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1、基于单片机的双闭环直流调速系统目 录摘要3前言4第一章 系统硬件电路的设计5第一节 系统方案选择与总体设计51.1.1 调速方案的选择51.1.2 双闭环直流调速系统电路原图61.1.3 双闭环直流调速系统动态数学模型 61.1.4 数字控制双闭环直流调速系统方图71.1.5 数字式双闭环直流调速系统硬件图81.1.6 8051单片机简介9第二节 主电路设计与参数计算101.2.1 整流变压器的计算与设计101.2.2 开关器件IGBT参数计算与选择111.2.3 电阻电容的选择111.2.4 整流功率二极管的选择111.2.5 平波电抗器的选择与计算111.2.6 快速熔断器的选择与计算11
2、第三节 调节器的选择与计算121.3.1 确定电流调节器时间常数121.3.2 电流调节器结构的选择121.3.3 电流调节器参数计算131.3.4 确定转速调节器时间常数131.3.5 转速调节器结构的选择131.3.6 转速调节器参数计算14第四节 PWM信号发生电计141.4.1 PWM的基本原理141.4.2 PWM信号发生电路设计151.4.3 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171.5.1 功率驱动模块171.5.2 光电耦合隔离18第六节 A/D转换及芯片选择191.6.1 芯片ADC0809介绍191.6.2 ADC0809引脚及其功能表19
3、第七节 测速环节设计201.7.1 旋转编码器的原理及选择201.7.2 M法测速的实现21第八节 键盘显示单元21第二章 系统软件程序的设计22第一节 主程序设计23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MATLAB仿真32第一节 系统建模与参数设置323.1.1 直流电机的数学模型323.1.2 转速电流双闭环调速系统的数学模型323.1.3 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 要本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成
4、了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯片IR2112S作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块来完成了在主电路中对直流电机的控制。另外，本系统中使用了光电编码器对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。关键词： PWM信号 直流调速 双闭环 PI运算前 言本系统利用MCS-51系列单
5、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
6、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
7、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 系统硬件电路设计第一节 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=11kW、UN=230V、IN=47.8A、nN=1450 r/min，电枢回路电枢绕组电感La=2.8mH，电流过载倍数=1
8、.5。电枢回路总电阻可取为R=Ra+Rrec=1.8，系统机电时间常数Tm=0.2015s，电磁时间常数Tl=0.00278s，电动势系数Ce=0.1290V*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
9、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VM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
10、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PWM调速系统。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。但又不是固定其中一个桥臂始终为低频(输出基频)，另一个桥臂始终为高频(载波频率)，而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其
11、使用寿命均衡，对增加可靠性有利。 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：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。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。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
