看，电流调节环在里面，是内环，按典型Ⅰ型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型Ⅱ型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置（TA）对电流环进行检测，转速环则是2.2数字控制双闭环直流调速系统硬件结构PI算法。由软件实现转速、电流调节系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显主电路：三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器检测回路：包括电压、电流、温度和转速检测。电压、电流和温度检测由A/D转换通道变3图2微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图三、主电路设计3.1主电路4的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。3.1.1限流电阻入限流电阻（或电抗通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入时影响整流电路的正常工作，并产生附加损耗。3.1.2泵升电压限制当脉宽调速系统的电动机减速或停车时，储存在电机和负载传动部分的动能变成电能，只好对滤波电容器充电而使电源电压升高，称作“泵升电压”。如果要让电容器全部吸收回容器（在容量为几千瓦的调速系统中，电容至少要几千微法）从而大大增加调速装置的体积和重量时，可以采用由分流电阻R和开关管VT组成的泵升电压限制电路，如图4所示。3.2主电路参数计算和元件选择装置的计算和选择等。3.2.1整流二极管的选择选用2ZC系列的大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：额定反向峰值额定反向峰值反向平均漏电额定正向平均正向平均压降UF(V)散热器型号5在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容C值，使RC≥(3～5)T/2,且有Udmax=0.9×220×0.95=188(V)2×C≥1.5×0.02,即C≥15000uF故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400v，标称容量为22000uF3.2.2绝缘栅双极晶体管的选择最大工作电流Imax≈2Us/R=440/0.45=978(A)集电极－发射极反向击穿电压（BVCEO）BVCEO≥(2～3)Us=440～660v3.3调节器参数设计3.3.1系统设计的一般原则按照“先内环后外环”的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器图5。直流双闭环调速原理图63.3.2电流环的参数设计电枢电流范围为，A/D转换为8位二进制数码，电流反β=255/(141-(-141))=255/282已知晶体管PWM功率放大器的工作频率为2kHz，工作方式为H型双极性，直流电源电压为264V,设定用来直接生成PWM信号的计数器的时钟脉冲频率为4MHz，则转换得到的PWM信号的分辨率为1/2000，即计数值为2000时，对应的PWM信号占空比为1，PWM功率输出电压为200V；计数值为1000时，对应PWM信号的占空比为0.5，PWM功率放大器的输出电压为0V;计数值为0时，对应PWM信号占空比为0,PWM功率放大器的输出电压为-200V,则PWM控制信号和PWM波形生成之间的数字控制量到模拟电压输出量之间的增益为：==0.0297s=0.0005s=1/2000=0.0005s==0.0005=R/(β)=500*0.0297*0.45/(0.264*0.904)=28校验近似条件脉宽调制变换器传递函数近似条件wci≤1/(3Ts)1/(3Ts)＝1/(3×0.00025)=666.67>500=wci小时间常数近似条件wci≤11=TsToi11=654.03>50011=TmT111=2.96<50073.3.3转速环的参数设计速度反馈回路的滞后时间约为=1ms机电时间常数=0.427s速度环的小时间常数为=1/+=1/500+0.001=0.003s按跟随性能和抗干扰性能要求，取中频宽h=5，则积分时间常数为；速度调节器比例系数检验近似条件转速环截止频率Wcn＝KNTn=13333.333*0.015=200<Wci转速环传递函数简化条件Wcn≤-I=235.7Σi小时间常数近似处理条件Wcn≤KKI=235.7T代入数据计算得σn=0.35℅,能够满足设计要求3.4数字控制器PI增量式算法及程序PI控制算法:8则Ui=Ui-1+P(e-ei-1)+I*eiiKp=Rn/RKp=Rn/RnSETBSUBBAJMPAJMPADDR0，90HR1，80HA，R0B，R1A，B7FH，A7EH，#00H7BH，UmaxPA，R2A，R37DH，#00H;开放中断1;积分项;比例项9ADDA，7DH；Ui-1+Pi+Pp=Ui给ACJNEA，#Ui，LOOP2；Ui〉Umax转移MOVA,#UiCJNEA，7AH，LOOP3；Ui<Umin转移MOVA,#UiLP1:MOVA,7BHLP2:MOVA,7AHMULAB；Pi=I*ei给AMOVR2，A；Pi给R2P：MOV6EH，#PMULABei-ei-1）*P给A四、控制回路4.1PWM控制电路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”来达关驱动装置”。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度max由上面的公式可见，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。4.2PWM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。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两片芯片所输出的信号恰好相反。转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的。时间就为T-t1。HIN信号的占空比为D=t1/T。设电因此λ在±1之间变化。如果我们联系改变λ,那么便可以实现电机正向的无级调速。五、单片机小系统设计5.1键盘、显示接口选用8279可编程键盘/显示器接口芯片。它能接收和识别来自键盘阵列的输入数据并完成预单片机应用系统中得到了广泛的应用。（2）控制和定时寄存器及定时控制部分；（4）回送缓冲器与键盘去抖动控制电路；（5）FIFO(先进先出)寄存器和状态电路；（6）显示器地址寄存器和显示RAM.5.2A\D转换芯片址译码锁存器，输出带三态数据锁存器。启动信号为脉冲启动形式。电路，故CLK时钟需外部输入，允许范围500KHz～5.3光电编码盘光电编码盘是将测得的角位移转换成为相应的电脉冲信号输出的数字传感器，本设计采用增量式光电编码器来采样转速信号。增量式编码器是专门了用来测量转动角位移的累计量。这里以三相编码器为例来介绍增量式编码器的工作原理及其结构。出波形经过整形后变成脉冲。码盘上有向标志，每转一圈z相输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向，码盘还提供相位相差90°的两路脉冲信号。将A、B两相脉冲中任何一相输入计编码盘的旋转方向可以通过D触发器的输出信号Q来判断。整形后的A、B两相输出信号分B两相的脉冲相位相差90°,当电机正转时，B相脉冲超前A相脉冲90°,触发器总是在B前B相脉冲90°,则D触发器总是在B脉冲为低电平时触发，这时Q输出端输出为低电平，由此确定电机的转动方向。转速检测的精度和快速性对电机调速系统的静、动态性能影响极大。为了在较宽的速度范它产生的测速脉冲频率与电机转速有固定的比列关系，微机对该频率信号采用M/T法测速处六、调速系统的软件设计6．1调速系统总体设计模块为了使微机控制系统各种硬件设备能够正常运行，有效实现各个控制环节的实时控制和管理，除了要设计合理的硬件电路，还必须要有高质量的软件支持。因此，用汇编或其他高级语言编写电机微机实时控制系统的应用程序，是整个系统设计中十分重要的内容。本系统采控制器。整个控制程序由主程序、外中断服务程序、PI运算程序及各种辅助程序组成，程序总长小于4K字节，运行一遍的时间小于3.33ms。直流电机数字式双闭环总体流程图6.2主程序、中断子程序和定时模块上位计算机和其他外设通信等功能。初始化子程序——完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。系统初始化系统初始化系统初始化数字测速工作方式NY键处理参数及变量初始