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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371总体结构设计1.1系统方案选择与总体结构设计本系统利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。冲量相
4、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，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得
5、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，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速
6、控制。1.2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=2.2kW、UN=220V、IN=17A、nN=1480 r/min，电动势系数Ce=0.136V/min/r。他励电压：220V。1.3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
7、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，专门用于调节电流量，从而在调速系统中设置了转速和电流两个调节器，形成转速、电流双闭环调速控制。双闭环调速控制系统中采用了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实现串级连接。图11.1为转速、电流双闭环直流调速系统的原理图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。两个调节器输出都带有
8、限幅，ASR的输出限幅什Uim决定了电流调节器ACR的给定电压最大值Uim，对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角。图1-1.1 双闭环直流调速系统电路原理图1.4双闭环直流调速系统动态数学模型双闭环直流调速系统动态结构图如图1-1.2所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有为了引出电流反馈，在电动机的动态框图中必须把电枢电流显露出来。图1-1.2 双闭环直流调速系统动态结构图1.5 数字控制双闭环直流调速系统方框图根据设计要求，本系统设计为全数字式控制方式，因此要求微型计算机完成：电流环控制器运算、
9、速度环控制器运算、位置环控制器运算，以及与它们相应的反馈信号的采样和数字信号处理。 本系统采用霍尔元件作为检测电动机电枢电流的传感器,其电流容量为50A,转换比例为1000：1。霍尔元件检测得到的弱电流信号经转换、滤波、放大后,变成与电枢电流成比例的05V的直流电压信号,再经A/D转换电路,将模拟电压转换成数字量,输入微型计算机。本系统选用光电脉冲信号发生器作为速度反馈的测量元件,光电脉冲信号发生器将电动机转子的角位移量转换成脉冲序列,通过计数器定时计数即可得到电动机转速的数字式反馈量。本系统由微型计算机来实现整个系统的控制,用全数字方式来取代传统的模拟控制方式,不仅提高了系统的可靠性、灵活性
10、,而且还为整个系统的多功能、智能化提供了必要条件。 经上述考虑,本系统组成的方框图如图1-1.3所示。 数字式位置控制器数字式速度控制器数字式电流控制器数字式PWM信号发生器PWM功率放大器M信号转换滤波放大A/D转换.PG光电隔离倍频变向位置可逆计数器数字式速度测量计数器位置给定+-霍尔元件+图1-1.3 数字式双闭环直流调速系统方框图1.6数字式双闭环直流调速系统硬件结构图 数字式双闭环直流调速系统硬件结构图如图1-1.4所示图1-1.4 数字式双闭环直流调速系统硬件结构图1.7 8051单片机简介本系统要求微型计算机完成电流环、速度环和位置环的控制算法运算以及相应的反馈信号数字化测量和采
11、样,接收和处理上位微型计算机送给伺服系统的指令,采集伺服系统的有关信息并反馈到上位微型计算机等。其中,电流环控制要求微型计算机有很快的响应速度,其采样频率比较高。另外,为了保证足够的控制精度和运算速度,对微型计算机字长和指令功能也有更高的要求。本系统选用我们比较熟悉的8051作为微型计算机。1.7.1 8051单片机的基本组成8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示： 图1-1.5 8051单片机基本组成1.7.2 CPU及8个部件的作用功能介绍如下中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80HFFH。内部程序存储器
