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直流调速系统

摘要

 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。

长期以来，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。

它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。

随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。

为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。

本文设计开发了一套基于单片机的直流电机调速控制器，作为其配套的试验装置。

论文根据系统的要求完成了整体方案设计和系统选型，针对所设计的控制方案对控制系统的软、硬件设计作了详细论述。

硬件部分先作了整体设计，然后介绍了以AT89C51单片机为核心的硬件构成，对键盘电路、串行通信电路、测量电路、转换电路和显示电路等作了详细阐述;软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图。

论述了软件的设计思想和方法;实现了对直流电动机转动参数的设置、启动、停止、加速、减速和显示等功能。

关键词：

单片机，直流调速系统

Abstract

 Nowadays,automatic control systems have been widely used and developed in every aspect of life. As the artery in the area of electric drive systems, DC drivers become more and more important modern production. For a long time, DC motor has possessed the main role in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth timing in a wide range,besides,its control performance is excellent. DC motor is widely used on the automatic equipments ,such as CNC and industrial robot. As the scale of production becomes larger and larger the demand and requirements become higher and higher,so the research on improving the DC controlling system behavior has important sense.

     This paper system of DC motor multiple speeds based on STCMCU is designed,as its necessary test equipment. It finished the total project design of system and model selection. The hardware and software design of the system according to the preceding solutions are discussed detailed. For the hardware part after a dissertation on the whole design.the core hardware of the control system is the STCMCU,the paper introduced the details of some hardware problem,including input circuit of keyboard,serial communication circuit, measure circuit, D/A switching circuit and display circuit and so on. The method of software planning for it is also discussed. For the software part,with the introduction of modular design concept some procedure flow charts of main program subroutine are offered. The paper designs the software which achieves the functions,such as install parameters, download parameters,startup stop accelerate and decelerate.    

Keywords:

Single-chipcompute,DCspeedcontrolsystem

目录

第一章绪论………………………………………………………………1

1.1电机控制的发展…………………………………………………1

1.1.1电力电子技术的发展…………………………………………1

1.2课程背景…………………………………………………………2

1.21可编程控制器的概述…………………………………………2

1.22直流电机概述…………………………………………………2

第二章系统方案选择和总体结构设计…………………………………3

2.1调速方案的选择…………………………………………………3

2.1.1系统控制对象的确定…………………………………………3

2.1.2电动机供电方案的选择………………………………………3

2.2总体结构设计……………………………………………………3

2.2.1系统结构选择…………………………………………………3

2.2.2系统的工作原理………………………………………………5

第三章主电路设计与参数计算……………………………………………6

3.1整流变压器的设计………………………………………………6

3.1.1变压器二次侧电压U2的计算…………………………………6

3.1.2变压器容量的计算……………………………………………7

3.2晶闸管元件的选择………………………………………………7

3.2.1晶闸管的额定电压……………………………………………7

3.2.2晶闸管的额定电流……………………………………………8

3.3主电路及保护电路原理图………………………………………8

第四章控制系统软件设计…………………………………………………10

4.1系统主程序设计流程图…………………………………………10

4.2数字PI调节器程序设计…………………………………………10

4.3数字滤波器程序设计……………………………………………11

4.4中断处理程序设计………………………………………………13

4.4.1电流环中断服务程序的设计…………………………………13

4.4.2速度环中断服务程序的设计…………………………………16

4.4.3其它中断处理程序设计………………………………………17

第五章系统MATLAB仿真…………………………………………………18

5.1系统的建模与参数设置…………………………………………18

5.2系统仿真结果的输出及结果分析………………………………19

总结…………………………………………………………………………20

致谢…………………………………………………………………………21

参考文献……………………………………………………………………22

第一章绪论

1.1电机控制技术的发展

电机是一种机电能量转换得装置，在国民经济中起着重要的作用，无论是在工农业生产、交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量的使用着各种各样得电机，在越来越多的应用场合，只能旋转的电机已无法满足要求，而是要能够实现快速加速、减速或反转以及准确停止等功能。

这些功能的实现都要求对电机进行控制，所以，对电机的控制是电机应用得重要分支。

广义上说，这些被控制得电机是指在自动控制装置或系统中使用的各种电机。

电机在其实际应用中，已由过去简单的起停控制、提供动力为目的的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。

在这种情况下，原先的“电机控制”“电气传功”已发展到“运控控制”得新阶段。

1.11电力电子技术的发展

电力电子学（或电力电子技术）的理论是建立在电子学、电力学和控制学三个学科基础之上的。

起初它被认为是介于电子学、电力学与控制学之间的边缘学科,但是随着电力电子技术的不断发展,它已成为一个涉及领域广阔的学科,可以说凡是涉及到电能应用的场合,便有其用武之地。

电力电子技术发展到今天,它不仅仅涉及到"电力"的变换与应用,而且也涉及到化学能电源（电池）、太阳能电池电能的变换与应用。

虽然已突破了当初单纯"电力"的界限,但是仍然是在功率变换的范围。

仅就电力电子技术本身而言,它主要包括二个方面,即电力半导体器件制造技术和电力半导体变流技术。

前者是电力电子技术的基础,后者是电力电子技术的核心。

二者相辅相成,相互依存,相互促进的关系,使得电力电子技术发展势不可挡,使其在科技进步和经济建设中发挥着越来越重要的作用

1.2课题背景

1.21可编程控制器的概述

可编程序控制器总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。

具体表现在以下几个方面：

1）向小型化、专用化、低成本方向发展20世纪80年代初，小型PLc在价格上还高于小系统用的继电器控制装置。

2）　　随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使PLc结构更为紧凑，功能不断增加，将原来大、中型PLc才有的功能移植到小型PLc上，如模拟量处理、数据通信和复杂的功能指令等，但价格不断下降，真正成为继电器控制系统的替代产品。

3）　　向大容量，高速度方向发展大型PLC采用多微处理器系统，有的采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高．

4）　　与计算机联系密切从功能上看，PLc不仅能完成逻辑运算，且计算机的复杂运算功能在PLC中也进一步得到利用；从结构上看，计算机的硬件和技术越来越多地应用到PLC；从语言上看，PLC已不再是单纯用梯形图语言，而且可用多种语言编程，如类似计算机汇编语言的语句表，甚至可直接由计算机高级语言编程；在通信方面，PLc与计算机可直接相连并进行信息传递。

1.22直流电机概述

输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。

当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。

直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。

运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽。

第二章系统方案选择和总体结构设计

2.1调速方案的选择

2.1.1系统控制对象的确定

本次设计选用的电动机型号Z2-32型，额定功率1.1KW，额定电压230V，额定电流6.58A,额定转速1000r/min,励磁电压220V,运转方式连续。

2.1.2电动机供电方案的选择

变压器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制变换器。

旋转变流机组简称G-M系统，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。

静止可控整流器又称V-M系统，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受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。

根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。

在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。

由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。

考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。

因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。

并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。

而且工作可靠，能耗小，效率高。

同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。

综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。

2.2总体结构设计

2.2.1系统结构选择

若采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，在单闭环调速系统中，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，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。

若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。

与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。

得到过电流的自动保护。

显然静特性优于单闭环系统。

在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。

综上所述，本系统用一台单片机及外部扩展设备代替原模拟系统中速度调节器、电流调节器、触发器、逻辑切换单元、电压记忆环节、锁零单元和电流自适应调节器等，从而使直流调速系统实现全数字化。

其硬件结构如图2-1所示。

图2-1单片机控制的直流调速系统结构图

2.2.2系统的工作原理

在此单片机控制的直流调速系统中，速度给定、速度反馈和电流反馈信号是通过模拟光电隔离器、A/D转换器送入计算机，计算机按照已定的控制算法计算产生双脉冲，经并行口、数字光电隔离器、功率放大器送到晶闸管的控制级，以控制晶闸管输出整流电压的大小，平稳的调节电动机的速度。

晶闸管正反组切换由数字逻辑切换单元来完成。

第三章主电路设计与参数计算

电动机的额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。

3.1整流变压器的设计

3.1.1变压器二次侧电压U2的计算

U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。

选择过大又会造成延迟角α加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。

一般可按下式计算，即：

式中Udmax--整流电路输出电压最大值；

nUT--主电路电流回路n个晶闸管正向压降；

C--线路接线方式系数；

Usk--变压器的短路比，对10～100KVA，Usk=0.05～0.1；

I2/I2N--变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。

在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即：

式中A--理想情况下，α=0°时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即A=Ud0/U2；B--延迟角为α时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0；

ε——电网波动系数；

1~1.2——考虑各种因数的安全系数；

根据设计要求，采用公式：

由表查得A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则B=cosα=0.985

取U2=120V。

电压比K=U1/U2=380/120=3.17。

3.1.2变压器容量的计算

S1=m1U1I1；

S2=m2U2I2；

S=1/2（S1+S2）；

式中m1、m2--一次侧与二次侧绕组的相数；

由表查得m1=3，m2=3

S1=m1U1I1=3×380×1.69=1.9266KVA

S2=m2U2I2=3×120×5.37=1.9332KVA

S=1/2（S1+S2）=1/2（1.9266+1.9332）=1.9299KVA

3.2晶闸管元件的选择

3.2.1晶闸管的额定电压

晶闸管实际承受的最大峰值电压UTm，乘以（2～3）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压UTN，即UTN=（2～3）UTm

整流电路形式为三相全控桥，查表得

，则

取

3.2.2晶闸管的额定电流

选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值

大于实际流过管子电流最大有效值

，即

=1.57

>

或

>

=

=K

考虑（1.5～2）倍的裕量

=（1.5～2）K

式中K=

/（1.57

）--电流计算系数。

此外，还需注意以下几点：

①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。

②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。

③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。

由表查得K=0.368，考虑1.5~2倍的裕量

取

。

故选晶闸管的型号为

。

3.3主电路及保护电路原理图

图3-1主电路及保护电路原理图

第四章控制系统软件设计

4.1系统主程序设计流程图

图4-1主程序流程图

如图4-1所示的主程序流程图，它完成主程序完成系统的各种功能初始化操作，包括0808的片内I/O寄存器、各种状态和标志位、各个控制数据等的初始化，然后循环定时执行速度环和电流环的计算，并完成键盘输入、显示扫描等各种功能。

4.2数字PI调节器程序设计

在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。

当输入时误差函数e（t）、输出函数是u（t）时，PI调节器的传递函数如下

（4-1）

式中Kpi为PI调节器比例部分的放大系数；

t为PI调节器的积分时间常数。

式子（4-1）的时域表达式可写成

（4-2）

其中，KP=Kpi为比例系数，KI=1/t为积分系数。

将上式离散化成差分方程，其第k拍输出为

（4-3）

其中，Tsam为采样周期。

式（4-3）表述的差分方程为位置式算法，u（k）为第k拍的输出值。

由式子看出，比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的累积。

位置式PI调节器的结构清晰，P和I两部分作用分明，参数调整简单明了。

为了安全起见，常须对调节器的输出实行限幅。

在数字控制算法中，要对u限幅，只须在程序内设置限幅值um,当u（k）>um时，便以限幅值um作为输出。

而位置式算法必须要同时设积分限幅和输出限幅。

带有积分限幅和输出限幅的位置式数字PI调节程序框图如图4-2所示。

4.3数字滤波器程序设计

在检测得到的转速信号中，不可避免地要混入一些干扰信号。

在数字测速中，硬件电路只能对编码器输出脉冲起到整形、倍频的作用，往往用软件来实现数字滤波。

数字滤波具有使用灵活、修改方便等优点，它可以用于测速滤波，也可以用于电压、电流检测信号的滤波。

常有的数字滤波主要有三种，它们分别是算数平均值滤波、中值滤波和中值平均滤波。

本次设计采用中值平均滤波。

中值平均滤波首先要设有N次采样值，排序后得X1

图4-2位置式数字PI调节器程序框图

4.4中断处理程序设计

4.4.1电流环中断服务程序的设计

它主要完成电机索零运算、电流调节器PI运算、轻载时电流自适应的运算。

设系统电流断续临界值为I0，反馈电流采样值为I，则程序框图如图4-2所示。

图4-2电流环中断服务程序简化框图

（1）锁零单元程序设计

为防止电机慢速爬行，一般模拟晶闸管都设有锁零单元。

这里用计算机软件来实现。

首先检查下速度给定UGn和速度反馈UFn是否为零或者小于某临界值n0，若不为零系统正常运行。

若为零，使电流调节器输出为负电压，把晶闸管调速系统推向逆变，迫使电动机停止（爬行），其程序框图如图4-3所示。

图4-3锁零程序框图

（2）电流自适应程序设计

在转速和电流双闭环调速系统中，电流环PI调节器的动态参数一般是按电枢回路电流连续的情况来选取，然而当系统轻载工作时，如果平波电抗器的电感量不太大，就会出现电流断续的情况。

当电枢电流断续时，晶闸管调速系统的机械特性和电流连续相比有明显的差别，其动态性能也发生两项重要变化。

（a）由于电流断续时整流装置外特性变陡，其等效内阻大大增加，因此，使电流环调节对象总放大倍数下降。

（b）当电流断续时，由于电枢回路电磁时间常数TD存在，从整流电压UDO的突变到平均电枢电流ID响应不可能瞬间完成，而是按指数规律逐渐变到稳态值。

当电流断续时情况不同，由于电感对电流的延缓作用已在一个波头结束，平均电压突变后，下一个波头的平均电流便也立即随电压变化。

考虑到上述两项变化，平均整流电压与平均整流电流间的传递函数由连续的

变成断续时的

，其中R，是断续时电枢回路的等效电阻，如果电流调节器已按连续情况设计好了，其传递函数为

为了使系统在电流断续时具有同样的动态性能，只有让调节器结构和参数也随着调节对象传递函数变更而改变才行，假设电流环其他部分传递函数没有变化则电流断续时电流调节器的传递函数

应满足下列关系：

考虑到电流连续时通常选择TD=τ1,则有

由此可见,电流断续时要求电流调节器是一个积分环节,因而电流断续时要改变电流调节器的结构,使它和电流连续时相适应,使其动态性能基本和电流连续时相同,这就称为电流自适应控制。

若用计算机软件来实现电流自适应控制，只要判断主回路电流是否连续即可，若电流连续就按PI算法，若电流断续就按I算法。

按积分算法其差分方程为

Cn=Cn-1+K3en-1

设II单元放电流反馈值；IO单元放电流断续临界值，则其程序框图如图4-4所示。

图4-4电流自适应程序框图

4.4.2速度环中断服务程序的设计

测速软件包括捕捉中断服务子程序（如图4-5所示）和测速时间中断服务子程序（如图4-6所示）构成，转速调节中断服务子程序中进行到“测速允许”时，开放捕捉中断，但只有到旋转编码器脉冲前沿到达时，进入