基于单片机控制直流电机调速系统设计论文论文.docx
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基于单片机控制直流电机调速系统设计论文论文
摘要
近年来由于微型机的快速发展，国外交直流系统数字化已经达到实用阶段。
由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响。
其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。
所以微机数字控制系统在各个方面的性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛。
本文介绍的是用一台26KW的直流电动机，8051单片机构成的数字化直流调速系统。
特点是用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件设备。
最后进行软件编程、调试以及计算机仿真。
实时控制结果表明，本数字化直流调速系统实现了电流和转速双闭环的恒速调节，并具有结构简单，控制精度高，成本低，易推广等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，从而能够实际的应用到生产生活中，满足现代化生产的需要。
关键词：
单片机双闭环直流调速系统数字方式
3.1.4外部中断源………………………………………………………….9
3.1.5定时器/计数器…………………………………………………….11
3.2.1程序存储器的扩展………………………………………………..13
3.2.4模拟量与数字量的转换………………………………………….24
3.2.5采样和保持………………………………………………………..28
第四章PID的控制算法………………………………….32
第五章直流调速系统的主电路设计…………………...36
第七章系统的抗干扰技术………………………………46
第八章直流调速系统的保护……………………………49
总结……………………………………………………….51
辞谢……………………………………………………….53
参考文献………………………………………………….
第2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3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。
3.1.2一次、二次相电流I1、I2的计算
由表查得KI1=0.816,KI2=0.816
考虑变压器励磁电流得：
3.1.3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直流调速系统的保护
晶闸管有换相方便，无噪音的优点。
设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。
正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。
3.3.1过电压保护
以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。
1）交流侧过电压保护
错误！
未指定书签。
阻容保护即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。
对于三相电路，Ｒ和Ｃ的值可按下表换算。
变压器接法
单相
三相、二次Ｙ联结
三相二次Ｄ联结
阻容装置接法
与变压器二次侧并联
Y联结
D联结
Y联结
D联结
电容
Ｃ
Ｃ
1/3C
3C
C
电阻
Ｒ
Ｒ
3R
1/3R
R
本系统采用D-Y连接。
S=1.9299KVA，U2=120V
Iem取值：
当S=1~10KVA时，对应的Iem=4~1，所以Iem取3。
C≥
×6IemS/U22=
×6×3×34×103/1202=14.17µF
耐压≥1.5Um=1.5×120×
=254.6V
选取20µF的铝电解电容器。
选取：
S=1~10KVA，
=1~5，所以
=3
R≥
×2.3U22/S
=
×2.3×1202/1.9299×103
=9.37Ω
IC=2πfCUC×10-6=2π×50×40×10-6×120×10-6=1.5×10-6A
PR≥（3-4）IC2R=（3-4）×（1.5×10-6）2×9.37=（6.33-8.43）×10-13W
选取电阻为ZB1-10的电阻。
压敏电阻的计算
U1MA=1.3
U=1.3×
×120=220.6V
流通量取5KVA。
选MY31-220/5型压敏电阻。
允许偏差+10％（242V）。
2）直流侧过电压保护
直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。
但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成
加大。
因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。
U1MA=（1.8-2.2）UDC=（1.8-2.2）×230=414-460V
选MY31-440/5型压敏电阻。
允许偏差+10％（484V）。
3）闸管及整流二极管两端的过电压保护
查下表：
阻容保护的数值一般根据经验选定
晶闸管额定电流/μA
10
20
50
100
200
500
1000
电容/μF
0.1
0.15
0.2
0.25
0.5
1
2
电阻/Ω
100
80
40
20
10
5
2
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