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1、基于80C196KC单片机数字触发的转速电流双闭环V-M直流调速系统设计运动控制期中设计论文题目：基于80C196KC单片机数字触发的转速电流双闭环V-M 直流调速系统设计学 院：.专业班级:.指导老师：姓 名：.提交日期：2012年5月16日- 5 -目 录摘 要 2第1章 设计任务 2第2章 系统设计32.1 系统总原理框图32.2 控制电路总体图42.3 系统主电路图5第3章 主要环节设计63.1 电流环的设计63.2 转速环的设计8第4章 单元模块设计 104.1 电源及转速给定电路设计 104.2 转速检测电路设计114.3 电流检测电路设计 124.4 系统触发电路设计13第5章
2、主电路元件参数计算及选型225.1 变压器容量计算及选型225.2 整流元件晶闸管的选型255.3保护电路计算与选型25六 心得体会：28七 附件28附件一 系统总原理图29附件二 参考文献30摘要 本文是在以80C196KC单片机为基础的数字触发器上，实现了转速电流双闭环的直流V-M调速.论文重点介绍了转速环和电流环的设计思想及参数计算，并详细介绍了以单片机实现数字触发器的各个部分的实现原理。完成了具有良好的起动性能，宜于在大范围内平滑无静差调速的直流电动机调速任务。关键字 80C196KC单片机 数字触发器 双闭环 直流V-M调速 Abstract：This paper is based
3、on intel 80C196KC digital trigger, realize the double closed loop of speed and current of DC speed on V-M. Whats more, place an important emphasis on the rotation speed loop and current loop of the design idea and parameters calculation, and introduces the MCU to various parts of the digital trigger
4、 the realization of the principle. The system Complete the task of good start performance, in the large range of speed regulation for DC speed control smooth. Key words: intel 80C196KC digital trigger double closed loopDC speed on V-M一 设计任务1.1 设计题目转速电流双闭环直流调速系统设计1.2. 已知参数某转速电流双闭环直流调速系统采用晶闸管三相桥式全控整流电
5、路供电，已知基本数据如下： （1）电动机参数： =220V , =136A , =1460r/min, =0.2, 允许过载倍数 。（2）闸管放大系数： =40。（3）电枢回路总电阻：R=0.5（4）电枢回路总电感：L=15mH；（5）电动机轴上的总飞轮力矩：=22.5N.；（6）电流反馈系数：（7）转速反馈系数：（8）滤波时间常数：电流反馈滤波时间常数 =0.002s ，转速反馈滤波时间常数 =0.01s。1.3 设计指标：电流超调量转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量。1.4 设计要求： （1）运用调节器工程设计法设计ASR与ACR，达到系统的设计指标，得到ASR与ACR的结构与参
6、数。电流环设计为典1系统，转速环设计为典2系统。（2）设计出上述设计的直流双闭环调速系统的完整硬件实现原理图，原理图采用Protel软件画图。（3）说明原理图实现上述直流调速系统的原理。（4）给出原理图每个元件的型号与值，并说明选值依据。（5）系统控制部分可以采用模拟电路或者微处理器实现。若采用微处理器实现，要说明软件实现流程以及核心软件的算法。二 系统设计2.1 系统总原理框图直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。其中，驱动电路由同步变压器和80C196KC单片机
7、以及驱动放大电路组成。三相交流电源三相桥式整流电路直流电动机整流供电转速电流负反馈驱动电路保护电路图1 系统框图80C196KC单片机输入信号预处理隔离驱动放大同步电路模拟输入Uc同步电压Ut图 2 驱动电路2.2 控制电路总体本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如图3所示。转速，电流双闭环调速系统属于多环控制系统。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PI 调节器。对电流双闭环调速系统而言，先从内环（即电流环）出发，根据电流控制要求，确定把电流环校正为那种典型系统。按照调节对象选择调节器及其参数。设计完电流环环节之后，把它等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部
8、分。然后用同样的方法进行转速环的设计，每个环的设计都是把该环校正为一个典型系统，以获得预期的性能指标。目前的V-M调速系统多为带电流内环的速度控制系统。双闭环调速系统的稳态结构图如图4所示，动态结构图如图5所示。 图3 转速、电流双闭环直流调速系统原理框图（注: ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG直流测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子装置 Un*转速给定电压 Un转速反馈电压 Ui*电流给定电压 Ui 电流反馈电压）图4 双闭环直流调速系统稳态图图5 双闭环直流调速系统动态结构图说明：转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级连接，即以ASR
9、的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构上看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。为了获得良好的静。动态性能，转速和电流两个调节器都采用具有输入、输出限幅电路的PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。2.3 系统主电路图 系统采用三相桥式全控整流电路。如下图所示：图6 系统主电路及保护电路 说明： 该桥式全控整流电路有如下特点： （1）三相桥式全控整流电路必须有两只晶闸管同时导通才能构成电流回路，其中一只在共阴组，另外一只在共阳组，而且这两只导通的管子不在同一相内。因此，负载电压是两相电压之差，即线电压，一个周
10、期内有六次脉动，它为线电压的包络线。 （2）晶闸管在一个周期内导通120，关断240，管子换流只在本组内进行，每隔120换流一次。 （3）出发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲，共阴极组及共阳极组内各管脉冲相位差为120，接在同一相的不同管子脉冲相位差为180。晶闸管按顺序轮流导通，相邻顺序管子脉冲相位差为60，即每隔60换流一次。 （4）晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值。三 主要环节设计 根据调节器工程设计法设计ASR与ACR，达到系统的设计指标，得到ASR与ACR的结构与参数。进行有关的计算，具体如下：3.1.电流环设计图7含给定滤波器和反馈滤波的PI电流调节器(1) 时间参数的
11、确定1、电动机的电动势系数：2、电机额定励磁下的转矩系数：3、电枢回路电磁时间常数：4、电力拖动系统机电时间常数：5、整流滤波时间常数：三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s6、电流滤波时间常数：三相桥式电路每个波头的时间是0.0033s，为了基本滤平波头，应有（12）=0.0033s，因此取=2ms=0.002s7、电流环小时间常数之和：按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。(2) 典型系统的选择：从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程
12、中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 (3) 计算电流调节器的参数1、ACR超前时间常数: 2、电流环开环增益：在本设计中，要求时，应取，因此：于是，ACR的比例系数为： (4) 校验近似条件电流环截止频率1、校验晶闸管整流装置传递函数近似条件为： 满足近似条件。2、忽略反电动势变化对电流环影响的条件为： 满足近似条件。3、校验电流环小时间常数近似处理条件为： 满足近似条件。(5) 计算调节器电阻和电容由运算放大器的
13、电路原理可以得出，当调节器输入电阻时，电流调节器的具体电路参数如下： ，取40，取0.75，取0.23.2转速环设计图8 含给定滤波器和反馈滤波的PI型转速调节器（1）时间常数的确定：1、电流环等效时间常数：2、转速滤波时间常数 ：3、转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取（2）选择转速调节器结构： 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传
14、递函数为 (3) 选择转速调节器参数：按跟随和抗干扰性能较好的原则，取h=5，则1、 ASR的超前时间常数为：2、转速环开环增益： 于是，ASR的比例系数: （4）检验近似条件：由转速截止频率：;1、电流环传递函数简化条件: 满足简化条件2、 转速环小时间常数近似条件为： 满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容由运算放大器的电路原理可以得出，当调节器输入电阻时，电流调节器的具体电路参数如下：，取470，取，取1（6）校核转速超调量 由 可得：当h=5时, =81.2%，因此 能满足设计要求。四 单元模块设计根据设计要求，本文所设计的双闭环直流晶闸管调速系统主要包含基准电源及转速给定电路、转速检测电路、电流检测电路、控制电路、整流及晶闸管保护电路、触发脉冲输出电路等几个部分。4.1电源及转速给定电路设计本系统需要+15V电源，在设计中，直流稳压电源电路通过三端集成稳压器获得各路直流电源，由电源变压器、整流电路、滤波滤波和稳压电路
