双闭环直流电动机数字调速系统设计.docx

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自动化与电子工程学院计算机控制技术课程设计报告

课程名称：

双闭环直流电动机数字调速系统设计学院：

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评阅教师日期

计算机控制技术课程设计任务书

题目：

双闭环直流电动机数字调速系统设计

主要技术数据和设计要求

主要技术数据：

直流电动机（对象）的主要技术参数如下：

直流电动机Z2-41型Ped=3kWUed=220vIed=17.3ned=1500r/min

电枢回路总电阻R=2.50欧姆

电动机回路电磁时间常数TL=0.017s

电动机机电时间常数TM=0.076s

电动机电势常数Ce=0.1352V/r·min）

晶闸管装置放大倍数Ks=30

品闸管整流电路滞后时间Ts=0.0017s

主要技术指标：

速度调节范围0-1500r/min，速度控制精度0.1%（额定转速时），电流过载倍数为1.5倍。

主要要求：

直流电动机的控制电源采用PWM控制方式，应采用专用PWM控制集成电路，在其输入电压为0-5伏时可以输出0-264伏电压，为电机提供最大25安培输出电流。

不考虑电源的滞后时间。

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个脉冲的角度分辨率和方向信号。

电流传感器采用霍尔电流传感器，其原副边电流比为1000：

1，额定电流为50安培。

采用双闭环环（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制。

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端口等）；

3.设计键盘、显示接口电路

4.设计输入输出通道（速度反馈、电流反馈电路、输出驱动电路等）；

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；

2．编写数字调节器软件模块；

3．编写A/D转换器处理程序模块；

五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图。

目录

第一章系统硬件电路设计 5

第一节系统总体设计 5

1.1 系统方案选择与总体结构设计 5

1.1.2双闭环直流调速系统电路原理 6

1.1.3双闭环直流调速系统动态数学模型 7

1.1.4数字控制双闭环直流调速系统方框图 8

1.1.5数字式双闭环直流调速系统硬件结构图 8

1.1.6单片机简介 9

第二节主电路的设计及参数计算 11

1.2.1整流变压器的计算与设计 11

1.2.2开关器件IGBT参数计算与选择 11

1.2.3电阻、电容的选择 11

1.2.4整流功率二极管的选择 11

1.2.5平波电抗器的选择及计算 12

1.2.6快速熔断器的选择及计算 12

第三节调节器的选择与计算 13

1.3.1确定电流调节器时间常数 13

1.3.2电流调节器结构的选择 13

1.3.3电流调节器参数计算 13

1.3.4确定转速调节器时间常数 14

1.3.5转速调节器结构的选择 14

1.3.6转速调节器参数计算 14

第四节PWM信号发生电路设计 15

1.4.1PWM控制器设计 15

1.4.2驱动电路设计 18

1.4.3转速检测电路设计 18

1.4.5A/D转化及芯片选择 21

1.4.6键盘显示单元 22

1.4.7泵生限制电路设计 24

1.4.8制动控制单元设计 25

1.4.9泵升电压控制电路 26

1.4.10故障检测电路设计 27

第二章系统软件程序设计 29

第一节主程序设计 29

2.1.1程序流程图 29

2.1.2主程序 30

第二节中断子程序流程图 31

第三节PI控制子程序设计 31

第四节PWM程序设计 33

第五节M法数字测速及动态LED显示程序设计 34

2.5.1电机测速计程序 35

第六节A/D转换程序 39

第七节故障保护程序设计 40

2.7.1故障保护程序：

40

2.7.2故障流程图 42

第三章系统MATLAB仿真 43

第一节系统的建模与参数设置 43

3.1.1直流电动机的数学模型 43

3.1.2转速电流双闭环调速系统的数学模型 43

3.1.3建立仿真模型 44

第二节仿真结果 45

3.2.1仿真波形 45

结论 46

摘要

本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。

文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。

此外，本文中还采用了芯片IR2112S作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块来完成了在主电路中对直流电机的控制。

另外，本系统中使用了光电编码器对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。

在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，单片机产生PWM波形的程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现，M法数字测速及动态LED显示程序设计，A/D转换程序及动态扫描LED显示程序和故障检测程序及流程图。

关键词：

PWM信号直流调速双闭环PI调节

Abstract

ThispapermainlystudiedtheuseofMCS-51seriesmicrocontrollercontrolPWMsignaltocontroldcmotorspeedsoastorealizethemethod.ArticleUSESaspecialchipismadeupofaPWMsignalgenerationsystem,andinthispaper,theprincipleofthePWMsignalgenerationmethodandhowtothroughthesoftwareprogrammingofthePWMsignaldutycycletoregulate,tocontroltheinputsignalwaveform,etcareexplainedindetail.Inaddition,thisarticleadoptsthechipIR2112Sasisadcmotorspeedpoweramplificationcircuitdrivermoduletocompletethecontrolofdcmotorinmaincircuit.Inaddition,thissystemUSESphotoelectricencodertomeasuretherotationspeedofdcmotor,afterfiltercircuit,themeasuredvaluetotheA/Dconverter,andultimatelyfeedbackasinputtotheMCUPIarithmetic,soastorealizethecontrolofthedcmotorspeed.Intermsofsoftware,thearticleintroducesindetailPIalgorithm,singlechipmicrocomputertoproducePWMwaveformprocedures,initializationprogramwritingideasandspecificprogramimplementation,suchasMmethoddigitalspeedmeasuringanddynamicLEDdisplayprogramdesign,A/DconversionprogramanddynamicscanningLEDdisplayprogramandthefaultdetectionprocedureandflowchart.

前言

本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

PWM控制技术就是以该结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。

到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。

PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。

文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。

利用编码器测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。

第一章系统硬件电路设计

第一节系统总体设计

1.1.1系统方案选择与总体结构设计

调速方案的优劣直接关系到系统调速的质量。

根据电机的型号及参数选择最优方案，以确保系统能够正常，稳定地运行。

本系统采用直流双闭环调速系统，使系统达到稳态无静差，调速范围0-1500r/min,电流过载倍数为1.5倍，速度控制精度为0.1%（额定转速时）。

主要技术数据和设计要求

1.系统控制对象的确定

主要技术数据：

直流电动机（对象）的主要技术参数如下：

直流电机型号：

Z2-41型Ped=3kWUed=220VIed=17.3Aned=1500r/min

电枢回路总电阻R=2.50Ω

电动机回路电磁时间常数TL=0.017s

电动机机电时间常数 TM=0.076s

电动机电势常数 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