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1、 黄石理工学院 毕业设计（论文）1第一部分 直流调速系统摘 要近年来由于微型机的快速发展，数字交直流调速系统得到广泛应用。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。本设计是用 8031 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
2、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 2ABSTRACTWITH THE RAPID DEVELOPMENT OF MICROCOMPUTER RECENT YEARS, THE DIGITIZATION OF OVERSEA AC/DC SPEED REGULATION SYSTEM HAS ACHIEVED TO A PRACTICAL STAGE. AS THE HARDWARE CIRCUIT O
3、F DIGITAL CONTROL SYSTEM CENTERED ON MICROPROCESSOR POSSESSES THE ADVANTAGES THAT IT HAS HIGHER STANDARDIZATION AND LOWER COST, AND IT WONT BE INFLUENCED BY THE TEMPERATURE DRIFT OF DEVICES. FURTHERMORE, THE CONTROL SOFTWARE OF DIGITAL CONTROL SYSTEM CAN CARRY OUT LOGICAL JUDGMENT AND SOPHISTICATED
4、CALCULATION，AND IT CAN MAKE THE CONTROL RULES WHICH ARE DIFFERENT FROM THE OPTIMALITY, ADAPTIVE TRAIT, NONLINEAR AND INTELLIGENCE OF THE ORDINARY LINEAR ADJUSTABILITY COME TRUE. SO THE FUNCTION OF DIGITAL CONTROL SYSTEM IS MUCH MORE SUPERIOR TO ANALOG CONTROL SYSTEM IN EVERY ASPECTS, AND IS BEING US
5、ED WIDELY.THIS DESIGN IS A DIGITAL DC SPEED REGULATION SYSTEM CONSTITUTED OF 8031 SINGLE-CHIP COMPUTER, THE CHARACTERISTIC IS THE SINGLE-CHIP COMPUTER REPLACED THE HARDWARE DEVICES SUCH AS THE ANALOG TRIGGER, CURRENT REGULATOR, ROTATION REGULATOR, AND LOGICAL HANDOFF .FINALLY PUTTING TOGETHER THE SO
6、FTWARE, TESTING AND COMPUTER SIMULATION. THE RESULT OF REAL TIME CONTROL INDICATES THAT THE DIGITAL DC SPEED REGULATION SYSTEM REALIZED THE CONSTANT SPEED ADJUSTABILITY OF THE DOUBLE CLOSED-LOOP OF ELECTRIC CURRENT AND ROTATE SPEED. THIS SYSTEM ALSO HAS THE SPECIALTIES SUCH AS SIMPLE STRUCTURE, HIGH
7、 CONTROL ACCURACY, LOW COST AND EASINESS TO BE SPREAD. IN ADDITION, ITS ENTIRE PERFORMANCE INDEX IS BETTER THAN THAT OF ANALOG DC SPEED REGULATION SYSTEM. AS A RESULT, THE DIGITAL DC SPEED REGULATION SYSTEM COULD BE APPLIED INTO PRODUCTION AND ORDINARY LIFE TO MEET THE NEEDS OF MODERN MANUFACTURE.KE
8、YWORDS: SINGLE-CHIP COMPUTER；DOUBLE CLOSED-LOOP ；DC SPEED REGULATION SYSTEM；D IGITAL MODEL1 引 言早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成 3电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而
9、有效的提高工作效率。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流
10、拖动系统的基础。本设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由集成电路实现，系统中有速度调节器、电流调节器、触发器、锁零单元和电流自适应调节器等。2 系统方案选择和总体结构设计2.1 调速方案的选择 42.1.1 系统控制对象的确定本次设计选用的电动机型号 Z2-62 型，额定功率 4.2KW，额定电压 230V，额定电流 18.25A,额定转速 1450r/min, 励磁电压 220V,运转方式连续。本次设计选用的电动机型号 Z2-62 型，其具体参数如下表 2-1 所示：表 2-1 Z2-62 型电动机具体参数电动机型号PN(KW) UN(V) IN(A) NN(r/min)
11、 Ra() GDa2（Nm2）P 极对数Z2-61 4.2 230 18.25 1450 1.2 3.43 1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。由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。电动机额定电压为 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。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
12、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
13、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 5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
14、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
15、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 4。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。直流调速系统的框图如图 1 所示： 6图 1 直流双闭环调速系统结构图3 主电路设计与参数计算3.1 整流变压器的设计1.整流变压器二次侧电压 U2 的计算是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成2U延迟角 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：（3-1） )(cos2minax2 NshTdICUA式中 Udmax -整流电路输出电压最大值；nUT -主
