直流電動機閉環(huán)調速系統(tǒng)

1、裝訂線長 春 大 學 課程設計紙目錄第1章 緒論1第2章 課程設計的方案22.1 概述22.2方案選擇22.3系統(tǒng)組成總體結構4第3章 硬件設計53.1單片機控制器53.2 接口電路53.3 D/A轉換電路63.4 觸發(fā)電路63.5 電流檢測電路73.6 A/D轉換電路83.7 轉速檢測電路83.8鍵盤顯示電路9第4章 軟件設計104.1設計要求104.2 電流環(huán)的設計104.3 轉速環(huán)的設計114.4閉環(huán)動態(tài)結構框圖設計114.5程序設計12第五章 系統(tǒng)測試與分析/實驗數(shù)據(jù)及分析14第6章 課程設計總結16參考文獻17第 16 頁 共 17 頁第1章 緒論 三十多年來，直流電機調速控制經歷了

2、重大的變革。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足生產要求，但是因為元件容易老化，在使用中易受外界干擾影響，并且線路復雜、通用性差，控制效果受器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運行可靠性及標準性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。而如今首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。大功率直流調速系統(tǒng)通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉速。同時，控制電路已經實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用，使直流調速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。直流調速技術不斷發(fā)展，走向

3、成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代。直流調速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉速度發(fā)生變化。直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動領域應用歷史悠久。雙閉環(huán)不可逆調速系統(tǒng)在上世紀七十年代在國外一些發(fā)達國家興起，經過數(shù)十年的發(fā)展已經成熟，在二十一世紀已經實現(xiàn)了數(shù)字化與智能化。我國在直流調速產品的研

4、發(fā)上取得了一定的成就，但和國外相比仍有很大差距。我國自主的全數(shù)字化直流調速裝置還沒有全面商用。目前，發(fā)達國家應用的先進電氣調速系統(tǒng)幾乎完全實現(xiàn)了數(shù)字化，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)已經普遍的應用到了各類儀器儀表，機械重工業(yè)以及輕工業(yè)的生產過程中。隨著全球科技日新月異的發(fā)展，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢也向著控制的數(shù)字化，智能化和網絡化發(fā)展。而在我們國內，雙閉環(huán)控制也已經經過了幾十年的發(fā)展時期，已經基本發(fā)展成熟，目前的趨勢仍是追趕著發(fā)達國家的腳步，向著數(shù)字化發(fā)展。隨著單片機技術的發(fā)展和應用，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，使系統(tǒng)的性能更優(yōu)。第2章 課程設計的方

5、案2.1 概述本次設計主要是綜合應用所學知識，設計雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，并在實踐的基本技能方面進行一次系統(tǒng)的訓練，能夠較全面地鞏固和應用“微型計算機控制系統(tǒng)”課程中所學的基本理論和基本方法，并初步掌握小型微機系統(tǒng)設計的基本方法。應用場合: 應用于經常頻繁調速運行的高性能調速系統(tǒng)，例如可逆軋鋼機和龍門刨床等高精度工業(yè)自動化領域。系統(tǒng)功能介紹：雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是串級調速控制系統(tǒng)，即分別通過轉速環(huán)和電流環(huán)協(xié)同作用來調節(jié)直流電動機的轉速，由相應的控制器連接外圍電路，實現(xiàn)轉速設定、顯示和保護等功能。 2.2方案選擇方案一：單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是指只有一個轉速負反饋構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在直

6、流電動機上安裝一臺測速裝置，引出與轉速成正比的電壓與給定轉速定電壓比較后，得偏差電壓U ，經ASR控制器進行PID調節(jié)，產生整流觸發(fā)裝置的控制電壓，控制直流電動機轉速，如圖2.1所示。圖2.1 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖方案二：雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖如圖 2.2 所示。電動機的轉速和電流分別由兩個獨立的調節(jié)器控制，系統(tǒng)中設置了電流調節(jié)器 ACR 和轉速調節(jié)器ASR?？梢?，電流調節(jié)器ACR和電流檢測反饋回路構成了電流環(huán)（內環(huán)），ACR接收由ASR輸出和反饋電流電壓的偏差電壓進行調節(jié)，輸出信號控制觸發(fā)整流裝置；轉速調節(jié)器 ASR 和轉速檢測反饋環(huán)節(jié)構成了轉速環(huán)（外環(huán)），

7、ASR接收給定轉速電壓和轉速電壓的偏差電壓進行調節(jié)，輸出電流環(huán)的給定電壓。ASR 和 ACR 均為 PI調節(jié)器，輸入輸出均設有限幅電路，轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。圖 2.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理方案一采用單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構簡單，可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差，實現(xiàn)平滑調速。但是反饋調節(jié)時整流電路的脈波數(shù)m = 2 ，3，6，12， 其數(shù)目總是有限的，比直流電機每對極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。因此,除非主電路電感L = ，否則晶閘管電動機系統(tǒng)的電流脈動總會帶來各種影響，主要有：(1)

8、脈動電流產生脈動轉矩,對生產機械不利；(2)脈動電流流入電源，對電網不利，同時也增加電機的發(fā)熱。晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直流分量外，還含有交流分量，交流分量會造成電網波動。方案二采用雙閉環(huán)轉速電流調節(jié)方法，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對生產工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態(tài)過程。在啟動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋，讓電流負反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉速，實現(xiàn)轉速無靜差調節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產需求。而單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)對于快速起制動、突加負載動態(tài)速

9、降小等環(huán)境就不能滿足要求，因為單閉環(huán)系統(tǒng)不能隨心所欲的控制電流和轉矩的動態(tài)過程。綜合考慮，本設計選擇了方案二，即雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)。2.3系統(tǒng)組成總體結構本系統(tǒng)主要由單片機控制器、接口電路、D/A轉換電路、觸發(fā)電路、三相整流電路、電流檢測電路、A/D轉換電路、轉速檢測電路、鍵盤顯示電路和直流電動機構成。系統(tǒng)由鍵盤輸入給定轉速，給定值與接口電路接收的轉速反饋信號及電流反饋信號形成偏差，由單片機控制器分別進行轉速和電流的PID調節(jié)，輸出控制信號經數(shù)模轉換作為觸發(fā)整流電路的控制電壓，調節(jié)整流輸出電壓以調節(jié)直流電動機的轉速，使轉速盡快達到給定值并實現(xiàn)無靜差，并實時顯示電機轉速。系統(tǒng)結構圖如下圖2.3所

10、示。圖2.3 系統(tǒng)結構框圖第3章 硬件設計3.1單片機控制器雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的控制功能簡單，選擇單片機AT89C52作為主控制器， AT89C52是一個低電壓、高性能的CMOS 8位單片機，片內8KB Flash ROM程序存儲器；可尋址64KB的片外程序存儲器片外數(shù)據(jù)存儲器控制電路 ；2個16位定/計數(shù)器；2個外部中斷；一個全雙工的異步串行口。單片機最小系統(tǒng)如下上圖3.1所示。圖3.1 單片機最小系統(tǒng)電路3.2 接口電路由于外圍所接電路的信號及數(shù)據(jù)線較多，故選擇8255A接口電路進行拓展，其中8255A接口有PA、PB、PC三個可編程接口，可以工作在三種方式。接口電路與A/D和D/A轉換電

11、路相連，接收經A/D轉換的反饋電流信號并送往單片機P0口，接收單片機控制信號送往D/A轉換器轉換后控制觸發(fā)整流電路。接口電路圖如下圖3.2所示。 圖3.2 接口電路圖3.3 D/A轉換電路本設計的D/A轉轉器采用DAC0832，DAC0832是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位數(shù)/模轉換器，可以工作在直通、單緩沖和雙緩沖三種方式，本設計采用直通方式。D/A轉換圖如下圖3.3所示。圖 3.3 D/A轉換電路圖3.4 觸發(fā)電路為使線路簡單，工作可靠，裝置體積小，本設計采用KJ004組成的六脈沖集成觸發(fā)電路。觸發(fā)電路根據(jù)給定的控制電壓，輸出相應的觸發(fā)脈沖信號，分別控制三相晶閘管整流電路的晶閘管

12、觸發(fā)端，改變導通角以實現(xiàn)調節(jié)直流電動機的供電電壓。a相觸發(fā)電路圖如下圖3.4所示。圖 3.4 觸發(fā)原理引腳圖3.5 電流檢測電路電流檢測電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電壓信號，經過濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。本設計的電流檢測電路采用ACS712傳感器，ACS712串聯(lián)在整流回路中，里面的霍爾傳感器根據(jù)電流大小感應出電壓來，將電壓送往A/D轉換器處理，作為電流反饋信號。電流檢測電路腳圖如下圖3.6所示。圖 3.5 電流檢測電路圖3.6 A/D轉換電路本設計的A/D轉轉器采用ADC0809，ADC0809 是8位逐次逼近型A/D轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D

13、 轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。A/D轉換器將采集來的電流反饋信號進行數(shù)模轉換，送給單片機的接口電路，完成信息采集。A/D轉換電路圖如下圖3.7所示。圖 3.6 A/D轉換電路圖3.7 轉速檢測電路對于要求精度高、調速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉編碼器測速，即數(shù)字測速，測速器選擇EPC7553。本設計的速度測量采用數(shù)值M/T法測速。利用T1作為定時器，T0為計數(shù)器，在一定時間Tc內由單片機接口測取旋轉編碼器的輸出脈沖個數(shù)M1，又檢測同一時間間隔內高頻脈沖個數(shù)M2，最后由轉速中斷程序完成轉速的測量。轉速檢測電路圖如下圖3.8所示。圖 3.7 轉速檢測電路圖3.8鍵盤顯示電路鍵盤顯示電路要完成

14、轉速的設定以及轉速實時顯示，本設計選取CH451芯片作為鍵盤顯示驅動芯片。CH451 是一個整合了數(shù)碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制以及P 監(jiān)控的多功能外圍芯片。CH451內置RC振蕩電路，可以動態(tài)驅動8位數(shù)碼管或者64位 LED，具有 BCD譯碼、閃爍、移位等功能；同時還可以進行 64 鍵的鍵盤掃描；CH451 通過可以級聯(lián)的串行接口與單片機等交換數(shù)據(jù)；并且提供上電復位和看門狗等監(jiān)控功能。由于端口接線少，而且控制簡單，實時刷新，可以兼并鍵盤轉速設定和四位數(shù)碼管的轉速輸出，所以選擇CH451芯片。其中按鍵K0和K5用于控制電動機的啟動和停止，K1和K6負責轉速千位的增減，K2和K7負責轉速百位的增減

15、，K3和K8負責轉速十位的增減，K43和K98負責轉速百位的增減。，鍵盤顯示電路如下圖3.9所示。圖 3.8 鍵盤顯示電路第4章 軟件設計 4.1設計要求直流電動機設計雙閉環(huán)直流晶閘管調速系統(tǒng)，技術要求如下：1. 直流電動機的額定功率PN=10KW，額定電壓UN=220V，額定電流IN=55A，額定轉速=1000r/min，電樞電阻Ra=0.5，電樞回路總電阻可取為R=2Ra=1，電樞繞組電感La=17mH，電流過載倍數(shù)=1.5，系統(tǒng)總飛輪矩GD2=10 Nm2。2. 設計要求：設計指標：調速范圍D=10，靜差率s 5%。系統(tǒng)參數(shù)：電動勢結構常數(shù)=（220-55*0.5）/1000=0.192

16、5 電磁時間常數(shù)=0.017/1s=0.017s，=10*1/(375*9.55*0.1925*0.1925)=0.075s所選的晶閘管裝置放大系數(shù)=44，觸發(fā)整流裝置滯后時間常數(shù)=0.00167s設電流環(huán)的限幅電壓為10V，則測速碼盤的轉速反饋系=0.01158電流檢測電路反饋系數(shù)=0.0964.2 電流環(huán)的設計1、確定時間常數(shù)1) 整流裝置滯后時間常數(shù)，三相橋式電路平均失控時間=0.0017s2) 電流濾波時間常數(shù)，三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應有（12），因此取=2ms=0.002s。3) 電流環(huán)小時間常數(shù)之和T，按小時間常數(shù)近似處理，取 (4.1)2、選

17、擇電流調節(jié)器結構根據(jù)設計要求靜差率s 5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可用電流型PI調節(jié)器。其傳遞函數(shù) (4.2)電流調節(jié)控制對象傳遞函數(shù) (4.3)由工程整定方法可知，電流環(huán)為隨動系統(tǒng)，故可知 (4.4)由整定方法知道=0.017s*=*0.0017=0.5可得=294.2= =294.2*1*0.017/(0.096*44)=1.179則電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)為 (4.5)4.3 轉速環(huán)的設計轉速調節(jié)器的結構選擇PI型，因為轉速換為外環(huán)，抗外界擾動能力比較強。轉速環(huán)控制對象為內環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，即慣性環(huán)節(jié)，設調節(jié)器傳遞函數(shù)為 (4.6)其

18、被控對象傳遞函數(shù) (4.7) (4.8)由題可知抗擾系統(tǒng)的 (4.9) (4.10)由工程方法可知h=5=h/=5/294.2=0.017s=10386所以 =10386*0.017*.0144/0.121=21.08即轉速調節(jié)器傳函為 (4.11) 4.4閉環(huán)動態(tài)結構框圖設計雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的轉速環(huán)在電流環(huán)之外，控制電動機的轉速，輸出作為電流環(huán)的給定值，實現(xiàn)轉速無靜差。電流環(huán)控制電動機的電流，輸出整流觸發(fā)裝置的觸發(fā)電壓，可以通過調節(jié)電流快速調節(jié)轉矩，以實現(xiàn)快速加減速。兩個控制器均采用PI調節(jié)器，雙閉環(huán)的直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構框圖如下圖4.1所示。圖4.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構框圖 4.

19、5程序設計雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的程序由主程序、中斷采樣程序和鍵盤顯示子程序構成。中斷采樣程序主要完成電流的采樣和轉速的采樣；鍵盤顯示子程序主要完成給定和轉速顯示；主程序主要完成電流偏差和轉速偏差的PID調節(jié)、輸出限幅及輸出值D/A轉換。圖4.2為中斷采樣程序，圖4.3為鍵盤顯示子程序，圖4.3為主程序。 圖4.2 中斷采樣程序 圖4.3 鍵盤顯示子程序圖4.3 主程序第五章 系統(tǒng)測試與分析/實驗數(shù)據(jù)及分析雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)采用轉速環(huán)和電流環(huán)串級調節(jié)電動機轉速，在設計過程中采用了MATLAB軟件仿真，仿真結果表明，雙閉環(huán)系統(tǒng)可以實現(xiàn)轉速無靜差，并且調速性能好，能實現(xiàn)短時間加減速，抗外界電壓、負載干

20、擾能力強。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真結果如下所示，圖5.1為設定轉速1000r/min的仿真曲線，圖5.2為設定轉速100r/min的仿真曲線，并記錄相關仿真數(shù)據(jù)如下表5.1。圖 5.1 轉速1000r/min的仿真曲線圖 5.2 轉速100r/min的仿真曲線表5.1 仿真曲線數(shù)據(jù)表圖5.1設定值超調量穩(wěn)定時間穩(wěn)態(tài)值圖5.21000r/min17%0.2s1000r/min圖5.3100r/min17%0.2s100r/min圖5.3為在3s時加階躍擾動的仿真波形圖5.3 階躍擾動的仿真波形第6章 課程設計總結 本設計“直流電動機閉環(huán)調速系統(tǒng)設計”，應用經典控制理論的工程設計方法設計轉速和電流閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，最后應用MATLAB軟件對設計的系統(tǒng)進行仿真和校正以達到滿足控制指標的目的。對于給定直流拖動控制系統(tǒng)在經典控制理論工程計算的基礎上，在完成參數(shù)測定后，應用雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)工程設計方法設計了主電路、電流環(huán)和轉速環(huán)，并應用MATLAB語言中的SIMULINK工具箱對系統(tǒng)進行了仿真，看到了