毕业设计25采用智能控制策略的单片机直流调速系统.docx

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毕业设计25采用智能控制策略的单片机直流调速系统

第一章直流电机可逆调速控制的要求

在工业，农业，交通运输和国防上，广泛应用电动机来拖动工作机械，较先进的工作机械和生产工艺，普遍要求对电动机的转速实行自动控制。

晶闸管元件的出现，开辟了自动调速系统的新纪元，晶闸管自动调速系统具有效率高，体积小，寿命长反应快，控制特性好，消耗钢铁材料少等显著优点，因而获得了强大的生命里，随着电子计算机和微处理机的推广应用又出现了由计算机或微处理机控制的自动调速系统。

晶体管直流调速系统具有调速比大，精度高，动态性能好，效率高，易控制等优点。

目前已比较成熟。

本设计课题-----采用智能控制策略利用单片机控制直流电动机是实现电动机调速的一种方法，由于要求实现直流电动机的正反转，且要求调速系统的性能要高。

我们决定采用逻辑控制的无环流可逆系统。

这是因为双闭环调速系统有①具有良好的静特性（接近理想的“挖土机特性”）②具有良好的动态特性，启动时间短（动态响应快，超调量小）③系统抗干扰能力强，电流环能较好的克服电网电压波动的影响，并最后消除转速偏差④由两个调节器分别调节电流和转速，这样可以分别进行设计，分别调整，调整方便等特点。

所以我们选择采用双闭环调速系统。

由于在可逆系统中环流会消耗功率加重晶闸管和变压器的负担。

并使功率因数变差，因此我们采用逻辑控制的无环流可逆调速系统其系统原理图如下所示：

逻辑控制无环流可逆系统原理图

DLC-----无环流系统控制器

图中DLC是必须加入的。

它的作用就是送出两个控制信号Uc1和Uc2分别送往正，反两组触发电路的“脉冲封锁”控制端。

这两个控制信号的特点是：

当其中是“1”信号是，则另外一个必定是“0”封锁信号于是在其中一组在工作时，另一组触发脉冲即被封锁。

从而保证了在正反两组晶闸管整流装置中只可能有一组进行工作，不会产生环流。

逻辑无环流可逆系统的优点是：

不需要环流电抗器，没有附加的环流损失。

节省变压器和晶闸管整流装置的容量因为换流而造成的事故率比有环流系统低，可靠性高。

为满足以上这些直流电动机可逆调速系统要求。

以后几个章节着重讨论采用微机的实现过程即它的控制回路。

这也是本次设计的主要思想，对主回路及其他附属部分只简单的论述！

第二章主回路

一.三相可控整流电路的选择

当整流容量较大或要求直流电压的脉动要求小，易滤波或要求快速控制时应采用对电网来说是平衡的三相零式电路结构简单，控制容易但是电路输出的电压不高脉动又比较大，使用功率有限，对于电压较高容量比较大，或者性能要求高的装置，多采用三相桥式全控整流电路

二．系统主电路参数计算和保护

系统主电路参数计算包括整流变压器，晶闸管元件，电抗器和各种保护装置的计算和选择。

⑴主电路装置的计算与确定

1整流变压器参数计算

三相380V电源经空气开关送至三相变压器IB（采用整流变压器主要是为了使整形输出电压与工作电压相适应）为了减少高次谐波对电网的不良影响，变压器采用△/Y接法（整流变压器接成△/Y可以有效地抑制晶闸管整流时产生的奇次谐波对电网的不良影响，此外还对三相交流电压起隔离作用有利于人身安全，若直接接电网后，整流输出电压能符合电机要求也可以改为采用在进线处串接交流电抗器来抑制整流谐波对电网的影响）避免在变压器每一相绕组中产生尖顶波电动势，这个电动势有时将超过正常值时的50%对变压器绝缘不利。

在本次系统中我们采用△/Y-11。

整流变压器二次相电压U2的计算如下：

U2=（Udmax+RIa+n△Uvt）/（Aε（Cosαmin-Cdk×I2/I2H.））

在要求不太精确的情况下U2可以简化为U2=（1.2∽1.5）×Udmax

Udmax为变流装置的最大整流输出电压A为α=0是Ud与U2之比通过查表知道A=2.34

∴U2=（1.2∽1.5）×220/2.34=112.8V实取120V

线电压U2

=

U2=207.8V

整流变压器二次相电流I2一次相电流I1的计算

I2=0.86×Id=0.86×8.74=7.13≈7A

I1=I2×U2/U1=7.13×120/380=2.25≈2A

变压器容量计算如下：

S2=M2U2I2=3×120×7=2520V•A

对于三相桥式全控整流电路有

S=S1=S2=2520V•A

实取S=3KVA

整流变压器数据如下：

相数

接线

容量

一次电压（V）/电流（A）

二次电压（V）/电流（A）

三相

D1Yn11

3KVA

380/3

120/7

2晶闸管元件的选择

1）晶闸管的额定电压UTN按下式计算：

UTN=（2∽3）UTM

式中UTN为晶闸管元件的额定电压（V）；UTM为晶闸管元件在电路中实际承受的最大电压，对于不同型式整流电路的UTM示于表（2-2）中表中U2为整流变压器二次侧相电压有效值

2）整流元件额定电流ITN=（1.5∽2）KfbId式中ITN为晶闸管额定电流（A）Kfb为计算系数示于表（2-2）Id为最大负载电流（A）

表2-2整流元件的最大峰值电压UTM和额定电流计算系数KFB

整流主电路

单相半波

单相双半波

单相桥式

三相半波

三相桥式

带平衡电抗器的双反星形

UTM

U2

2

U2

U2

U2

U2

U2

Kfb

电阻负荷

1

0.5

0.5

0.374

0.368

0.185

电感负荷

0.45

0.45

0.368

0.368

0.368

0.184

根据已知条件和表2-2则有

UTN=（2∽3）UTM=

U2（2∽3）=588∽882V实选UTN=800V

ITN=（1.5∽2）KfbId=（1.5∽2）

0.368

2

8.74=10∽13A实选ITN=12A

∴晶闸管选取KP-12-8计12只

③电抗器计算

在电枢回路串联平波电抗器L，可以输出电流连续，限制电流脉动抑制电流上升率以改善晶闸管与电动机的利用率和系统调节特性。

根据不同的要求所计算的电感值是不相等的，其中为使主回路电流连续条件计算的电感值较大，故本设计按电流连续条件计算电感这样亦可实现其他功能。

用公式计算出所需电感量，要减去变压器漏感和电动机电枢电感才是平波电抗器的电感量Lcr1计算过程如下：

1）变压器漏感量L

=k

UkU2/Id=3.9

0.02

120/8.74=1.45mH

2）电动机电枢电感由以至可得Ld=75mH

对于三相桥式电路，主电路导通时，变压器漏电感与电枢电敢量之和计算值：

2L

+Ld=2

1.45+75=77.9mH

3）平波电抗器电感量

Lcr1=Lcr-（2L

+Ld）=53mHIcr1=1.11In=9.6所以实取Lcr1=53mHI=10A

（2）整流装置的保护

晶闸管承受过电流和过电压的能力较差，短时间过电流和过电压就会把器件损坏但不能完全根据装置运行可能出现暂时的过电流和过电压的数值来确定器件参数，还要充分发挥器件应有能力因此保护就成为提高电力装置运行可靠性不可少的环节。

1过电压保护

产生过电压原因：

a.外部：

雷击，电网中产生浪涌电压

b.内部：

合闸，拉闸，熔断器熔断

根据晶闸管装置产生过电压部位不同，分别设置交流侧过电压保护，直流侧过电压保护，元件保护环节。

A．交流侧过电压保护

阻容保护。

由于整流变压器容量3KVA<5KVA,故只需在变压器二次侧需阻容保护装置由于变压器二次侧采用的是Y联结为了计算方便阻容保护元件的接法也是Y联结则有C≥6If%S/（U2

U2）R≥2.3（U2

U2）/S

式中，If%为变压器励磁电流百分比10∽1000KVA对应的If%为10∽4

Uk%为变压器短路电压百分比10∽1000KVA对应的Uk%为5∽10

S为单相变压器的平均计算容量（VA）

U2为变压器二次相电压有效值电容C的耐压大于或等于1.5Uc电功率Pr≥（3∽4）Ic2RIc≥2πfcUc

10-6

式中IcUc为Rc正常工作是电压电流有效值f为电源频率代入以知条件因为S总=3KV

∴If%=18Uk%=2S=1.0KVA

∴C≥7.8µF取C=8µFC耐压值≥1.5Uc=312V

电阻值≥11.7Ω取R=12ΩIc≥2πfcUc

10-6=0.5A

电阻功率Pr≥（3∽4）Ic2R=12W

根据以上计算选择变压器二次侧阻容吸收装置元件为油浸电容8µF，312V，3支。

绕线电阻12Ω，12W，3支。

B.直流侧过电压保护

直流侧过电压保护与交流侧过电压保护方法相同。

元件选择原则也相同。

实际中常采用压敏电阻保护U

mA≥（压敏电阻承受的额定电压峰值

ε/（0.8∽0.9）

式中ε为电网电压升高系数一般取ε=1.05∽1.10

U

mA=359∽404V实选压敏电阻VYJ-440/3型3B额定电压440V直流容量3KA

C.元件保护在防止在换相过程中，被关断与晶闸管出现反向电压而使将被关断的晶闸管导致反方向击穿，最常用的方法是在晶闸管两端并联RC吸收电容查表2-3得

晶闸管额定电流（A）

1000

500

200

100

50

20

10

电容（µF）

2

1

0.5

0.25

0.2

0.15

0.1

电阻（Ω）

2

5

10

20

40

80

100

由表（2-3）得Cp=0.1µFRp=100Ω

电容Cp耐压≥（1.1∽1.5）UTM=323∽441V

原功率=1.75

fCpUtm2

10-6=0.7W

实选油浸电容0.11µF，450V，12支

⑵过电流保护

过电流产生原因：

a.生产过负载

b.直流短路

c.出现没有导通或击穿

d.逆变失败

晶闸管在短时间内能够承受一定的过电流但是如果短路或过载时过电流数值比较大，而切断时间较慢，就会造成晶闸管的损坏，因此必须采用快速动作的保护电器来保护，快速熔断器就是使用较普通的一种。

在本次调速系统中每个桥臂均带有快速熔断器。

快速熔断器的熔体电流In按下式选样

ITM≤ITN≤1.57ITN

ITM≈2

0.577ITN=2

0.577

8.74=10A

1.57ITN=1.57

12=19A

所以实选RLS-500-15型12支

第三章控制回路

第一节系统硬件设计

一.硬件设计要点

⑴尽可能采用功能强的芯片

⑵留有余地在设计硬件电路时，要考虑到将来修改，扩展的方便

a.ROM空间b.RAM空间c.I/O端口d.A/DD/A通道

⑶以软件代替硬件。

原则上只要软件能做到的就不用硬件，在实时性要求不高的场合，以软件代替硬件是非常合算的

⑷工艺设计，包括机箱面板，配线接插件等必须考虑到安装，调试维修的方便。

另外硬件抗干扰措施也必须在硬件设计时一并考虑进去

二.最小控制系统

⑴几种芯片的比较

①MSC-48系列单片机

MSC-48系列单片机是Intel公司在1976年推出的，该系列典型产品为8048它是在一个40只引脚的大规模集成电路内，包含有8位CPU，1K字节ROM的程序存储器64字节RAM的数据存储器，一个8位定时器/计数器27根输入输出线。

②MSC-51系列单片机

MSC-51单片机是在MSC-48基础上推出高性能8位单片机它与MSC-48相比，在片内存储器容量I/O的功能以及指令系统功能等都大大得到加强。

MSC-51系列单片机特别适用于实时控制，智能仪表主从结构的多机系统等领域。

是工业检测控制领域中最理想的8位单片机。

MSC-51具有以下一些特点：

a集成度高

b系统结构简单

c系统扩展方便

d可靠性高

e处理功能强速度快

f容易产品化

MSC-51系列单片机的三个基本产品：

803180518751

③MSC-96系列单片机

MSC-96系列单片机是Intel公司推出的一种16位单片机。

它们适合于在复杂的工业控制系统中使用具有速度快功能强等特点。

它可以分为两类。

一类是采用HMOS工艺生产，典型产品为839713H，具有16位CPU，8KBROM，232字节RAM2个16位定时器，8路高速输入/输出，串行通信口，5个8位I/O口8路10位A/D20个中断线，WATCHDOG等功能。

另一类采用HCMOS工艺生产，典型生产产品有83C196KC和839713H向上兼容。

但速度上快了一倍左右。

特别是增加了外围传送服务功能。

大大加快了I/O处理能力。

由于此系列单片机价格太高，且对本设计没有必要采用此系列单片机。

⑵最小控制系统的选择

根据以上芯片的分析，我们决定才用MSC-51系列单片机。

Intel公司在MSC-51系列基本产品8031，8051，8751的基础上，又推出了各类增强型系列产品，其主要增强系列产品如下：

a.8032/8052/8752

b.低功耗的CHMOS工艺芯片80C31/87C51/80C51

c.具有高级语言编程系列芯片8052H-BASIC

d.高性能的8xCx52系列

e.低功耗高性能的89C51

8031内部包括一个8位的CPU，128字节的RAM，21个特殊功能寄存器，4个8位并行

I/O口，2个16位的定时器/记数器，但是程序存储器须外扩EPROM芯片

8051是在8031基础上片内又集成了了4KROM，作为程序存储器，ROM内的程序是公司制作芯片是代为用户烧制的。

出厂的8051都是含有特殊用途的单片机，所以8051应用在程序已定，而且批量大的单片机中，由于以上限制，目前在国内很少使用。

8751是在8031的基础上，增加了4K字节的EPROM，它构成了一个程序小于4K的小系统，用户可以将程序固化在EPROM中，可以反复修改程序但其价格相对与8031较贵

8031外扩一片4KEPROM就相当于8751，它的最大优点是价格低，另外对于大多数工业检测，控制场合，8031也能满足用户的要求，目前在我国得到了广泛的应用。

根据本课题设计要求。

程序的容量估计选择4KEPROM已足够了。

选用的芯片为8031芯片

。

由于8031是片内无程序存储器的供应状态芯片。

其最小应用系统必须在片外扩展4KEPROM。

18031芯片介绍

8031单片机的外形结构为40只引脚的双列直插封装（DIP）方式，其引脚图如下所示：

P0口：

双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口由于是分时使用，先输出外部寄存器的低8位地址。

故应该在外部加锁存器将此地址数据锁存地址锁存信号用ALE然后P0口才作为数据口用；

P1口：

是专门供用户使用的I/O口是准双向口；

P2口：

准双向口，与地址总线（高8位）复用，也可以作为用户I/O使用；

P3口：

准双向口，作为第二功能使用，作为I/O口使用；

P1，P2，P3口均有内部上拉电路，P0口为漏极开路，所有并行I/O线均能独立得作为I/O口（但是P0，P2口转向地址/数据总线是例外）当用作输入方式时，该口对应的锁存器必须先存放1，MSC-51的所有I/O锁存器在复位后均被置为1，P3口在进行第二功能操作前，对第二功能的输出锁存器必须由程序置为1；

Vcc：

电电源+5V

Vss：

接地线

XTAL1，XTAL2；利用内部时钟电路时，在XTAL1和XTAL2之间接一晶体振荡器，XTAL1为内部放大电路输入端，XTAL2为输出端；

RST/VPD：

接复位电路可以实现复位，接+5V备用电源，当短电时RAM中的数据不会丢失；

ALE/PROG：

问片外是，ALE作为低位地址锁存也许控制；

PSEN：

访问片外程序存储器器时，此脚输出负脉冲作为读选信号

EA/Vpp：

当EA端保持高电平，可访问片内程序存储器，EA作为低电平访问片外对于8031此端必须接地；

2程序存储器的选择

由于EPROM可以多次重写，使用方便价格便宜，在单片机常选用为程序存储器。

所以本系统根据需要选择2732EPROM一片；

3地址锁存器的选择

虽然8031P2口地址有锁存功能，但是其P0口低8位地址无锁存功能所以必须选用一片锁存器芯片，74LS373的性能满足我们的要求价格比74LS273便宜。

故选74LS373锁存器

4典型的EPROM扩展电路注意事项；

a.根据应用系统容量要求来选择EPROM芯片的容量；

b.根据EPROM的最大读取时间，电源容差工作温度等主要参数来选择EPROM的型号；

c.选择的地址锁存器不同，电路连接不同；

d.INTEL公司的通用EPROM芯片引脚有一定的兼容性，在电路设计时应该充分考虑其兼容性；

e.8031使用外扩存储器，EA必须接地；

58031最小控制系统图如下：

三.输入接口

⑴数字量给定

1转速给定

拨盘码是智能仪表和微控装置常用的数字输入设备和键盘相比，拨盘有紧密安装，灵活安排有清晰的数字显示，代码锁存功能，另外接拨盘接口的硬件和软件比键盘接口简单，操作方便。

BCD码拨码盘具有0-9十个位置，可以通过齿轮型圆盘拨到所需的位置，每个位置都有相应的数值显示，一个拨码盘可以输入1位十进制数，如果要输入4位十进制数据需要4个BCD码拨盘，由于本系统显示最大转速位1500r/min,最高位最大值为1，可以用一个开关来得到要求，合上时代表此位为“0”，打开时表示“1”，符号位也只有正反转两种状态也可以用一个开关来满足要求，所以本系统用了三只BCD拨码盘以代表个十百位，74LS245是输入缓冲器，BCD拨码盘的信号用它锁存。

如果用户发现拨码盘拨错了，可以方便的修改，当正确给定后，锁存器在74LS245中。

8031直接对扩展的两片74LS245进行读操作就可以读取拨盘

2反馈量输入数字给定

转速和电流都是模拟量，需要将其转化成数字量送到8031内部存储单元后才能参与运算

a.ADC模数转换芯片

在单片机的实时控制和智能仪表等应用系统控制式或测量对象的有关变量往往是一些连续变化的模拟量，这些模拟量必须转换成数字量后才能输入到单片机中进行处理。

单片机处理的结果，也常常需要转换为模拟信号。

选择ADC的主要性能指标是：

1.分辨率2.转换时间3.精度4.输入电压范围5.输入电阻6.供电电压7.数字输出特性8.工作环境（周围的温度湿度）9.保存环境（保存温度，湿度）等。

ADC0809因为它具有较高的变换速度和较高的精度，较小的温度影响。

ADC0809是8位A/D转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D转换的由单一+5V电源供电，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可以对8路0-5V的输入模拟电压信号分时进行转换。

完成一次转换大约需要100µS片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路，高阻斩波器，稳定的比较器。

256R电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。

由于ADC0809片内无时钟，可以利用8031内部提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二次分频后获得ALE脚的频率是8031单片机时钟频率的1/6如果单片机时钟频率采用6MHz，则ALE脚的输出频率为1MHZ，在二次分频为500KHZ恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。

ADC0809芯片简单介绍：

D7-D0：

8位数字量输出引脚

IN0-IN7：

8路模拟量输入引脚

REF（+）：

参考电压正端

REF（-）：

参考电压负端

VCC：

+5V工作电压

GND：

地线引脚

START：

A/D转换启动信号输入端

ALE：

地址锁存允许信号输入端

（以上两信号用于启动A/D转换）

EOC：

转换结束信号输出引脚，开始转换位低电平，当转换结束时为高电平

OE：

输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器

CLK：

时钟信号输入端

A，B，C：

地址输入线

ADC0809与8031接口电路：

P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号WR和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行转换，在读取转换结果时，用单片机的读信号RD和P2.7脚经一级或非门后，产生正脉冲作为LE信号

b.检测环节

根据反馈控制原理，为了构成闭环的直流调速系统，提高系统运行性能指标，必须对系统控制对象的多种参量进行测量。

其中最基本的是转速，电流反馈信号，精确，快速得检测环节中的要求是：

1.检测环节本身精度高，误差小，以保证系统的控制精度

2.检测单元和反馈通道惯性要小，反应快

3.检测环节本身工作要可靠

4.决策环节的输入，输出特性呈线性关系

b.1转速检测以及测速发电机

常用的转速检测装置是各种测速发电机和脉冲测速装置，由于支流测速发电机无需另设置整流装置，而且无剩余电压，故在直流调速系统转速反馈信号广泛直流调速发电机，将转速转换成电压

b.2电流检测电路

电流检测元件选用电流互感器，要构成反馈控制系统，准确可靠的检测装置是不可缺少的一环节，在主电路中，串接低阻值以获得电流检测信号的方法。

由于电阻上产生的附加的电压下降和能耗，而且还造成主电路与控制回路的电路上的联系，这种电流检测方法，只用于要求不高的小容量系统，目前中大容量系统经常采用的电流检测方法有：

交流电流互感器，直流电流互感器，霍而效应变换器等。

电流互感器存在线性度不够好，输入为空时，输出不为零的缺点。

霍而元件受外界磁场的干扰，元件本身脆而且薄，容易损坏等缺点。

交流互感器可通用于测量交流电路，它既可以在一定的准确度下反映主电路电流，又能把控制电路与主电路隔离开，因此选用交流电流互感器作为电流检测装置

b.3隔离技术

一般工业应用的微机测控系统既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分。

为了使两者之间既保持控制信号联系，又要隔离电气，方便的联系。

既实行弱电和强电隔离，是保证系统工作稳定，设备与操作人员的安全的重要措施。

所以抗干扰措施的主要解决从过程通道串入的强电干扰。

强电干扰之所以能够通过过程通道进入计算机，主要是因为过程通道与计算机之间存在公共地线，是计算机和强电之间发生了关系。

要想有效得切断从过程通道进入计算机的强电干扰，具体方法就是采用光电耦合器件进行隔离。

光电耦合器是一种光电结合的新型器件，它是以光为媒介来传输信息的器件其输入端配置光源输出端配置受光器因而在电气上输入与输出是完全隔离的。

它的特点是：

信息单向传送，无触点，寿命长，易与逻辑电路配合，稳定可靠，由于光电耦合器件的这些特点，使得它在计算机与输入输出通道极口电路作为隔离装置，将会大大提高计算几的可靠性。

⑵状态量的给定

本系统采用的状态量（工作/停车，正转/反转）的给定是通过几个功能键设置的。

由于状态量不多，键少，采用独立式按键结构，所谓独立式按键结构是直接用I/O口线构成的单个按键电路。

每个独立式按键单独占用一根I/O线。

每根I/O线上按键的工作状态不会影响其他I/O线的工作状态。

独立式按键电路结构简单，配置灵活，当按键不多时是较常用。

通常按键输入都采用低电平有效。

上接电阻保证了按键断开时，I/O线有确定的高电平，为了直观起见，随时都知道电机处于工作状态，还是在停车状态，在设计时将其中一个键改为拨动开关，并将它接在P1.0线上其他“读入”键，“调速”键分别接P1.1,P1.2线上，接线方式如下：

独立式按键软件常采用查询方式，查到哪个I/O接口是低电平，表示哪个键按下然后转向该键的功能处理程序

四.输出接口

由数字显示通道和控制信号数模拟转换通道以及相应的触发电