基于51单片机的直流双闭环调速系统.docx
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基于51单片机的直流双闭环调速系统
基于51单片机的直流双闭环调速系统
第一
章系
统
硬件电路的
设
计
5
1.1
系统
方
案选择与总体
设
计
•…5
1.2
系
统
控制对象的
确
疋
………5
1.3
双闭环
直
流调速系统电路
原
理
6
1.4
双闭环直
流
调速系统动态数学
模
型
6
1.5
数字控制双闭
环直流调速系统方
框
图
7
1.6
数字式双闭
环
直流调速系统硬件结
构
图
8
1.78051单片机简介9
1.8系统各单元方案选择10
2.1主电路设计与参数计算10
1.2.1
整
流
变
压
器
的
计
算
与
设
计………
10
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
与
计
算………
11
1.2.6
快
速
熔
断
器
的
选
择
与
计
算………
11
第三节
调节器的选择与计算…
12
1.3.1
确
疋
电
流
调
节
器
时
间
常
数………
12
1.3.2
电
流
调节
器
结
构
的
选
择………
…12
1.3.3
电
流
调
节
器
参
数
计
算………
13
1.3.4
确
疋
转
速
调
节
器
时
间
常
数………
13
1.3.5
转
速
调节
器
结
构
的
选
择13
1.3.6转速调节器参数计
算14
第四节PWM信号发生电计14
1.4.1
PWM的基本原理………………………………………
…………………14
1.4.2
PWM
信号发生电路设计…………
15
1.4.3
PWM
发生电路主要芯片工作原理
16
第五节
功率驱
动模
块及
光耦隔
离设
计•…
17
1.5.1
功
率
驱
动
模
块……
17
1.5.2
光
电
耦
合
隔
离……
18
第六节A/D转换及芯片选择19
1.6.1芯片ADC080阶绍19
23
1.6.2ADC0809引脚及其功能表
第七节测速环节设计
1.7.1旋转编码器的原理及
择20
1.7.2M法测速的实现
第八节键盘显示单元
第二章系统软件程序的设计第一节主程序设计
第二节PI控制子程序设计24
第三节M法数字测速程序26
第四节故障保护程序设
计28
第二章系统MATLA仿真32
第一节系统建模与参数设置32
3.1.1直流电机的数学模
型32
3.1.2转速电流双闭环调速系统的数学模型32
3.1.3建立仿真模型33
第二节仿真结
果33
结论35
结束语36
参考文献37
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ACM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^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MATLABJ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,MATLA,B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
、八、亠
前言
在现代电子产品中,自动控制系统,电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面,直流电机都得到了广泛的应用。
大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等,都不能缺少直流电机。
所以直流电机的控制是一门很实用的技术。
直流电机,大体上可分为四类:
几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、两相低电压交流电机
直流电机具有良好的启动性能和调速特性,它的特点是启动转矩大,最大转矩大,能在宽广的范围内平滑、经济地调速,转速控制容易,调速后效率很高。
与交流调速相比,直流电机结构复杂,生产成本高,维护工作量大。
随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟,使得矢量控制变频技术获得迅猛发展,从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置,并在工业上得到广泛应用。
适用范围:
直流调速器在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医疗设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。
高性能的交流传动应用比重逐年上升,在工业部门中,用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。
尽管如此,我认为设计一个直流电机调速系统,不论是从学习还是实践的角度,对一名电子信息工程专业的大学生都会产生积极地作用,有利于提高学习热情。
第一章系统硬件电路的设计
1.1系统方案选择与总体结构设计
本系统利用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。
本系统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。
1.2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=2.2kW、
Un=220V、In=仃A、nN=1480r/min,电动势系数Ce=0.136V/min/r。
他励电压:
220V。
1.3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。
为了提高生产率,要求尽量缩短起动、制动、反转过渡过程的时间,最好的办法是在过渡过程中始终保持电流(即动态转矩)为允许的最大值,使系统尽最大可能加速起动,达到稳态转速后,又让电流立即降低,进入转矩与负载相平衡的稳态运行。
要实现上述要求,其唯一的途径就是采用电流负反馈控制方法,即采用速度、电流双闭环的调速系统来实现。
在电流控制回路中设置一个调节器,专门用于调节电流量,从而在调速系统中设置了转速和电流两个调节器,形成转速、电流双闭环调速控制。
双闭环调速控制系统中采用了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实现串级连接。
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,ASM输出限幅什Uim决定了电流调节器ACF的给定电压最大值Uim,对就电机的最大电流;电流调节器ACR俞出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值,限最小触发角a
图1-1.1双闭环直流调速系统电路原理图
1.4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Wasr(S)和WACR(s)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
Wacr(S)=K^^—
1.5数字控制双闭环直流调速系统方框图
根据设计要求,本系统设计为全数字式控制方式,因此要求微型计算机完成:
电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算,以及与它们相应的反馈信号的采样和数字信号处理。
本系统采用霍尔元件作为检测电动机电枢电流的传感器,其电流容量为
50A,转换比例为1000:
1。
霍尔元件检测得到的弱电流信号经转换、滤波、放大后,变成与电枢电流成比例的0~5V的直流电压信号,再经A/D转换电路,将模拟电压转换成数字量,输入微型计算机。
本系统选用光电脉冲信号发生器作为速度反馈的测量元件,光电脉冲信号发生器将电动机转子的角位移量转换成脉冲序列通过计数器定时计数即可得到电动机转速的数字式反馈量。
本系统由微型计算机来实现整个系统的控制,用全数字方式来取代传统的模拟控制方式,不仅提高了系统的可靠性、灵活性,而且还为整个系统的多功能、智能化提供了必要条件。
1.6数字式双闭环直流调速系统硬件结构图
数字式双闭环直流调速系统硬件结构图如图1-1.4所示
1.78051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。
1.7.18051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1-1.58051单片机基本组成
1.7.2CPU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通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元,简称内部RAM
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,是一个特殊功能的RAM区,位于内部RAM的高128个单元,
其地址为80H—FFH
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。
串行口:
它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。
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。
系统允许的最咼晶振频率为12MHz
1.7.38051单片机引脚图
P1.0—
P1.1——
1
2
8051
40
39
—VCC
——F0.0
P1.2—
?
3B
——P01
P13—
4
37
——F0.2
F1.4-
5
36
——f0.3
F15—
6
35
—P0,4
P1.6—
T
34
—F0.5
P17—
8
33
—P0.6
RST/VTB—
9
32
—F07
EJD/F3.0—
10
31
一EA/VPF
TXD/F3,1—
11
30
INT0/F32—
12
29
—PSEH
IMT1/F33—
13
28
—F27
T0/F34—
14
27
——F2.&
Tl/F3,5—
:
!
5
26
——P25
WP3.6—
16
25
—P2.4
KE/F3.7
17
24
—P2.3
ITAL2—
16
23
—F2.2
XTAL1
19
22
F2.1
V5S—
20
E1
—F2.0
1-1.68051单片机引脚图
1.8系统各单元方案选择
1.8.1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。
与V—M系统相比,PWM系统在很多方面有较大的优越性:
一、主电路线路简单,需要的功率器件少;
二、开端频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗及发热都较小:
三、低速性能好,稳速精度该,调速范围宽,可达1:
10000左右;
四、若与快速响应的电动机配合,则系统频带宽,动态响应快,动态抗扰能力强;
五、功率开关器件工作在开关状态,道通损耗小,当开关频率适当时,开关损耗也不大,因而装置效率高;
六、直流电源采用不控整流时,电网功率因数比相控整流高。
本设计应脉宽调速要求,采用直流PW碉速系统。
1.8.2晶体管PWM功率放大器方案选择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换器有以下优点:
1)电流一定连续;
2)可使电机在四象限运行;
3)电机停止时有微振电流,可以消除静摩擦死区;
4)低速平稳性好,系统的调速范围可达1:
20000左右;
5)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。
故本设计选用双极性控制的桥式可逆PWM换器。
2.1主电路的设计及参数计算
3.1.1确定时间常数
1整流滞后时间常数Ts。
经查表,三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s
2电流滤波时间常数Toi。
三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本滤
平波头,应有(1—2)Toi=3.33ms,因此取匚=2ms=0.002ms
3电流环小时间常数之和T、.j。
按小时间常数近似处理,取
T=j=Toi+Ts=0.0037s。
3.1.2选择调节器结构
根据设计要求匚<=10%,并保证稳态电流无差,可按典型I型系统设计电流调节器。
电流环控制对象是双惯性型的,因此可用PI型电流调节器,其传递函数为Ki(is1)
•iS
Ki—电流调节器的比例系数;
i=R1C—电流调节器的超前时间常数。
检查对电源电压的抗扰性能:
Ti/Tx=0.03/0.0037=8.11,参考典型I型系统动
态抗扰性能,各项指标都是可以接受的。
3.1.3计算电流调节器参数:
电流调节器超前时间常数:
^Tl=0.03s电流环开环增益:
要求「辽10%时,
KiT
查表,取
u=0.5因此K|=0.5/Tu=0.5/0.0037s'=135.1s,
于是,ACR的比例系数为
3.1.4校验近似条件
电流环截止频率:
-■c^KI=135.1s‘
1校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件
11
-'cis4196.1s4
3Ts30.0017
满足近似条件。
2校验忽略反电动势变化对电流环动态影像的条件
⑷ci兰3〕^^=3汉丿1s」托40.82s」
TmTl'0.180.03
满足近似条件
3校验电流环小时间常数近似处理条件:
3\0.00170.002S':
180.8苏1
满足近似条件
(b)
Un*(S)
ax—x
KN(tnS+1)
n(s)
i.
2
s(Tsns+1)
(c)
图6转速环的动态结构图及其简化
3.2.1确定时间常数
1电流环等效时间常数丄。
前面已取KI\i=0.5,贝U
Ki〔
12Tx=20.0037s=0.0074s
Kii
2转速滤波时间常数Ton。
根据所用测速发电机纹波情况,取Ton=0.01S
3转速环小时间常数Kn。
按小时间常数近似处理,取
1
T、.nJ=0.0074s0.01s=0.0174s
Ki
3.2.2选择调节器结构
按照设计要求,选用PI调节器,其传递函数为
WASR(s)
ns
Kn—转速调节器的比例系数;
n—转速调节器的超前时间常数
3.2.3计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则,取h=5,则ASR的超前时间常数为
n二hT\n=50.0174s=0.087s
可求得转速环开环增益
6-2-2
22s:
396.4s
250.0174
于是,可求得ASR的比例系数为
Kn川1)560.050.1320.18,11.7
2h:
RTn250.0070.50.0174
324验近似条件
K
计算转速环截止频率:
「cnN=KN・n=396.40.087sj:
34.5sJ
①电流环传递函数简化条件:
②转速环小时间常数近似处理条件
3.2.5转速超调量的计算
设理想空载起动时z=0,已知Pn=2.8kw,Un=220VIn=17.3A,Nn=1780r/min,Ce=0.136v/min/r他励电压:
220V晶闸管的放大倍数:
Ks=40
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