雙閉環(huán)直流電動機(jī)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)

I與8051單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)晶閘管的特性，通過調(diào)節(jié)控制角α大小來在設(shè)計(jì)中調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用了三相全控橋整流電路來供電。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電流與轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的恒速調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、成本低、易推廣等特點(diǎn)。extensiveapply.ThepaperstatedadigitalDCspeedcontrolsystemcomposedby3kwDCmspeedadjustabilityofthedoubleclosed-loopofelectriccuIIABSTRACT I一、設(shè)計(jì)目的及要求 11.1課程設(shè)計(jì)的目的 1.2課程設(shè)計(jì)的預(yù)備知識 1.3課程設(shè)計(jì)要求 1.4設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 22.1雙閉環(huán)直流電動機(jī)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)原理 2三、主電路設(shè)計(jì) 33.1主電路 3 43.1.2泵升電壓限制 43.2主電路參數(shù)計(jì)算和元件選擇 43.2.1整流二極管的選擇 43.2.2絕緣柵雙極晶體管的選擇 53.3調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì) 53.3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則 53.3.2電流環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì) 63.3.3轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì) 3.4數(shù)字控制器PI增量式算法及程序 7四、控制回路 94.1PWM控制電路 94.2PWM功率放大驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 五、單片機(jī)小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1鍵盤、顯示接口 5.2A\D轉(zhuǎn)換芯片 5.3光電編碼盤 六、調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 6．1調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)模塊 6.2主程序、中斷子程序和定時模塊 七、課程設(shè)計(jì)心得體會 參考文獻(xiàn) 1一、設(shè)計(jì)目的及要求1.1課程設(shè)計(jì)的目的1.2課程設(shè)計(jì)的預(yù)備知識熟悉計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基本知識及直流控制系統(tǒng)的有關(guān)知識。1.3課程設(shè)計(jì)要求完成直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1.設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)主機(jī)、過程通道模板電路，包括元器件選擇。出程序流程圖，設(shè)計(jì)算法程序。1.4設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求電樞回路總電阻R=2.50Ω;電磁時間常數(shù)TL=0.017s;機(jī)電時間常數(shù)TM=0.076s；電動勢系數(shù)Ce=0.1352V/r*min晶閘管裝置放大倍數(shù)Ks=53晶閘管整流電路滯后時間Ts=0.0017s2）主要技術(shù)指標(biāo)：3）主要要求：直流電動機(jī)的控制電源采用晶閘管裝置，在其輸入電壓為0-5V時可以輸出0-264V電壓，為電機(jī)提供最大25A輸出電流。速度檢測采用光電編碼器（光電脈沖信號發(fā)生器且假定其輸出的A、B兩相脈沖經(jīng)光電隔離辨向后獲得每轉(zhuǎn)1024個脈沖的角度分辨50A。采用雙閉環(huán)（速度環(huán)和電流環(huán)）控制方式。計(jì)算機(jī)則要求采用51內(nèi)核的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控2二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1雙閉環(huán)直流電動機(jī)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)原理圖1雙閉環(huán)直流電動機(jī)數(shù)字PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置（TA）對電流環(huán)進(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)速環(huán)則是2.2數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)PI算法。由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)由主電路、檢測電路、控制電路、給定電路、顯主電路：三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流PWM變換器檢測回路：包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測。電壓、電流和溫度檢測由A/D轉(zhuǎn)換通道變3圖2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖三、主電路設(shè)計(jì)3.1主電路4的，采用大電容C濾波，同時兼有無功功率交換的作用。3.1.1限流電阻入限流電阻（或電抗通上電源時，先限制充電電流，再延時用開關(guān)K將短路，以免長期接入時影響整流電路的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。3.1.2泵升電壓限制當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)減速或停車時，儲存在電機(jī)和負(fù)載傳動部分的動能變成電能，只好對濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓”。如果要讓電容器全部吸收回容器（在容量為幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)中，電容至少要幾千微法）從而大大增加調(diào)速裝置的體積和重量時，可以采用由分流電阻R和開關(guān)管VT組成的泵升電壓限制電路，如圖4所示。3.2主電路參數(shù)計(jì)算和元件選擇裝置的計(jì)算和選擇等。3.2.1整流二極管的選擇選用2ZC系列的大功率硅整流二極管，型號和參數(shù)如下所示：額定反向峰值額定反向峰值反向平均漏電額定正向平均正向平均壓降UF(V)散熱器型號5在設(shè)計(jì)主電路時，濾波電容是根據(jù)負(fù)載的情況來選擇電容C值，使RC≥(3～5)T/2,且有Udmax=0.9×220×0.95=188(V)2×C≥1.5×0.02,即C≥15000uF故此，選用型號為CD15的鋁電解電容，其額定直流電壓為400v，標(biāo)稱容量為22000uF3.2.2絕緣柵雙極晶體管的選擇最大工作電流Imax≈2Us/R=440/0.45=978(A)集電極－發(fā)射極反向擊穿電壓（BVCEO）BVCEO≥(2～3)Us=440～660v3.3調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)3.3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”的設(shè)計(jì)原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖5。直流雙閉環(huán)調(diào)速原理圖63.3.2電流環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)電樞電流范圍為，A/D轉(zhuǎn)換為8位二進(jìn)制數(shù)碼，電流反β=255/(141-(-141))=255/282已知晶體管PWM功率放大器的工作頻率為2kHz，工作方式為H型雙極性，直流電源電壓為264V,設(shè)定用來直接生成PWM信號的計(jì)數(shù)器的時鐘脈沖頻率為4MHz，則轉(zhuǎn)換得到的PWM信號的分辨率為1/2000，即計(jì)數(shù)值為2000時，對應(yīng)的PWM信號占空比為1，PWM功率輸出電壓為200V；計(jì)數(shù)值為1000時，對應(yīng)PWM信號的占空比為0.5，PWM功率放大器的輸出電壓為0V;計(jì)數(shù)值為0時，對應(yīng)PWM信號占空比為0,PWM功率放大器的輸出電壓為-200V,則PWM控制信號和PWM波形生成之間的數(shù)字控制量到模擬電壓輸出量之間的增益為：==0.0297s=0.0005s=1/2000=0.0005s==0.0005=R/(β)=500*0.0297*0.45/(0.264*0.904)=28校驗(yàn)近似條件脈寬調(diào)制變換器傳遞函數(shù)近似條件wci≤1/(3Ts)1/(3Ts)＝1/(3×0.00025)=666.67>500=wci小時間常數(shù)近似條件wci≤11=TsToi11=654.03>50011=TmT111=2.96<50073.3.3轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)速度反饋回路的滯后時間約為=1ms機(jī)電時間常數(shù)=0.427s速度環(huán)的小時間常數(shù)為=1/+=1/500+0.001=0.003s按跟隨性能和抗干擾性能要求，取中頻寬h=5，則積分時間常數(shù)為；速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率Wcn＝KNTn=13333.333*0.015=200<Wci轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件Wcn≤-I=235.7Σi小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件Wcn≤KKI=235.7T代入數(shù)據(jù)計(jì)算得σn=0.35℅,能夠滿足設(shè)計(jì)要求3.4數(shù)字控制器PI增量式算法及程序PI控制算法:8則Ui=Ui-1+P(e-ei-1)+I*eiiKp=Rn/RKp=Rn/RnSETBSUBBAJMPAJMPADDR0，90HR1，80HA，R0B，R1A，B7FH，A7EH，#00H7BH，UmaxPA，R2A，R37DH，#00H;開放中斷1;積分項(xiàng);比例項(xiàng)9ADDA，7DH；Ui-1+Pi+Pp=Ui給ACJNEA，#Ui，LOOP2；Ui〉Umax轉(zhuǎn)移MOVA,#UiCJNEA，7AH，LOOP3；Ui<Umin轉(zhuǎn)移MOVA,#UiLP1:MOVA,7BHLP2:MOVA,7AHMULAB；Pi=I*ei給AMOVR2，A；Pi給R2P：MOV6EH，#PMULABei-ei-1）*P給A四、控制回路4.1PWM控制電路PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來達(dá)關(guān)驅(qū)動裝置”。設(shè)電機(jī)始終接通電源時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D=t1/T，則電機(jī)的平均速度max由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比D=t1/T時，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格來說，平均速度Vd與占空比D并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。4.2PWM功率放大驅(qū)動電路設(shè)計(jì)該驅(qū)動電路采用了IR2110集成芯片，該集成電路具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力和保護(hù)功能。產(chǎn)生高壓側(cè)門極驅(qū)動電壓的前提是低壓側(cè)必須有開關(guān)的動作，在高壓側(cè)截止期間低壓側(cè)必須兩片芯片所輸出的信號恰好相反。轉(zhuǎn)速是由矩形脈沖電壓的平均值來決定的。時間就為T-t1。HIN信號的占空比為D=t1/T。設(shè)電因此λ在±1之間變化。如果我們聯(lián)系改變λ,那么便可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正向的無級調(diào)速。五、單片機(jī)小系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1鍵盤、顯示接口選用8279可編程鍵盤/顯示器接口芯片。它能接收和識別來自鍵盤陣列的輸入數(shù)據(jù)并完成預(yù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。（2）控制和定時寄存器及定時控制部分；（4）回送緩沖器與鍵盤去抖動控制電路；（5）FIFO(先進(jìn)先出)寄存器和狀態(tài)電路；（6）顯示器地址寄存器和顯示RAM.5.2A\D轉(zhuǎn)換芯片址譯碼鎖存器，輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器。啟動信號為脈沖啟動形式。電路，故CLK時鐘需外部輸入，允許范圍500KHz～5.3光電編碼盤光電編碼盤是將測得的角位移轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電脈沖信號輸出的數(shù)字傳感器，本設(shè)計(jì)采用增量式光電編碼器來采樣轉(zhuǎn)速信號。增量式編碼器是專門了用來測量轉(zhuǎn)動角位移的累計(jì)量。這里以三相編碼器為例來介紹增量式編碼器的工作原理及其結(jié)構(gòu)。出波形經(jīng)過整形后變成脈沖。碼盤上有向標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈z相輸出一個脈沖。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還提供相位相差90°的兩路脈沖信號。將A、B兩相脈沖中任何一相輸入計(jì)編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向可以通過D觸發(fā)器的輸出信號Q來判斷。整形后的A、B兩相輸出信號分B兩相的脈沖相位相差90°,當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時，B相脈沖超前A相脈沖90°,觸發(fā)器總是在B前B相脈沖90°,則D觸發(fā)器總是在B脈沖為低電平時觸發(fā)，這時Q輸出端輸出為低電平，由此確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。轉(zhuǎn)速檢測的精度和快速性對電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能影響極大。為了在較寬的速度范它產(chǎn)生的測速脈沖頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系，微機(jī)對該頻率信號采用M/T法測速處六、調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)6．1調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)模塊為了使微機(jī)控制系統(tǒng)各種硬件設(shè)備能夠正常運(yùn)行，有效實(shí)現(xiàn)各個控制環(huán)節(jié)的實(shí)時控制和管理，除了要設(shè)計(jì)合理的硬件電路，還必須要有高質(zhì)量的軟件支持。因此，用匯編或其他高級語言編寫電機(jī)微機(jī)實(shí)時控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序，是整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)中十分重要的內(nèi)容。本系統(tǒng)采控制器。整個控制程序由主程序、外中斷服務(wù)程序、PI運(yùn)算程序及各種輔助程序組成，程序總長小于4K字節(jié)，運(yùn)行一遍的時間小于3.33ms。直流電機(jī)數(shù)字式雙閉環(huán)總體流程圖6.2主程序、中斷子程序和定時模塊上位計(jì)算機(jī)和其他外設(shè)通信等功能。初始化子程序——完成硬件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化等。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化數(shù)字測速工作方式NY鍵處理參數(shù)及變量初始