计算机控制技术课程设计双闭环调速系统.docx
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计算机控制技术课程设计双闭环调速系统
成绩：
计算机控制技术课程设计任务书
题目：
数字双闭环直流调速系统设计
使用班级：
电气081、082
设计内容
采用带有AD转换器的8051系列单片机为控制器芯片，对直流电机进行电流、转速双闭环调速系统设计。
A、硬件系统设计。
包括控制电路系统与主电路系统；控制电路主要包括：
单片机选型、单片机外围电路、三相电源过零检测电路、前向通道电路、反馈通道电路、人机接口电路；主电路主要包括：
UPE及保护电路、功率驱动放大电路，电机接口电路。
B、软件系统设计。
主要包括：
电流环采样、转速环采样、电流环控制器算法、转速环算法、中断控制、故障报警等。
设计步骤
一、总体方案设计
二、控制系统的建模和数字控制器设计
三、硬件的设计和实现
1、选择计算机机型（采用51内核的单片机）；
2、设计支持计算机工作的外围电路（EPROM,RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等）
3、设计输入信号接口电路；
4、设计A/D转换和电机驱动接口电路；
5、其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）
四、软件设计
1、分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；
2、编写A/D转换和速度、电流检测子程序框图；
3、编写控制程序和功率驱动子程序模块粗图；
4、其它程序模块（显示与键盘等处理程序）框图。
五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（A3幅面）。
课程设计说明书要求
1．课程设计说明书应书写认真．字迹工稚，论文格式参考国家正式出版的书籍和论文编排。
2．论理正确、逻辑性强、文理通顾、层次分明、表达确切，并提出自己的见解和观点。
3．课程设计说明书应有目录、摘要、序言、主干内容（按章节编写）、主要结论和参考书，附录应有系统方枢图和电路原理图。
4．课程设计说明书应包括按上述设计步骤进行设计的分析和思考内容和引用的相关知识
摘要
双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。
直流双闭环调速系统中设置了两个调节器,即转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）,分别调节转速和电流。
可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。
并且随着电力电子器件开关性能的不断提高,直流脉宽调制（PWM）技术得到了飞速的发展。
传统的模拟和数字电路PWM已被大规模集成电路所取代,这就使得数字调制技术成为可能。
目前,在该领域中大部分应用的是数字脉宽调制器与微处理器集为一体的专用控制芯片。
电动机调速系统采用微机实现数字化控制,是电气传动发展的主要方向之一。
采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化,结构简单,可靠性高,操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平
关键词：
双闭环，转速调节器，电流调节器
Abstract
Double-loop（speedloop,currentloop）DCdrivesystemisawidelyusedcurrently,theeconomy,forthepowertransmissionsystem.Ithasafastdynamicresponse,theadvantagesofanti-interferenceability.DCdoubleclosedloopspeedcontrolsystemsetuptworegulators,thespeedregulator（ASR）andthecurrentregulator（ACR）,adjustthespeedandcurrent,respectively.Levelcanbeachievedquicklywithoutfrequentstarting,brakingandreverse;productionprocessautomationsystemstomeetavarietyofspecialoperatingrequirements,theneedforspeedorfastanumberofpositiveandnegativefieldtotheelectricdrivesystemhasbeenwidelyapplications.Switchingpowerelectronicdevicesandwiththecontinuousimprovementofperformance,theDCpulse-widthmodulation（PWM）technologyhasbeenrapiddevelopment.TraditionalanaloganddigitalVLSIcircuitsPWMhasbeenreplacedbydigitalmodulationtechniquewhichmakesitpossible.Currently,mostapplicationsinthefieldofdigitalpulse-widthmodulatorissetasonewithadedicatedmicroprocessorcontrolchip.Motorspeedcontrolsystemusescomputerdigitalcontrolelectricdriveisoneofthemaindirectionsofdevelopment.Usingcomputercontrol,theentireall-digitalspeedcontrolsystem,simplestructure,highreliability,easyoperationandmaintenance,steady-stateoperationwhenthemotorspeedcanreachahigherlevelofaccuracy
Keywords:
DOUBLE-LOOP,THESPEEDREGULATOR,THECURRENT
目录
计算机控制技术课程设计任务书I
目录IV
第一章数字双闭环直流调速系统总体设计1
1.1系统总体设计1
第二章数字双闭环直流调速系统硬件设计2
2.1硬件电路整体结构图：
2
2.2控制电路设计4
第三章数字双闭环直流调速系统软件设计7
3.1主电路整体结构图：
7
测速软件设计9
3.2中断程序流程图10
心得体会：
12
参考文献13
附录14
第一章数字双闭环直流调速系统总体设计
1.1系统总体设计
双闭环直流调速系统
该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。
为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。
电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。
因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。
系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。
由图可见，电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，因此称之为双闭环调速系统。
转速环为外环，电流环为内环。
ACR和ASR均为比例积分调节器，并设有限幅电路，ACR输出限幅值为
，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值
。
ASR输出限幅值为
，它决定了主环中的最大允许电流
系统特点
（1）两个PI调节器均设置有限幅；一旦PI调节器限幅（即饱和），其输出量为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反极性的输入信号使调节器退出饱和；即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使该调节器处于断开。
而输出未达限幅时，调节器才起调节作用，使输入偏差电压在调节过程中趋于零，而在稳态时为零。
（2）电流检测采用三相交流电流互感器；
（3）电流、转速均实现无静差。
由于转速与电流调节器采用PI调节器，所以系统处于稳态时，转速和电流均为无静差。
转速调节器ASR输入无偏差，实现转速无静差。
闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变整流电压，而开环系统不能自动调节。
以负载增大为例，闭环调速系统的自动调节过程如下：
图1-1.2双闭环直流调速系统动态结构图
双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。
为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。
第二章数字双闭环直流调速系统硬件设计
2.1硬件电路整体结构图：
图2-1数字式双闭环直流调速系统硬件结构图
图2-2数字式双闭环直流调速系统
转速检测电路设计：
转速的检测可把
接到一个测速发电机上即可检测转速，如图8所示：
图2-3转速检测电路图2-4电流检测电路
限幅电路:
图2-5
继电器驱动电路：
接受输入信号并放大，驱动电机运转。
图2-6
电流调节器结构的选择
根据设计要求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WACR（S）=Ki（τis+1）/τis
Ki-------电流调节器的比例系数；
τi------电流调节器的超前时间常数。
检查对电源电压的抗干扰性能：
Tl/T∑I=0.0167s/0.0057s=2.93,参照教材中表2-3的典型型系统动态抗扰性能，
各项指标都是可以接受的。
图2-7电流环等效近似处理后校正成为典型I系统框图
1.3.5转速调节器结构的选择
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II系统，系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
图2-8转速环等效近似处理后校正成为典型II系统框图
ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：
WASR（s）=Kn（τns+1）/τns
Kn-------转速调节器的比例系数；
τn------转速调节器的超前时间常数。
2.2控制电路设计
根据双闭环调速系统原理框图，可将系统分解为三个部分，如下图所示：
一、计算机控制单元；二、检测单元和接口电路；三、主电路单元和触发电路。
图2-9双闭环调速系统原理分解框图
2.2.1计算机控制单元：
计算机单元硬件原理图如图2-2.2所示，80c51主要执行程序、计算功能，8259用于处理中断事件；8255用于读入电源状态和输出控制信号（晶闸管的门极控制信号）；8253的计数器0和1用于记录电机的转速，计数器2用于晶闸管的触发移相功能；AD0809用于对电机电枢电流的采样数模转化；2764用于存储初始化程序、主程序和数据存储器；6264用于做随机数据存储器；8284用于提供内部标准时钟，其它设备的时钟都是基于该标准时钟。
图2-10
PWM信号发生电路设计：
钟电路是用来产生AT89C51单片机工作时所必须的时钟信号，AT89C51本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，AT89C51在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。
图2-11
输入信号接口电路和LED静态显示接口电路：
按键控制与LED显示单元完成系统参数（占空比和转速）的实时显示，以及通过键盘输入系统的给定（占空比）。
本系统中通过74ls138芯片来扩展键盘和显示接口。
图2-12
图2-13
三相过零检测电路：
为了达到与电源电压同步的目的，除了可以使用锁相同步电路外，还可以实时检测电源电压的过零点和频率，根据过零点和频率就可以跟踪输入的电源电压的相位，实现同步输入。
图2-14
第三章数字双闭环直流调速系统软件设计
3.1主电路整体结构图：
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。
/***********通过按键实现对电机开关、调速、转向的控制的程序*****************/
voidmotor_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）
{}
}
}
测速软件设计
图3-1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*************/
voidtime1_int（void）interrupt3
{
count_speed++;
if（count_speed==20）
{count_speed=0;
num_display=num_medium;
num_medium=0;
}
}
3.2中断程序流程图
图3-2中断流程图
算法实现：
/***********通过按键实现对电机开关、调速、转向的控制的程序*****************/
voidmotor_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）
{}
}
}
测速程序：
/****T1中断服务程序********单位时间（S）方波的个数*************/
voidtime1_int（void）interrupt3
{
count_speed++;
if（count_speed==20）
{count_speed=0;
num_display=num_medium;
num_medium=0;
心得体会：
此次课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有要有扎实的理论基础，还要有坚持不懈的精神。
本产品实现了对直流电机的调速和测速，个人感觉其中还有许多不够完善的地方，例如：
对电机的控制采用的是独立按键，而非矩阵键盘；电机的驱动电路的设计也不是很成熟。
此次的设计并不奢望一定能成功，但一定要对已学的各种电子知识能有一定的运用能力，我做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏，并且开始慢慢走上创造的道路，这是非常可贵的一点。
最后感谢张友斌老师的指点与点拨，张老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。
再多华丽的言语也显苍白。
在此，谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
参考文献
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28-3
附录
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