数字化直流电机双闭环调速系统.docx
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数字化直流电机双闭环调速系统
数字化直流电机双闭调速系统
摘要本文叙述了直流电动机的基本原理和调速原理，介绍了直流电动机开环和双闭环调速系统的组成及静、动态特性，并且根据直流电动机的基本方程建立了调速系统的数学模型，给出了动态结构框图，用工程设计方法设计了直流电动机双闭环调速系统。
最后用MATLAB软件搭建了仿真模型，对调速系统进行了仿真研究。
通过对直流电动机双闭环调速系统动态特性的研究与仿真，可以清楚地看到，直流电动机双闭环调速系统具有较好的动态特性，可以在给定调速范围内，实现无静差平滑调速，这为直流电动机调速系统的硬件实验提供了理论依据。
关键词：
直流调速；双闭环调速；转速环；电流环；MATLAB仿真
目录
第1章绪论........................................................1
第2章课程设计的方案............................................2
2.1概述.........................................................2
2.2方案选择.....................................................2
2.3系统组成总体结构.............................................4
第3章硬件设计...................................................5
3.1单片机控制器................................................5
3.2接口电路.....................................................5
3.3D/A转换电路..................................................6
3.4触发电路.....................................................6
3.5三相整流电路.................................................7
3.6电流检测电路.................................................7
3.7A/D转换电路..................................................8
3.8转速检测电路.................................................8
3.9键盘显示电路.................................................9
第4章软件设计..................................................11
4.1设计要求....................................................11
4.2电流环的设计................................................11
4.3转速环的设计................................................12
4.4闭环动态结构框图设计........................................12
4.5程序设计....................................................13
第5章系统测试与分析/实验数据及分析..........................15
第6章课程设计总结..............................................17
参考文献...........................................................18
第1章绪论
三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。
传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足生产要求，但是因为元件容易老化，在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及标准性得不到保证，甚至出现事故。
而如今首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。
大功率直流调速系统通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速。
同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。
直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。
直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。
从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动领域应用历史悠久。
近年来，交流调速系统发展很快，然而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。
双闭环不可逆调速系统在上世纪七十年代在国外一些发达国家兴起，经过数十年的发展已经成熟，在二十一世纪已经实现了数字化与智能化。
我国在直流调速产品的研发上取得了一定的成就，但和国外相比仍有很大差距。
我国自主的全数字化直流调速装置还没有全面商用，产品的功能上没有国外产品的功能强大。
而国外进口设备价格昂贵，也给国产的全数字控制直流调速装置提供了发展空间。
目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。
随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统总的发展趋势也向着控制的数字化，智能化和网络化发展。
而在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，已经基本发展成熟，目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。
随着单片机技术的发展和应用，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，使系统的性能更优。
第2章课程设计的方案
2.1概述
本次设计主要是综合应用所学知识，设计双闭环直流调速系统，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练，能够较全面地巩固和应用“微型计算机控制系统”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型微机系统设计的基本方法。
应用场合:
应用于经常频繁调速运行的高性能调速系统，例如可逆轧钢机和龙门刨床等高精度工业自动化领域。
系统功能介绍：
双闭环直流调速系统是串级调速控制系统，即分别通过转速环和电流环协同作用来调节直流电动机的转速，由相应的控制器连接外围电路，实现转速设定、显示和保护等功能。
2.2方案选择
方案一：
单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。
在直流电动机上安装一台测速装置，引出与转速成正比的电压Un与给定转速定电压U*n比较后，得偏差电压U，经ASR控制器进行PID调节，产生整流触发装置的控制电压Uk，控制直流电动机转速，如图2.1所示。
图2.1单闭环直流调速系统原理图
方案二：
双闭环直流调速系统
2
转速、电流双闭环直流调速系统原理图如图2.2所示。
电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器控制，系统中设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。
可见，电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环（内环），ACR接收由ASR输出U*和反馈电流电压Ui的偏差电压进行调节，输出信号控制触发i整流装置；转速调节器ASR和转速检测反馈环节构成了转速环（外环），ASR接收给定转速电压U*和转速电压Un的偏差电压进行调节，输出电流环的给定电n压U*。
ASR和ACR均为PI调节器，输入输出均设有限幅电路，转速调节器iASR的输出限幅电压U*决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出im限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
图2.2双闭环直流调速系统原理图
方案一采用单闭环直流调速系统结构简单，可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差，实现平滑调速。
但是反馈调节时整流电路的脉波数m=2，3，6，12，其数目总是有限的，比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。
因此,除非主电路电感L=∞，否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响，主要有：
（1）脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利；
（2）脉动电流流入电源，对电网不利，同时也增加电机的发热。
晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外，还含有交流分量，交流分量会造成电网波动。
方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。
在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。
而单闭环直流调速系统对于快速起制动、突加负载动态速降小等环境就不能满足要求，因为单闭环系统不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。
综合考虑，本设计选择了方案二，即双闭环直流调速系统。
2.3系统组成总体结构
本系统主要由单片机控制器、接口电路、D/A转换电路、触发电路、三相整流电路、电流检测电路、A/D转换电路、转速检测电路、键盘显示电路和直流电动机构成。
系统由键盘输入给定转速，给定值与接口电路接收的转速反馈信号及电流反馈信号形成偏差，由单片机控制器分别进行转速和电流的PID调节，输出控制信号经数模转换作为触发整流电路的控制电压，调节整流输出电压以调节直流电动机的转速，使转速尽快达到给定值并实现无静差，并实时显示电机转速。
系统结构图如下图2.3所示。
图2.3系统结构框图
第3章硬件设计
3.1单片机控制器
双闭环直流调速系统的控制功能简单，选择单片机AT89C52作为主控制器，AT89C52是一个低电压、高性能的CMOS8位单片机，片内8KBFlashROM程序存储器；可寻址64KB的片外程序存储器片外数据存储器控制电路；2个16位定/计数器；2个外部
中断；一个全双工的异步串行口。
单片机最小系统如下上图3.1所示。
图3.1单片机最小系统电路
3.2接口电路
由于外围所接电路的信号及数据线较多，故选择8255A接口电路进行拓展，其中8255A接口有PA、PB、PC三个可编程接口，可以工作在三种方式。
接口电路与A/D和D/A转换电路相连，接收经A/D转换的反馈电流信号并送往单片机P0口，接收单片机控制信号送往D/A转换器转换后控制触发整流电路。
接口电路图如下图3.2所示。
图3.2接口电路图
3.3D/A转换电路
本设计的D/A转转器采用DAC0832，DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器，可以工作在直通、单缓冲和双缓冲三种方式，本设计采用直通方式。
D/A转换图如下图3.3所示。
图3.3D/A转换电路图
3.4触发电路
为使线路简单，工作可靠，装置体积小，本设计采用KJ004组成的六脉冲集成触发电路。
触发电路根据给定的控制电压，输出相应的触发脉冲信号，分别控制三相晶闸管整流电路的晶闸管触发端，改变导通角以实现调节直流电动机的供电电压。
a相触发电路图如下图3.4所示。
图3.4触发原理引脚图
3.5三相整流电路
整流电路形式为三相全控桥，而全桥电路中整流晶闸管是关键。
针对本设计的直流电动机，选择型号为KP50-7晶闸管元件。
KP50-7晶闸管工作原理图如下图所示。
图3.5KP50-7工作原理图
3.6电流检测电路
电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电压信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。
本设计的电流检测电路采用ACS712传感器，ACS712串联在整流回路中，里面的霍尔传感器根据电流大小感应出电压来，将电压送往A/D转换器处理，作为电流反馈信号。
电流检测电路脚图如下图3.6所示。
图3.6电流检测电路图
3.7A/D转换电路
本设计的A/D转转器采用ADC0809，ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。
它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
A/D转换器将采集来的电流反馈信号进行数模转换，送给单片机的接口电路，完成信息采集。
A/D转换电路图如下图3.7所示。
图3.7A/D转换电路图
3.8转速检测电路
对于要求精度高、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即数字测速，测速器选择EPC7553。
本设计的速度测量采用数值M/T法测速。
利用T1作为定时器，T0为计数器，在一定时间Tc内由单片机接口测取旋转编码器的输出脉冲个数M1，又检测同一时间间隔内高频脉冲个数M
2，最后由转速中断程序完成转速的测量。
转速检测电路图如下图3.8所示。
图3.8转速检测电路图
3.9键盘显示电路
键盘显示电路要完成转速的设定以及转速实时显示，本设计选取CH451芯片作为键盘显示驱动芯片。
CH451是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及μP监控的多功能外围芯片。
CH451内置RC振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64位LED，具有BCD译码、闪烁、移位等功能；同时还可以进行64键的键盘扫描；CH451通过可以级联的串行接口与单片机等交换数据；并且提供上电复位和看门狗等监控功能。
由于端口接线少，而且控制简单，实时刷新，可以兼并键盘转速设定和四位数码管的转速输出，所以选择CH451芯片。
其中按键K0和K5用于控制电动机的启动和停止，K1和K6负责转速千位的增减，K2和K7负责转速百位的增减，K3和K8负责转速十位的增减，K43和K98负责转速百位的增减。
，键盘显示电路如下图3.9所示。
图3.9键盘显示电路
第4章软件设计
4.1设计要求
直流电动机设计双闭环直流晶闸管调速系统，技术要求如下：
1.直流电动机的额定功率PN=10KW，额定电压UN=220V，额定电流IN=55A，额定转速nN=1000r/min，电枢电阻Ra=0.5，电枢回路总电阻可取为R=2Ra=1，电枢绕组电感La=17mH，电流过载倍数λ=1.5，系统总飞轮矩GD2=10Nm22.设计要求：
设计指标：
调速范围D=10，静差率s≤5%。
系统参数：
电动势结构常数Ce=（220-55*0.5）/1000=0.1925电磁时间常数Tl=0.017/1s=0.017s，m=10*1/（375*9.55*0.1925*0.1925）=0.075sT所选的晶闸管装置放大系数Ks=44，触发整流装置滞后时间常数Ts=0.00167s设电流环的限幅电压为10V，则测速码盘的转速反馈系α=0.01158Vmin/r电流检测电路反馈系数β=0.096V/A
4.2电流环的设计
1、确定时间常数1）整流装置滞后时间常数Ts，三相桥式电路平均失控时间Ts=0.0017s2）电流滤波时间常数Toi，三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有（1～2）Toi，因此取Toi=2ms=0.002s。
3）电流环小时间常数之和T，按小时间常数近似处理，取T∑=Ts+Toi=0.0037s2、选择电流调节器结构（4.1）
根据设计要求静差率s≤5%，并保证稳态电流无差，可按典型I系统设计电流调节器。
电流环控制对象是双惯性的，因此可用电流型PI调节器。
其传递函数K（τs+1）WACR（s）=ii（4.2）τis电流调节控制对象传递函数βKs/R4.224W1（s）==（1+Tss）（1+Tls）（1+0.0017s）（1+0.017s）由工程整定方法可知，电流环为随动系统，故可知KIKWACR（s）*W1（s）==s（Ts+1）s（Ts+1）
（4.3）由整定方法知道τi=T=0.017s
KI*Ts=KI*0.0017=0.5可得KI=294.2
Ki=KI
RτiβKs
=294.2*1*0.017/（0.096*44）=1.179
1.179（0.017s+1）0.017s
则电流调节器的传递函数为
WACR（s）=（4.5）
4.3转速环的设计
转速调节器的结构选择PI型，因为转速换为外环，抗外界扰动能力比较强。
转速环控制对象为内环的闭环传递函数，即惯性环节，设调节器传递函数为
WASR（s）=Kn（τns+1）τns
（4.6）
其被控对象传递函数
W2（s）=
αR/β
CeTms（s/KI+1）=0.01158*1/0.050.1925*0.075s（s/294.12+1）
（4.7）（4.8）
W2（s）=
由题可知抗扰系统的
WASR（s）*W2（s）=3.14667s（s/294.12+1）
0.121KnK=220.144ns（s/294.12+1）s（Ts+1）τKN=0.121Kn/（0.144τn）
（4.9）（4.10）
由工程方法可知
h=5
τn=h/KI=5/294.2=0.017s
KN=（h+1）/（2h2/KI2）KN=10386
所以Kn=10386*0.017*.0144/0.121=21.08即转速调节器传函为
WASR（s）=21.08（0.017s+1）0.017s（4.11）
4.4闭环动态结构框图设计
双闭环直流调速系统的转速环在电流环之外，控制电动机的转速，输出作为电流环的给定值，实现转速无静差。
电流环控制电动机的电流，输出整流触发装置的触发电压，可以通过调节电流快速调节转矩，以实现快速加减速。
两个控制器均采用PI调节器，双闭环的直流调速系统动态结构框图如下图4.1所示。
图4.2双闭环直流调速系统动态结构框图
4.5程序设计
双闭环直流调速系统的程序由主程序、中断采样程序和键盘显示子程序构成。
中断采样程序主要完成电流的采样和转速的采样；键盘显示子程序主要完成给定和转速显示；主程序主要完成电流偏差和转速偏差的PID调节、输出限幅及输出值D/A转换。
4.2为中断采样程序，4.3为键盘显示子程序，4.3为主程序。
图4.2中断采样程序
图4.3键盘显示子程序
图4.3主程序
close all;clear all;clc;
N=33;wc=pi/3;
N1=fix（wc/（2*pi/N））;N2=N-2*N1-1;
A=[zeros（1,N1+1）,ones（1,N2）,zeros（1,N1）];
A（N1+2）=0.3904;A（N-N1）=0.3904;
theta=-pi*[0:
N-1]*（N-1）/N;
H=A.*exp（j*theta）;
h=real（ifft（H））;v=1:
N;
subplot（2,2,1）,
plot（v ,A,'k*'）;title（'频率样本'）;ylabel（'H（k）'）;axis（[0,fix（N*1.1）,-0.1,1.1]）;
subplot（2,2,2）,
stem（v ,h,'k'）;title（'脉冲响应'）;ylabel（'h（n）'）;
axis（[0,fix（N*1.1）,min（h）*1.1,max（h）*1.1]）;
M=500;
nx=[1:
N];
w=linspace（0,pi,M）;
X=h*exp（-j*nx'*w）;
subplot（2,2,3）,
plot（w./pi,abs（X）,'k'）;xlabel（'\omega/\pi'）;ylabel（'Hd（w）'）;
title（'幅度响应'）;axis（[0,1,-0.1,1.3]）;
subplot（2,2,4）,
plot（w./pi,20*log10（abs（X））,'k'）;title（'幅度响应'）,
xlabel（'\omega/\pi'）;ylabel（'dB'）;axis（[0,1,-80,10]）;
第5章系统测试与分析/实验数据及分析
双闭环直流调速系统采用转速环和电流环串级调节电动机转速，在设计过程中采用了MATLAB软件仿真，仿真结果表明，双闭环系统可以实现转速无静差，并且调速性能好，能实现短时间加减速，抗外界电压、负载干扰能力强。
双闭环直流调速系统仿真结果如下所示，图5.1为设定转速1000r/min的仿真曲线，图5.2为设定转速100r/min的仿真曲线，并记录相关仿真数据如下表
5.1仿真曲线数据表。
图5.1转速1000r/min的仿真曲线
图5.2转速100r/min的仿真曲线
表5.1仿真曲线数据表图5.1图5.2图5.3设定值1000r/min100r/min超调量17%17%稳定时间0.2s0.2s稳态值1000r/min100r/min
图5.3为在3s时加阶跃扰动的仿真波形。
图5.3阶跃扰动的仿真波形
第6章
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