雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速H型PWM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬浅Ｖ匾淖饔?。直流電機(jī)是比較常見的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到了非常廣泛應(yīng)用。直流電機(jī)調(diào)速問題一直是自動(dòng)化領(lǐng)域非常重要的問題之一。采用傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下缺陷：模擬電路非常容易隨時(shí)間漂移，會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，并且對(duì)噪聲十分敏感等。采用單片機(jī)構(gòu)成的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，其控制核心主要由觸發(fā)、測(cè)速、雙極性H型PWM變換電路、轉(zhuǎn)速與電流控制器等組成。本文從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用單片機(jī)硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個(gè)將單片機(jī)和電力拖動(dòng)控制相結(jié)合的新的控制方

2、法，研究工作在對(duì)控制對(duì)象全面兼顧的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)控制部分展開研究，它包括對(duì)實(shí)現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的探討等內(nèi)容。利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速，此系統(tǒng)使直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速方便，調(diào)速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)的各種特殊運(yùn)行要求。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)，PWM，直流電動(dòng)機(jī)Design of DC PWM Speed Regulation System Based on Double Closed-loop ControlAbstractIn the age of electricity, electric

3、 motor plays a very important role in the industrial and agricultural production and people's daily life. DC is a much more common form of motor and has been very widely used in various areas. DC motors speed mutilation is one very important issue in the automation. The traditional control syste

4、m has the following shortcomings: analog circuit is very easy to drift over time and sensitive to noise, producing some unnecessary heat loss and so on.Double loop DC PWM speed control system formed by SCM is mainly made up of the circuit of trigger, the circuit of speed measurement, bipolar H-PWM c

5、onversion circuit, speed and current controller and other components. Based on the principle of the DC speed control system and we gradually establish a mathematical model of double-loop DC PWM speed control system. We use the latest results of single-chip microcomputer hardware and software to expl

6、ore a new control method which combines the single-chip computer and electric drive control system. The research gives attention to both the comprehensive control object and focuses on the control section, which includes the hardware and software achieving control of system, control strategy and con

7、trol algorithm and so on.Using single-chip microprocessor to achieve double-loop DC motor speed control, this system enables DC motor has excellent speed features, easy to speed, wide speed range and large overload range. Besides this system can withstand frequent impact loads, brake and reversion.

8、Above all, this system can meet various special running requirements in the production process automation systems. Key words: Double-loop, PWM, DC motor 目錄第一章 緒論11.1 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法介紹11.2 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源11.3 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由2第二章 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)32.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性32.1.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成32.1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性32.2 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正-PI

9、調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)42.3 轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系5第三章 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)73.1 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)73.1.1 PWM變換器73.1.2 選擇IGBT的H橋型主電路的理由83.1.3 整流電路設(shè)計(jì)93.1.4 泵升限制電路103.2 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì)103.2.1 單片機(jī)的選擇103.2.2 雙極型PWM的實(shí)現(xiàn)113.2.3 測(cè)速電路123.2.4 電流檢測(cè)電路133.2.5 鍵盤電路13第四章 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)154.1 主程序設(shè)計(jì)154.2 子程序的初始化設(shè)計(jì)154.3 中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)16第五章 結(jié)論22參考文獻(xiàn)23致

10、 謝24附錄A 系統(tǒng)硬件原理圖25附錄B 系統(tǒng)程序清單26第一章 緒論電動(dòng)機(jī)作為最主要的動(dòng)力源和運(yùn)動(dòng)源之一，在生產(chǎn)和生活中占有十分重要的地位。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方法過去多用模擬法，隨著單片機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展以及新型自關(guān)斷元器件的不斷涌現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的控制也發(fā)生了深刻的變化1。直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)是一項(xiàng)以直流電動(dòng)機(jī)作為機(jī)械本體，融入了電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的多學(xué)科交叉機(jī)電一體化技術(shù)。單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用使調(diào)速系統(tǒng)具有了數(shù)值運(yùn)算、邏輯判斷及信息處理的功能。1.1 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法介紹直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：（1）改變電樞電阻（R）調(diào)速。（2）改變電樞電壓（U）調(diào)速。

11、（3）改變主磁通（）調(diào)速。前兩種調(diào)速方法主要適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，后一種調(diào)速方法適用于恒功率負(fù)載。串電阻調(diào)速為有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性比較差，機(jī)械特性斜率增大，速度穩(wěn)定性比較差，受靜差率的限制，調(diào)速范圍比較小。改變電樞電壓調(diào)速為無級(jí)調(diào)速，機(jī)械特性斜率不變，速度穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍比較大。改變主磁通調(diào)速，控制方便，能量損耗比較小，調(diào)速平滑，但受最高轉(zhuǎn)速限制，調(diào)速范圍不大2。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以改變電樞電壓調(diào)速方式為最好。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主要調(diào)節(jié)方式。1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電壓控制的方式來調(diào)節(jié)電樞電壓需要一個(gè)特殊的可控直流電源。

12、比較常用的可以控制直流電源有以下三個(gè)：（1）靜態(tài)控制整流器。使用靜態(tài)可控整流得到一個(gè)可調(diào)的直流電壓。（2）直流斬波器或脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器。用不變的直流電源或者不可以控制的整流電源提供電能，使用電力電子開關(guān)器件斬波器或脈寬調(diào)制，從而產(chǎn)生可以變化的直流電壓。（3）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。由交流電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成單位，獲得可調(diào)的直流電壓。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組需要的設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低，安裝需打地基，運(yùn)行有噪聲，維護(hù)不方便。靜止式可控整流器雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且還大大縮短了響應(yīng)時(shí)間，但閘流管容量小，汞弧整流器造價(jià)較高，體積仍然很大，維護(hù)麻煩，萬一水銀泄漏，將會(huì)污染環(huán)境，危害身體健康3。目前，采用

13、晶閘管整流供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。同時(shí)，其對(duì)過電壓、過電流都十分敏感，容易損壞器件。由于以上種種原因，所以選擇了脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行改變電樞電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)。1.3 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制的控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)4。PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：（1）主電路線路非常簡(jiǎn)單，需要用到的功率器件比較少。（2）開關(guān)頻率比較高，電機(jī)損耗及發(fā)熱都比較少，電流很容易連續(xù)，并且諧波少。（

14、3）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗比較小，裝置效率比較高。（4）低速性能比較好，調(diào)速范圍比較寬，穩(wěn)速精度比較高。（5）若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。（6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。由于有上述優(yōu)點(diǎn)，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速系統(tǒng)，這是我們選取它作為研究對(duì)象的重要原因。第二章 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)2.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖2-1是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖。在此系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流

15、，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，這是為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用。二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接，或稱串級(jí)聯(lián)接。+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLM-MTGUPE圖2-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖可以很方便地畫出穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2-2。 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE圖2-2

16、 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖a轉(zhuǎn)速反饋系數(shù); b 電流反饋系數(shù)這種PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和和不飽和。輸出如果達(dá)到限幅值就是飽和，輸出如果沒有達(dá)到限幅值就是不飽和5。當(dāng)輸出為恒值，輸入量的變化不會(huì)再影響輸出時(shí)，調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)。當(dāng)PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是等于零時(shí)，調(diào)節(jié)器處于不飽和狀態(tài)6。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用，此時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于飽和輸出時(shí)，負(fù)載電流達(dá)到最大電流，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，此時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差7。這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶

17、電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性要好得多。2.2 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正-PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示： U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASRWACRKs Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E 圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，常常會(huì)遇到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況。為了使系統(tǒng)同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求，必須設(shè)計(jì)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置。在此調(diào)速系統(tǒng)中，由于其傳遞函數(shù)的階次不是很高，采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就可以完成動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)

18、定裕度，并且具有足夠的快速性，可是穩(wěn)態(tài)精度卻不高；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，但是快速性卻不高；用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體的操作和調(diào)試卻非常復(fù)雜8。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對(duì)快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是：先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)，后設(shè)計(jì)外環(huán)。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。2.3 轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。這樣做，雖然不利于快速性，但每個(gè)控制環(huán)本身都是穩(wěn)

19、定的，對(duì)系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有利。圖2-4是本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理框圖。圖2-4 系統(tǒng)原理框圖第三章 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用一個(gè)8位單片機(jī)C8051F005做主控制器。以H型雙極性可逆PWM變換器為主回路核心，采用典型的雙閉環(huán)調(diào)速原理組成PWM調(diào)速系統(tǒng)。C8051F005的PCA提供PWM脈沖，給定的速度值、速度反饋值和電流反饋值可以控制PWM脈沖。改變PWM脈沖的占空比可以改變IGBT的輸出電壓，以此來改變直流電動(dòng)機(jī)的速度。由于C8051F005單片機(jī)內(nèi)部有模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊，所以直流測(cè)速機(jī)將速度值轉(zhuǎn)化為電壓值，然后直接由A/D轉(zhuǎn)換通道變成數(shù)字量送入單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)

20、轉(zhuǎn)速檢測(cè)。電流檢測(cè)是通過霍爾效應(yīng)電流傳感器由A/D轉(zhuǎn)換通道變成數(shù)字量送入單片機(jī)。整流電路采用三相橋式全控整流電路。3.1 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)3.1.1 PWM變換器脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱PWM變換器。直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)分為不可逆和可逆系統(tǒng)。不可逆系統(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)只能單向旋轉(zhuǎn)；可逆系統(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)可以正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。對(duì)于可逆系統(tǒng)，又可以分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)兩種方式。單極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是單一極性的；雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是正負(fù)交替的。本設(shè)計(jì)采用雙極性驅(qū)動(dòng)可逆PWM變換器。

21、圖3-1是H型雙極性可逆PWM變換器原理圖。它包含有4個(gè)IGBT 管和4個(gè)續(xù)流二極管。4個(gè)IGBT管分成兩組，VT1，VT4為一組；VT2，VT3為另一組。同一組的IGBT管同時(shí)導(dǎo)通或截止，不同組的IGBT管的導(dǎo)通與截止是不相同的。圖3-1 H型雙極性可逆PWM變換器 在每一個(gè)PWM周期里，當(dāng)P3.0的控制信號(hào)為高電平時(shí)，開關(guān)管VT1、VT4導(dǎo)通，此時(shí)P3.1的控制信號(hào)為低電平，因此VT2、VT3截止；當(dāng)P3.0的控制信號(hào)為低電平時(shí)，開關(guān)管VT1、VT4截止，此時(shí)P3.1的控制信號(hào)為高電平，因此VT2、VT3導(dǎo)通。當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)工作時(shí)，在每一個(gè)PWM周期的正脈沖區(qū)間，VT1、VT4導(dǎo)通，VT

22、2、VT3截止。在每一個(gè)PWM周期的負(fù)脈沖區(qū)間，VT2、VT3導(dǎo)通，VT1、VT4截止，電流的方向仍然不變，只不過電流幅值的下降速率比不可逆控制系統(tǒng)的要大，因此電流的波動(dòng)較大。H型雙極式可逆 PWM 變換器的優(yōu)點(diǎn)如下：（1） 電流一定連續(xù)；（2） 可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行；（3） 電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流，從而可以消除靜摩擦死區(qū)；（4） 低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍然比較寬，可以充分保證器件的可靠導(dǎo)通；（5） 低速時(shí)，平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1：20000 左右。3.1.2 選擇IGBT的H橋型主電路的理由絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是由MOSFET和GTR技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型開關(guān)器件9。

23、它也是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。選用IGBT的理由：（1）IGBT的開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。（2）在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。本設(shè)計(jì)中選用的IGBT管的型號(hào)是IRGPC50U，它的參數(shù)如下：管子類型：NMOS場(chǎng)效應(yīng)管極限電壓Vm：600V極限電流Im：27 A耗散功率P：200 W 額定電壓U：220V額定電流I：1.2A 整流電路設(shè)計(jì)整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?。本設(shè)計(jì)采用三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖3-2所示，陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組

24、；陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。圖3-2 三相橋式全控整流電路原理圖這種整流電路的輸出電壓一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形完全相同，故該電路為6脈動(dòng)整流電路10。3.1.4 泵升限制電路當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由高變低時(shí)（減速或者停車），儲(chǔ)存在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)能將會(huì)變成電能，并通過雙極式可逆 PWM 變換器回送給直流電源。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回送電能，電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好給濾波電容充電，從而使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。過高的泵升電壓會(huì)損壞元器件，所以必須采取預(yù)防措施，防止過高的泵升電壓出現(xiàn)?？梢圆捎糜煞至麟娮鑂和開關(guān)元件（電力電

25、子器件）VT組成的泵升電壓限制電路，如圖3-3所示。當(dāng)濾波電容器C兩端的電壓超過規(guī)定的泵升電壓允許數(shù)值時(shí)，VT導(dǎo)通，將回饋能量的一部分消耗在分流電阻R上。在本設(shè)計(jì)中泵升電路電解電容選取C=2000F；電壓U=450V；VT選取IRGPC50U 型號(hào)的IGBT管；電阻選取R=20。圖3-3 泵升電壓限制電路3.2 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì)3.2.1 單片機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)選用C8051F005單片機(jī)。C8051F005單片機(jī)是一種與51系列單片機(jī)內(nèi)核兼容的單片機(jī)，具有高速、高性能、高集成度等優(yōu)點(diǎn)。它使用Cygnal的CIP-51內(nèi)核，工作在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為25MHz。以下是對(duì)C8051

26、F005單片機(jī)片內(nèi)資源的介紹：（1）10/12位多通道輸入模/數(shù)（ADC）；（2）2路12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）；（3）16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列（PCA），可用于PWM波發(fā)生器等；（4）4個(gè)通用16位定時(shí)器；（5）32個(gè)通用I/O口；（6）32KB Flash內(nèi)部程序存儲(chǔ)器；（7）片內(nèi)看門口定時(shí)器、片內(nèi)時(shí)鐘源。C8051F005單片機(jī)的引腳及其部分電路如圖3-4所示。圖3-4 C8051F005單片機(jī)的引腳及其部分電路3.2.2 雙極型PWM的實(shí)現(xiàn)基于C8051F005單片機(jī)的PWM 軟件實(shí)現(xiàn)的重要硬件支撐是該單片機(jī)內(nèi)部的16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列（PCA）。在C8051F005內(nèi)

27、實(shí)現(xiàn)PWM 的基本過程：首先，由控制信號(hào)的變化范圍和設(shè)定的脈沖頻率T，求出t時(shí)刻通過控制信號(hào)V（t）的對(duì)應(yīng)正、負(fù)脈沖的持續(xù)時(shí)間。通過給定時(shí)器賦與相應(yīng)的初值從而得到正、負(fù)脈沖在單片機(jī)里的時(shí)間長(zhǎng)度，在機(jī)器周期的同步下，定時(shí)器會(huì)從這個(gè)初值的基礎(chǔ)上加1計(jì)數(shù)，如果產(chǎn)生了溢出中斷就代表定時(shí)器已滿，單片機(jī)上某一引腳相應(yīng)的正、負(fù)電平極性的持續(xù)時(shí)間就是由這個(gè)中斷所響應(yīng)的服務(wù)程序所控制的。只要上述過程是持續(xù)進(jìn)行的，就可以在這個(gè)引腳上獲得寬度隨控制信號(hào)V（t）大小變化的PWM方波信號(hào)。通常單片機(jī)是單極型的，實(shí)際電平0V對(duì)應(yīng)單片機(jī)的邏輯0，實(shí)際電平+5 V對(duì)應(yīng)單片機(jī)的邏輯1。一般來說，只能夠?qū)螛O型的PWM 脈沖信號(hào)

28、從這種單片機(jī)上輸出。采用C8051F005結(jié)合軟件編程實(shí)現(xiàn)雙極型PWM 控制的設(shè)計(jì)思想是這樣的：從C8051F005的一個(gè)引腳（P3.0）得到正的單極型PWM 信號(hào)輸出，對(duì)另一個(gè)引腳（P3.1）做相應(yīng)的設(shè)計(jì)和定義，讓它承擔(dān)對(duì)應(yīng)的負(fù)的單極型PWM 信號(hào)的輸出。即當(dāng)調(diào)制PWM 脈寬的誤差信號(hào)（這個(gè)信號(hào)是由電流傳感器及測(cè)速發(fā)電機(jī)采集后經(jīng)過相關(guān)處理后得到的誤差信號(hào)）為正時(shí)，對(duì)應(yīng)的PWM 信號(hào)就從C8051F005單片機(jī)的一個(gè)引腳（P3.0）輸出；當(dāng)誤差信號(hào)為負(fù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的PWM 信號(hào)就從C8051F005單片機(jī)的另外一個(gè)引腳（P3.1）輸出，雖然這個(gè)輸出信號(hào)的模擬電平也是正的，但是它反映的是負(fù)值的誤差信

29、號(hào)所產(chǎn)生的PWM 輸出；當(dāng)這兩個(gè)引腳都沒有輸出時(shí)，表示誤差信號(hào)是零。通過對(duì)誤差信號(hào)正負(fù)的定義和判別，再利用C8051F005單片機(jī)的兩個(gè)引腳就實(shí)現(xiàn)了雙極型的PWM11。 測(cè)速電路直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出是一個(gè)模擬量，當(dāng)它與單片機(jī)接口時(shí)，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換。由于C8051F005單片機(jī)內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，它具有812位的轉(zhuǎn)換精度，因此，A/D轉(zhuǎn)換可以全部在片內(nèi)完成，沒有必要再外接A/D轉(zhuǎn)換器。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)安裝在被測(cè)電動(dòng)機(jī)軸上，以與被測(cè)電動(dòng)機(jī)相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓通過R2和C1組成的濾波環(huán)節(jié)后，濾去測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的紋波，使之到達(dá)電位器Rw兩端的電壓是穩(wěn)定的直流電壓。調(diào)整Rw的位置，

30、使測(cè)速發(fā)電機(jī)在最大轉(zhuǎn)速時(shí)，抽頭所獲得的電壓為2.4V，R1用于限流。圖3-5 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)與單片機(jī)接口對(duì)圖3-5所示的直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。使用C8051F005的AIN0通道作為測(cè)速發(fā)電機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換輸入端，使用單片機(jī)內(nèi)部2.43V電壓基準(zhǔn)通過軟件啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。 電流檢測(cè)電路在直流電源的正極引線上安裝有霍爾電流傳感器CHB-50P，它由15V電源供電，二次電流通過測(cè)量電阻形成電流反饋信號(hào)，霍爾電流傳感器的另一端連接單片機(jī)的AIN1引腳?；魻栯娏鱾鞲衅鰿HB-50P是磁平衡式電流傳感器，即原邊電流在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過一個(gè)次級(jí)線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電流精確的

31、反映原邊電流，從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。 鍵盤電路本系統(tǒng)采用獨(dú)立式按鍵電路。獨(dú)立式按鍵是指直接用I/O口線與按鍵電路構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。在此形式的按鍵電路中，每個(gè)按鍵獨(dú)自占用一根I/O口線，I/O口線之間的工作狀態(tài)不會(huì)受到影響。圖3-6 獨(dú)立式按鍵電路圖獨(dú)立式按鍵電路如圖3-6所示，這種獨(dú)立式按鍵電路所需器件比較少、軟件編程結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在此電路中，按鍵輸入都采用低電平有效，上拉電阻的接入保證了冷按鍵斷開時(shí)，I/O口線上有確定的高電平。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)如下功能：當(dāng)按下1鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)按下2鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)按下3鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)按下4鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止；當(dāng)按下5鍵時(shí)，電

32、動(dòng)機(jī)加速；當(dāng)按下6鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)減速。第四章 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件來實(shí)現(xiàn)的，所有的硬件也必須由軟件實(shí)施管理。雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的軟件有主程序、初始化子程序和中斷服務(wù)子程序等。4.1 主程序設(shè)計(jì)主程序完成實(shí)時(shí)性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實(shí)現(xiàn)鍵盤按鍵的處理以及與上位機(jī)和其他外設(shè)通信等功能。主程序框圖如圖4-1所示。圖4-1 主程序框圖4.2 子程序的初始化設(shè)計(jì)子程序的初始化完成各種硬件器件工作方式的設(shè)定、各種變量的初始化以及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置等。初始化子程序框圖如圖4-2所示。圖4-2 初始化子程序框圖4.3 中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)中斷服務(wù)

33、子程序包括故障檢測(cè)、PWM生成、狀態(tài)檢測(cè)和數(shù)字PI調(diào)節(jié)等，這些都是實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)的功能。當(dāng)相應(yīng)的中斷源提出申請(qǐng)，CPU就可以實(shí)時(shí)響應(yīng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖如圖4-3所示。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序中，首先應(yīng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，然后再由輸入量計(jì)算實(shí)際的轉(zhuǎn)速，完成轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)，最后進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)，為下面的調(diào)節(jié)提前做好準(zhǔn)備。為了使被中斷的上級(jí)程序正確穩(wěn)定地恢復(fù)運(yùn)行，在中斷返回前應(yīng)該先恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。圖4-3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖如圖4-4所示，主要完成的任務(wù)有：電流PI調(diào)節(jié)、PWM信號(hào)生成、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)等。 圖4-4 電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖因?yàn)橄到y(tǒng)用單片微機(jī)來實(shí)現(xiàn)

34、對(duì)直流調(diào)速的控制，有很多原來由硬件完成的工作現(xiàn)在用程序來實(shí)現(xiàn)，如雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的電流和轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)的比例積分調(diào)節(jié)過程在本系統(tǒng)中用程序來實(shí)現(xiàn)。這兩個(gè)環(huán)節(jié)的控制的實(shí)現(xiàn)是十分重要的。在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器就是PI調(diào)節(jié)器。在單片微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，如果采樣頻率非常高，可以先根據(jù)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再對(duì)其進(jìn)行離散化，從而得到數(shù)字控制器的算法11。當(dāng)輸入的誤差函數(shù)用e（t）表示、輸出函數(shù)用u（t）表示時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如下式所示：（4-1）PI調(diào)節(jié)器時(shí)域表達(dá)式（4-2）其中 Kp= Kpi 為比例系數(shù) =1/t 為積分系數(shù) 對(duì)上式進(jìn)行離散化，將其化成差分方程，其第 k

35、 拍輸出為（4-3）式中 Tsam為采樣周期 位置式和增量式是數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的兩種算法。位置式PI調(diào)節(jié)器算法特點(diǎn)是：此刻的偏差只影響比例部分，而系統(tǒng)此前所有偏差的累積只影響積分部分。位置式PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)比較清楚明了，P和I兩部分作用非常分明，參數(shù)的調(diào)整簡(jiǎn)單易行，但是這種算法需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)比較多12。 增量式PI調(diào)節(jié)器算法（4-4）PI調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得 （4-5）和模擬調(diào)節(jié)器一樣，在數(shù)字PI控制算法中，需要對(duì) u 限幅，這里，只要在程序內(nèi)設(shè)置限幅值Um，當(dāng) u（k） >Um 時(shí)，便以限幅值 U m作為輸出。不考慮限幅時(shí)，位置式和增量式兩種算法完全相同，考慮限幅時(shí)則兩者略有差異。增

36、量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式算法必須同時(shí)設(shè)積分限幅和輸出限幅，缺一不可。本設(shè)計(jì)采用位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，如圖4-5是其程序框圖。圖4-5 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器程序框圖故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序框圖如圖4-6所示。當(dāng)啟動(dòng)故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序時(shí)，首先應(yīng)該將PWM信號(hào)輸出封鎖，再分析、判斷故障，顯示故障原因并報(bào)警，最后等待系統(tǒng)復(fù)位。當(dāng)故障保護(hù)引腳的電平由高變低時(shí)就可以申請(qǐng)故障保護(hù)中斷，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)均采用定時(shí)中斷。在這三種中斷服務(wù)中，故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序的優(yōu)先級(jí)別最高，電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序的優(yōu)先級(jí)別次之，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序的優(yōu)先級(jí)別最低。圖4-6 故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序框圖第五章

37、結(jié)論本畢業(yè)設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，是以控制電路為核心，采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，由C8051F005單片機(jī)以及H型雙極性可逆PWM變換器構(gòu)成了PWM信號(hào)的產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)。其中C8051F005產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)作為IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，具有調(diào)速簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍大、精度高、速度平穩(wěn)、電流脈動(dòng)小、電機(jī)溫升低等優(yōu)點(diǎn)，使調(diào)速各項(xiàng)性能指標(biāo)大為提高。通過本次設(shè)計(jì)，使我能夠充分的把握理論與實(shí)踐的結(jié)合。在本設(shè)計(jì)中我們不但要運(yùn)用電機(jī)理論知識(shí)，還要充分運(yùn)用單片機(jī)、電路、電力電子等方面的知識(shí)，使我們所學(xué)過的知識(shí)進(jìn)行綜合的應(yīng)用。增強(qiáng)了我對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用的能力，從而達(dá)到學(xué)以致用的目的。縱觀整

38、個(gè)設(shè)計(jì)，經(jīng)典部分是已學(xué)過的知識(shí)，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)深入理解了工程設(shè)計(jì)方法，擴(kuò)展了知識(shí)面，各門課程綜合應(yīng)用，收益頗多，使我對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制有了更深的認(rèn)識(shí)。但由于理論水平有限，仍有許多不足之處有待解決。參考文獻(xiàn)1 王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制(第二版)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.82 張世銘,王振和.直流調(diào)速系統(tǒng)M.武漢:華中理工大學(xué)出版社,2008.53 余錫存.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,20074 于永權(quán).單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出版社,2005.15 顧德英,張海濤,王鐵.神經(jīng)元調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用J.遼寧:遼寧工程技術(shù)

39、大學(xué)學(xué)報(bào),2007-2-19(1)6 賀益康,許大中.電機(jī)控制(第二版)M.杭州:浙江大學(xué)出版社,2010.57 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第三版)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.28 戴梅萼.微型計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用(第四版)M.北京:清華大學(xué)出版社,2008.39 王福永.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)J.蘇州絲綢工學(xué)院學(xué)報(bào).2008-10-21(5): 35-3910 曹遠(yuǎn)洪. Keil C下基于AT89C51單片機(jī)雙極型PWM的軟件實(shí)現(xiàn)D.工礦自動(dòng)化,200511 楊宇.基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的主軋線轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)D.華南理工大學(xué),200612 孫振興.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的研究D.山

40、東大學(xué),2010致 謝首先要感謝我的指導(dǎo)老師XXX老師。在他的悉心指導(dǎo)下，我才得以順利的完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。他從最初就為我們制定了周密科學(xué)的工作任務(wù)安排，每次都很認(rèn)真的查看我們的工作日志完成情況，對(duì)于我們的疑問也總給予耐心的解答。 我還要感謝我的同學(xué)，跟他們一起討論相關(guān)的課題，使我的思路得以極大的開闊，并能發(fā)現(xiàn)自己在某些內(nèi)容上的欠缺。另外，我也深深的感受到了同學(xué)間的互相幫助和友誼。這也是我順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的一大動(dòng)力。還有許多在論文完成過程中給予我?guī)椭娜耍诖瞬灰灰涣信e了，一并表示最衷心的感謝。附錄A 系統(tǒng)硬件原理圖附錄B 系統(tǒng)程序清單主程序：ORG 0000H AJMP STARTSTART：

41、 CLR PSW.4 CLR PSW.3 ；選中工作寄存器0組 CLR C MOV R0 ，4FH MOV A ，30HCLEAR1： CLR A INC A DJNZ R0 ，CLEAR1 ；清零30-7FH SETB TR0 ；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0工作 MOV TMODE ，#01H ；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作在方式1 SETB EA ；總中斷開放 SETB IT0 ；置INTO為降沿觸發(fā) SETB IT1 ；置INT1為降沿觸發(fā)LJMP MAINLJMP CTCOLCALL SAMPLEORG 0034HPN1 EQU 30H ；PN1用來記脈沖的低二位數(shù)PN2 EQU 31H ；PN2用來記脈沖

42、的高二位數(shù)PN3 EQU 32H ；PN3用來做延時(shí)程序PN4 EQU 33H ；PN4用來做延時(shí)程序 ORG 100HMAIN： MOV B， #00H CLR KG CLR W MOV TMOD，#01H ；T1和T0都是方式一計(jì)數(shù)MOV TL0，#18HMOV TH0，#0E0HMOV TL1， #0AFHMOV TH1， #3CHSETB EASETB ET0 ；T0中斷允許SETB TR0SETB P3.4SETB ET1 ；T1中斷允許SETB TR1SETB PT0 ；設(shè)置T1、T2為高級(jí)中斷SETB PT1MOV R1，#5H ；默認(rèn)開始的時(shí)候速度為5檔SETB KK1SETB

43、 KK2MOV A，#00H ；把PN1，PN2都清零MOV PN1，AMOV PN2，AMOV DPTR，#GRAPHEMICANL P1，#0FHANL P0，#00HMAINLINE：POS： JB P2.0，REV ；正轉(zhuǎn)按鈕SETB TSETB WREV： JB P2.3，TT ；反轉(zhuǎn)按鈕CLR TSETB WTT： JNB W，POS ；等待正反轉(zhuǎn)按鈕JB T，POSITIVEJNB T，REVERSEPOSITIVE：SETB P1.0 ；電機(jī)正轉(zhuǎn)CLR P1.1CLR P1.2SETB P1.3LCALL BIJIAO0 ；PWM調(diào)制LJMP MAINLINE REVERSE：

44、 CLR P1.0 ；電機(jī)反轉(zhuǎn)SETB P1.1SETB P1.2CLR P1.3LCALL BIJIAO0 ；PWM調(diào)制LJMP MAINLINEWAIT： MOV A，#00H ；如果不開始，那么程序就在這里等待MOV P0，AWAIT1： SETB P0.6SETB P0.7ANL P1，#0FHSETB P1.4SETB P1.5SETB P1.6SETB P1.7SETB P3.6NOPCLR P3.6LCALL DELAYJB P2.5，WAIT1 ；開機(jī)等待SETB KGLJMP MAINLINEANL P1，#0FH ；置位（輸出個(gè)位）SETB P1.4CLR P3.6MOV A，PN1 ；把最低速度的個(gè)位輸出ANL A，#0FH ；把A和0F相與MOVC A，A+DPTRMOV P0，A ；輸出個(gè)位數(shù)SETB P3.6NOPCLR P3.6LCALL DELAY