转速电流双闭环直流调速系统的设计.docx

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转速电流双闭环直流调速系统的设计

摘要

本文实现了转速电流双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确直观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可方便的设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其多系统性能的影响，取得了很好的效果。

但怎样处理好转速控制和电流控制之间的关系呢？

经过反复研究和实践，终于发现，如果在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串联连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，那么这两种调节作用就能互相配合，相辅相成了。

本文利用MATLAB软件中的simulink组件对直流双闭环调速系统进行仿真，结果表明，应用MATLAB进行系统仿真具有方便，高效及可靠性高等优点。

关键词：

双闭环直流调速系统，晶闸管，直流电动机，MATLAB，仿真

Abstract

Thispaperpresentsthespeed-currentdoubleclosed-loopDCspeedcontrolsystemdesign,experimentalresultscanbeaccuratevisualobservationofspeed-currentdoubleclosed-loopspeedcontrolsystemstartupprocesscanbedesignedtofacilitatetheregulationofthevariousparametersandcontrolstrategiesandtoanalyzetheirmulti-systemperformanceandachievedgoodresults.Buthowtohandlethespeedcontrolandcurrentcontrolbetweentherelationship?

Afterrepeatedstudyandpractice,andfinallyfoundthatifinthesystemsetuptworegulators,respectively,regulatespeedandcurrentinseriesconnectionbetweenthepractice,thatis,theoutputofspeedregulatorastheinputcurrentregulatorACR,andthencurrentregulator'soutputasthecontrolvoltagethyristortriggeringdevice,thentheregulatoryroleofthesetwowillbeabletocomplementoneanotherby.

Inthispaper,MATLABsoftwarecomponentsofthesimulinkpairsofclosed-loopspeedcontrolsystemoftheDCsimulationresultsshowthattheapplicationofMATLABforsystemsimulationisconvenient,efficientandhighreliability.

Keywords:

Double-LoopDCMotorControlsystems,thyristor,DCmotors,MATLAB,simulation

目录

前言...................................................1

第一章系统硬件电路设计.................................

1.1系统总体设计.....................................

1.1.1系统方案选择与总体结构设计...................

1.1.2双闭环直流调速系统电路原理...................

1.1.3双闭环直流调速系统动态数学模型.................

1.1.48051单片机简介..............................

1.2主电路的设计及参数计算............................

1.2.1PWM信号发生电路设计........................

1.2.2转速检测电路设计.............................

1.2.3直流电流检测电路设计.........................

1.2.4A/D转换及芯片选择..........................

第二章系统软件程序设计.................................

2.1主程序设计.......................................

2.2PI控制子程序设计.................................

2.3A/D转换程序......................................

2.4故障保护程序设计..................................

第三章系统MATLAB仿真.................................

3.1系统的建模与参数设置..............................

3.1.1直流电动机的数学模型.........................

3.1.2转速电流双闭环调速系统的数学模型.............

3.1.3建立仿真模型.................................

结论.....................................................

参考文献................................................

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

1.1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）。

1、系统控制对象的确定

本次设计选用直流电动机的额定参数直流电动机的额定参数PN=15kW、UN=440V、IN=39.3A、nN=1510r/min，电流过载倍数λ=1.5。

电枢回路总电阻为R=Ra+Rrec=0.806Ω，系统机电时间常数Tm=0.76s，电磁时间常数Tl=0.0167s，电动势系数Ce=0.270V*min/r。

2、电动机供电方案选择

变电压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，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

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。

用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又称V-M系电压。

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，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。

3、晶体管PWM功率放大器方案选择

方案一单极性控制方式，这种控制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：

另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。

方案二双极性调制方式的特点是4个功率管都工作在较高频率（载波频率），

双极性控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点：

电流一定连续；可使电机在四象限运行；电机停止时有微振电流，可以消除静摩擦死区；低速平稳性好，系统的调速范围可达1：

20000左右；低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于器件的可靠导。

本设计选用双极性控制的桥式可逆PWM变换器。

1.1.2双闭环直流调速系统电路原理

随着调速系统的不断发展和应用，传统的采用PI调节器的单闭环调速系统既能实现转速的无静差调节，又能较快的动态响应只能满足一般生产机械的调速要求。

图1－1.1为转速、电流双闭环直流调速系统的原理图。

图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。

电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。

两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅什Uim决定了电流调节器ACR的给定电压最大值Uim，对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角α。

图1-1.1双闭环直流调速系统电路原理图

1.1.3双闭环直流调速系统动态数学模型

双闭环直流调速系统动态结构图如图1-1.2所示。

图中

和

分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

如果采用PI调节器，则有

（1-1）

（1-2）

为了引出电流反馈，在电动机的动态框图中必须把电枢电流

显露出来。

图1-1.2双闭环直流调速系统动态结构图

1.1.48051单片机简介

本系统要求微型计算机完成电流环、速度环和位置环的控制算法运算以及相应的反馈信号数字化测量和采样,接收和处理上位微型计算机送给伺服系统的指令,采集伺服系统的有关信息并反馈到上位微型计算机等。

其中,电流环控制要求微型计算机有很快的响应速度,其采样频率比较高。

另外,为了保证足够的控制精度和运算速度,对微型计算机字长和指令功能也有更高的要求。

本系统选用我们比较熟悉的8051作为微型计算机。

1、8051单片机的基本组成

8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。

其基本组成如下图所示：

图1-1.38051单片机基本组成

2、CPU及8个部件的作用功能介绍如下

中央处理器CPU：

它是单片机的核心，完成运算和控制功能。

内部数据存储器：

8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。

特殊功能寄存器：

是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器

内部程序存储器：

8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。

并行I/O口：

8051芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入输出。

定时器：

8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。

中断控制系统：

该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。

振荡电路：

它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。

系统允许的最高晶振频率为12MHz。

1.2主电路的设计及参数计算

由于给定直流电动机的额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相降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Δ/Y联结。

1.2.1PWM信号发生电路设计

1.PWM信号发生电路设计

图1-2.1PWM信号发生电路

PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。

当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。

在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。

两片数值比较器4585，即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2—Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。

只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。

12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。

计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2—Q9加1，当计数值小于或者等于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端为高电平。

随着计数值的增加，Q2—Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（A>B）输出端又变为低电平，这样就在U2的（A>B）端得到了PWM的信号，它的占空比为（255-X/255）*100%，那么只要改变X的数值，就可以相应的改变PWM信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。

使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。

由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”，使用数值比较器4585的B组与P1端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。

2.PWM发生电路主要芯片的工作原理

（1）芯片4585

a.芯片4585的用途：

对于A和B两组4位并行数值进行比较，来判断它们之间的大小是否相等。

b.芯片4585的功能表：

输入

输出

比较

级取

A3、B3

A2、B2

A1、B1

A0、B0

A

A=B

A>B

A

A=B

A>B

A3>B3

*

*

*

*

*

1

0

0

1

A3=B3

A2>B2

*

*

*

*

1

0

0

1

A3=B3

A2=B2

A1>B1

*

*

*

1

0

0

1

A3=B3

A2=B2

A1=B1

A0>B0

*

*

1

0

0

1

A3=B3

A2=B2

A1=B1

A0=B0

0

0

1

0

0

1

A3=B3

A2=B2

A1=B1

A0=B0

0

1

0

0

1

0

A3=B3

A2=B2

A1=B1

A0

1

0

0

1

0

0

A3=B3

A2=B2

A1

*

*

*

*

1

0

0

A3=B3

A2

*

*

*

*

*

1

0

0

A3

*

*

*

*

*

*

1

0

0

c.芯片4585的引脚图：

图1-2.24585的引脚图

（1）芯片4040

芯片4040是一个12位的二进制串行计数器，所有计数器位为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数。

当CR为高电平时，它对计数器进行清零，由于在时钟输入端使用施密特触发器，故对脉冲上升和下降时间没有限制，所有的输入和输出均经过缓冲。

a.芯片4040功能表：

输入

输出

CP

CR

↑

↓

*

L

L

H

保持

计数

所有输出端均为L

b.芯片4040的引脚图：

图1-2.34040的引脚图

1.2.2转速检测电路设计

转速的测量使用编码盘。

光电式旋转编码器在数字测速中常用作为转速或转角的检测元件。

由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。

本系统选用M法测速。

1.旋转编码器的原理及选择

电编码器来采样转速信号。

增量式编码器是专门用来测量转动角位移的累计量。

图1-2.4增量式光电编码盘结构及信号输出

这里以三相编码器为例介绍增量式编码器的工作原理及其结构。

增量式光电编码器在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条。

在圆盘两侧放发光元件和光敏元件。

当圆盘随电机旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲。

码盘上有相标志，每转一圈Z相输出一个脉冲。

此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号，如图1-2.4所示。

转速及转向信号处理：

将A、B两相脉冲中任何一相输入计数器中均可使计数器进行计数。

编码盘输出的Z相脉冲用于复位计数器，每转一圈复位一次计数器；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两相输出信号分别接到D触发器的时钟端和D输入端，D触发器的CLK端在A相脉冲的上升沿触发。

由于A、B两相的脉冲相位相差90°，当电机正转时（假设B相脉冲超前时为正转，反之为反转），B相脉冲超前A相脉冲90°，触发器总是在B脉冲为高电平时触发，这时D触发器的输出端Q输出为高电平。

如图1-2.5所示。

当电机反转时，A相脉冲超前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。

图1-2.5电机运转方向判别

2.M法测速的实现

在系统中，使用单片机的T/C0和T/C1分别记数高频时钟脉冲个数

和同时间内旋转编码器输出的脉冲个数

。

由于T/C0还要给8279给定时钟信号，因此工作于计数器方式，时钟信号为单片机时钟的1/2分频即4MHZ，定时器初值设为80H。

T/C0溢出中断后，记录T/C1的数值

，并将单片机PB0清零，延时5个时钟之后，置位PB0口后重新开始记数，再次溢出中断时：

如果测速容许，再次记录T/C1的数值

，否则将单片机PB0清零，延时之后置位PB0口，重新记数。

这样循环，T/C0完成了记数高频时钟脉冲个数

和8279脉冲信号的输出。

那么，电动机的转速为：

式中，高频时钟频率

=4×

HZ；

旋转编码器的光栅数P=1024；

=64.

1.2.3直流电流检测电路设计

1.直流电流检测电路

图1-2.6直流电流检测电路

2.直流电流检测电路主要芯片的工作原理

（1）UGN-3501M:

集成霍尔传感器

UGN-3501M原理图

（2）AD522集成模数转换器

1.2.4A/D转换及芯片选择

1.芯片ADC0809介绍

ADC0809是8位、逐次比较式A/D转换芯片，具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一的+5V电源，其模拟量输入电压的范围为0V---+5V，其对应的数字量输出为00H---FFH，转换时间为100μs，无须调零或者调整满量程。

2.ADC0809的引脚及其功能

ADC0809有28个引脚，其中IN0---IN7接8路模拟量输入。

ALE是地址锁存允许，

、

接基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电电源就可以作为基准电源。

START是芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿起动一次新的A/D转换。

EOC是转换结束信号，可以用于向单片机申请中断或者供单片机查询。

OE是输出允许端。

CLK是时钟端。

DB0---DB7是数字量的输出。

ADDA、ADDB、ADDC接地址线用以选定8路输入中的一路，详见下图。

ADDC

ADDB

ADDA

选通输入通道

0

0

0

IN0

0

0

1

IN1

0

1

0

IN2

0

1

1

IN3

1

0

0

IN4

1

0

1

IN5

1

1

0

IN6

1

1

1

IN7

图1-2.7ADC0809引脚图及功能表

第二章系统软件程序设计

数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。

单片机数字控制双闭环直流调速系统的软件有主程序、初始化子程序、中断服务子程序等。

2.1主程序设计

主程序流程图如图2-1.1所示。

在主程序中，主要完成对各个可编程芯片进行初始化和键盘参数设置的处理。

键盘参数设置的处理主程序中的重要部分，这部分程序设计采用程序的模块化，有效的解决了复杂的多重分支问题。

启动功能键按下时，系统开始启动采样定时并进入实时控制阶段，每次中断返回时若有复位键和新的参数设置键按下则返回键处理程序。

图2-1.1主程序的流程图图2-1.2初始化子程序流程图

如图2-1.2，系统初始化包括中断始化、各存储单元赋初值、键盘显示器的各数据程序表赋常数、各种限定值装入数据存储器、设定堆栈指针、给主程序标志寄存器送初始值、控制器设定初值等。

主程序：

0000AJMPSTART

START：

CLRPSW.4

CLRPSW.3；选中工作寄存器0组

CLRC

MOVR0，4FH

MOVA，30H

CLEAR1：

CLRA

INCA

DJNZR0，CLEAR1；清零30-7FH

SETBTR0；定时器/计数器0工作

MOVTMODE，#01H；定时器/计数器工作在方式1

SETBEA；总中断开放

SETBIT0；置INTO为降沿触发

SETBIT1；置INT1为降沿触发

LJMPMAIN

LJMPCTCO

LCALLSAMPLE

Fosc=12MHZ，用一个定时器/计数器定时50ms，用R2作计数器，置初值14H，到定时时间后产生中断，每执行一次中断服务程序，让计数器内容减1，当计数器内容减为0时，则到1s。

2.2PI控制子程序设计

为了安全起见，系统对转速调