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1、本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目双闭环直流调速系统设计课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能目前，直流电动机仍广泛应用于工业生产中，本设计要求采用单片机作为控制器，控制算法采用常规的PID控制，构成转速、电流双闭环控制系统，使电机转速稳定运行，并可显示转速值。设计任务及要求1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路；2、建立被控对象的数学模型；3、设计PID算法的程序流程图，给出部分程序清单；4、仿真研究，验证设计结果。5、撰写、打印设计说明书
2、一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数电机参数：额定电压220V，额定功率10KW，额定转速1000r/min，电枢电阻0.5。设计指标：调速范围D=10，静差率s 5%。进度计划1、 布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天）2、 系统功能分析（1天）3、 系统建模（1天）4、 算法推导，程序设计（2天）5、 仿真分析与研究（2天）6、 撰写、打印设计说明书（2天）7、 答辩（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分
3、重要的作用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。本文总结目前常用的双闭环直流调速系统设计方法，设计出一个以直流电动机作为被控对象，基于单片机作为控制器的数字化直流调速系统。其特点是以单片机AT89S52取代模拟PWM脉宽调制器、电流调节器、转速调节器以及逻辑切换等硬件。通过电机驱动电路、按键和显示电路，利用PID控制算法，结合MATLAB仿真软件建立了系统数学模型并进行了仿真。再由理论分析、器件参数整定、硬件电路设计、软件设计最终实现。关键词：双闭环直流调速；单片机AT89S52；PID；MATLAB仿真目录第1章 绪论1第2章 课程设计方案22.
4、1 概述22.2系统组成总体结构3第3章 硬件设计43.1单片机最小系统的设计43.2电动机驱动电路的设计53.3转速测量电路63.4显示电路63.5独立按键电路73.5.1键盘的功能及分类73.5.2独立式键盘73.6系统总的硬件电路图8第4章 软件设计94.1 主程序流程图94.2初始化程序94.3显示程序104.4转速测量程序104.5中断程序104.6PID控制算法11第5章 数学建模与仿真135.1电机模型的建立135.2仿真14第6章 课程设计总结16参考文献17附录I18附录II19III第1章 绪论电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，等行业。这些
5、行业中绝大部分生产机械都采用电动机做原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。自70年代以来，国外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术（简称KZD调速系统），尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZD系统的应用还是占有相当的比重。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。20世纪90年代前地大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场互相独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的启动，制动和调速性能。
6、尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其他电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺候控制首选。因为它具有良好的线性特征，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电
7、流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法分别进行主电路、电流环和转速换的设计，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器。并应用MATLAB软件对设计
8、的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。第2章 课程设计方案2.1 概述-U*ASRACR整流触发装置电动机电流检测转速检测该课程设计要求双闭环控制电机，按照理论要求，结合所学电力拖动自动控制系统的只是，设计该方案原理主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速环包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把A
9、SR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图2.1所示。图2.1 双闭环直流调速原理图随着单片机的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。因此本课程设计主要使用单片机作为控制器，因为其具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波，节省了PWM专用模块和许多硬件电路。单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，能够很
10、方便的实现电机的智能控制。因此我们选用单片机作为控制器，其产生的PWM脉冲经过信号放大、光耦隔离，驱动H型桥式电动机控制电路，利用PID控制算法实现电动机转向与转速的控制。电动机的运转状态通过数码管显示出来。2.2系统组成总体结构直流电机调速系统以AT89S52单片机为控制核心，转速检测模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。该系统的工作原理为：单片机产生的PWM信号通过电机驱动模块输送给电机，由编码器测电机的转速，并将测得的转速值通过PID控制算法反馈给单片机，已达到闭环控制的目的。转速输出结果通过LED显示。PID的参数通过对电机的数学建模，仿真后经过微调得到。结构框图如图2.2所示。单片
11、机电机驱动电路电动机转速检测电路显示电路键盘电路图2.2 系统总体结构框图第3章 硬件设计3.1单片机最小系统的设计该控制器对单片机的要求是：具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部ROM和RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该实验中AT89S52单片机做为控制芯片。AT89S52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理
12、器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 AT89S52有40个引脚，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。其最小系统由单片机和时钟电路以及复位电路组成。系统最小原理图如图3.1所示。图3.1 单片机最小系统3.2 电动机驱动电路的设计在信号传输时，我们常采用光耦隔离器将主回路的强电和控制回路的弱电相隔离，使主回路和控制回路更好的结合。光耦隔离器TLP521-
13、2光耦集成块的电路示意图如图3.2所示。图3.2光耦隔离器PWM电路由复合体管组成H型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用，防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。在实验中的控制系统电压统一为5v电源，因此若复合管基极由控制系统直接控制，则控制电压最高为5V，再加上三极管本身压降，加到电动机两端的电压就只有4V左右，严重减弱了电动机的驱动力。基于上述考虑，我们运用了TLP521-2光耦集成块，将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来。输入端各通过一个三极管增大光耦的驱动电流；电
14、动机驱动部分通过外接12V电源驱动。这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流得到了大大的增强。驱动电路如图3.3所示。图3.3电机驱动电路在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。经实验发现，当电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在10Hz以下，电动机转动有明显跳动现象。而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过P20输入高电平信号，P21输入低电平，电机正转；通过P20输入低电平信号，P21输入高电平，电机反转；P20、P21同时为高电平或低电平时，电机不转。通过对信号占空比的调整来对电机转速进行调节。3.3 转速测量模块编码器是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移，如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线位移。 编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者成为码盘，后者称码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件
