数字化双闭环直流电机调速系统设计毕设论文Word文档格式.docx

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可以实现稳态无静差、良好的静动态性能被广泛使用。

为了方便，直流调速系统运用数字化控制，数字化控制凭借着体积小、实现方便的优点被广泛应用。

以单片机为控制核心的直流调速系统是最准确、最方便、最快速的控制方法。

本文是以直流电机调速系统基本理论的铺垫下对双闭环直流调速系统中的转速调节器、电流调节器均运用了PI控制，可以实现稳定无静差，超调量小等优点，而后运用工程设计方法来较好的讲解转速、电流双闭环调速系统的两个调节器的设计问题，通过Matlab仿真软件来直观的反应转速、电流的工作结果，最后再加上以AT89C51单片机为控制核心，使得系统实现了数字化双闭环直流调速系统。

关键词 直流电动机；

调速；

PI控制；

双闭环；

II

DesignofDigitalDoubleClosed­

loopDCGeneratorSpeedRegulationSystem

Abstract

DCspeedregulatingsystemisACspeedregulationsystembased,althoughACspeedregulationsystemintoday'

srapiddevelopment,butDCspeedcontrolsystemwiththeadvantagesofgoodcontrolcharacteristicisstillthemainwayofmotorspeedcontrolsystem.Inordertoeliminatetheinterference,DCspeedcontrolsystemusingtheclosed­

loopsystem,andinaclosed­

loopsystem,doubleclosedloopspeedregulationsystemhasamanyuniqueadvantages:

canrealizestablewithoutstaticerror,goodstaticdynamicperformanceiswidelyused.Inordertofacilitate,DCspeedcontrolsystemofdigitalcontrol,digitalcontrolwithsmallsize,theadvantagesofeasytoachievewidelyapplications.themicrocontrollerasthecoreoftheDCspeedcontrolsystemisthemostaccurate,themostconvenient,thefastestcontrolmethod.

ThispaperistopavethewayofbasictheoryofDCmotorspeedcontrolsystemofdoubleclosedloopDCspeedcontrolsystemofspeedregulatorandcurrentregulatorareusingPIcontrol,stabilitycanbeachievedwithoutstaticerrorandovershoottheadvantagesofsmallvolume,thentheuseofengineeringdesignmethodtobetterexplainspeedandcurrentdoubleclosedloopspeedregulationsystemoftwoadjustingdesignproblem,byMATLABsimulationsoftwaretointuitiveresponsespeedandcurrentworkresults,finallycoupledwithAT89C51single­

chipmicrocomputerasthecontrolcore,whichmakesthesystemrealizesthedigitaldoubleclosedloopDCspeedcontrolsystem.

Keywords DCmotor;Speedregulation;PIcontrol;Double­

closed­

loop;

目 录

IV

摘 要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2直流调速系统在国内外发展现状 2

1.2.1国内的发展现状 2

1.2.2国外的发展现状 2

1.3本文主要研究内容 2

第2章双闭环调速系统理论和数学模型 3

2.1直流调速系统的控制方法的选择 3

2.2调速系统的静动态性能指标 4

2.2.1调速系统的稳态性能指标 4

2.2.2调速系统的动态性能指标 6

2.3直流调速系统工作原理 7

2.4双闭环直流调速系统的稳态结构图和动态数学模型 9

2.4.1调速系统的稳态结构图 9

2.4.2双闭环直流调速系统的动态数学模型 9

2.5本章小结 11

第3章双闭环直流调速系统的工程设计 12

3.1双闭环直流调速系统参数的选择 12

3.2双闭环直流调速系统的工程设计方法 12

3.3本章小结 14

第4章用Matlab仿真双闭环直流调速系统 15

4.1系统的建模和参数设置 15

4.2电流环的系统仿真 15

4.2.1电流环的仿真模型 15

4.2.2电流环的仿真结果曲线 16

4.2.3电流环的仿真结果分析 17

4.3转速环（双闭环）的系统仿真 17

4.3.1转速环（双闭环）仿真模型 17

4.3.2转速环（双闭环）的仿真结果 18

4.3.3转速环（双闭环）的仿真结果分析 19

4.4本章小结 19

第5章数字化双闭环直流调速系统 20

5.1总体设计方案 20

5.2单片机AT89C51的工作原理 20

5.3模数转换器ADC0809的工作原理 22

5.4可编程定时/计数器Intel8253的工作原理 24

5.5本章小结 26

结论 27

致谢 28

参考文献 29

附录 31

第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义

对于平滑调速范围较广、起制动性能较好的直流电动机来说，在各个方面中都被认可，并且应用范围较广。

其在1970年以后被大众认可。

直流调速能够精确控制电枢电流和励磁电流是因为电枢和励磁不是耦合的;直流调速有很多优点，例如：

直流调速的抗干扰能力特别强、调速范围特别广、动态响应快速等。

通过学习《运动控制系统》，我们知道单闭环直流电机调速系统采用转速负反馈和PI调节器可以达到转速无静差，但是必须保证系统是在稳定运行的条件。

如果想要得到电流为最大值的恒流系统，而且要实现在很短的时间内快速启动，可以按照反馈系统的控制规律，选取电流负反馈就能收获恒定的电流。

因此希望输入端只有电流负反馈作用，转速负反馈不作用。

因此转速调节器和电流调节器不能同时加到一个调节器的输入端，当转速达到稳定转速时，我们希望只需要转速负反馈起作用，电流负反馈不发挥作用，因此我们采用双闭环直流电机调速系统[1]。

直流电机调速系统是交流调速系统的最基本知识，是交流的基础。

故直流电机调速系统的衡量在某一特定的层面内能平滑调节速度而且有特别好的功能特性，包括静态特性、动态特性。

后来数字化直流电机调速系统的出现使得直流调速系统应用越来越广。

首先在直流调速系统的初期，模拟电子器件被作为控制回路，如晶体管等，尽管也满足了要求，然而模拟电子器件在使用中易老化、通用性变差，控制系统效果较差，使控制性能普遍偏低。

其次微电子技术、微处理器的出现使得电机调速系统从连续调速系统中的模拟量到离散调速系统的数字量转化，不但提高了本身的运算速度，而且也使系统直观清晰。

最后由于运动控制系统的主要是以实现实现数字化和智能化为主，故经过时间的洗礼，数字化直流电机调速系统被大量的使用在各个领域。

而在各个数字化调速系统中，以计算机为基础的控制使得制作成本特别低，结构也非常简单。

由于计算机性价比较高、可靠性较好，因此在很多领域得到了大量的应用。

再加上计算机的操作和维护都非常方便快捷，使得数字化双闭环直流调速系统在工程上的应用又上了一个台阶。

而在计算机控制双闭环调速系统中，以单片机控制的应用最为方便、准确，因此受到各个公司的极力青睐！

9

1.2直流调速系统在国内外发展现状

1.2.1国内的发展现状

1970年以后，主要以晶闸管直流调速系统为主，因为晶闸管调速效率高、噪声小和响应快。

咱们知晓双闭环直流调速系统一般由主电路（晶闸管可控整流电路），控制电路（移相电路和转速、电流双闭环直流电机调速电路），以及保护电路（缺相和过流保护电路）等组成，当给定的直流电压为10V以内的时候，可进行平滑调速，然后采用PI调节器达到既放大倍数又达到稳态无静差的效果[2]。

虽然交流电机调速系统发展速度很快，技术也越来越成熟，然而直流调速系统仍被大量使用，归因于直流电动机的调速性能出奇的好，而且交流调速系统原理的最基础知识就是直流调速系统[3]。

在中国，经过了几十年的发展时期，双闭环直流调速系统控制也已经基本成熟，然而时下还在赶超着发达国家，为了实现数字化不断发展。

1.2.2国外的发展现状

从1980年起，数字化直流调速系统在对全世界的公司影响非常深远，故直流调速系统的发展提高了很多；

在国外，采用电源换相的控制方式，而且特别采用了计算机技术以及其他先进的技术，受到国内外各大电气公司广泛的应用[4]。

今天，发达国家基本上已经完全落实了数字化控制双闭环。

1.3本文主要研究内容

根据本论文的设计要点，应从以下几个方面来设计分析：

1.双闭环直流调速的几种控制方法，选择最优控制

2.双闭环直流调速系统的工作原理及数学模型

3.分析双闭环调速系统的工作原理，并画出其动态结构图

4.应用Matlab软件对设计的系统进行仿真和校正

5.仿真：

运用Simulink工具箱对系统进行仿真，获得系统的模型图和动态响应图。

6.数字化双闭环直流调速系统的设计：

分别进行电流环和转速环的

设计。

第2章双闭环调速系统理论和数学模型

2.1直流调速系统的控制方法的选择

稳定状态下，直流电动机转速的表达式如下式（2­

1）：

n=U

IaRCeΦ

（2­

1）

式（2­

1）中：

U——电枢电压，单位是（V）；

Ia——电枢电流，单位是（