单片机控制双闭环直流调速系统设计Word文档下载推荐.docx

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4.37805引脚图及其稳压电路 19

5.调节器的设计 20

5.1电流调节器的设计 20

5.2转速调节器的设计 22

6.控制系统软件设计 24

6.1系统主程序设计流程图 24

6.2数字PI调节器程序设计 24

6.3数字滤波器程序设计 25

6.4中断处理程序设计 25

7.结束语 29

参考文献 31

致 谢 32

附 录 33

附录1：

程序清单 33

附录2：

设计图纸 43

1.概 述

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，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。

早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。

随着单片机技术的日新月异，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，并使系统能达到更高的性能。

采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

转速电流双闭环直流调速系统是性能很好、应用很广泛的中小功率直流调速系统。

在实际应用系统中，凡是功率在几十KW以下的电力传动系统，基本上都是采用转速电流双闭环电力传动系统。

直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一，广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。

它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，传统的控制系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故，直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化。

研究的单片机控制双闭环直流调速系统，是利用大功率电力电子器件实现电能的变换，完成对直流电机的速度控制，可以实现电机速度的可逆运转，实现电机的四象限运行，具有动态响应速度快、输出波形好、装置体积小、电机速度控制平稳、电机调速范围宽等特点，其机械特性的电流断续区很小，输出近似为平行的机械特性曲线。

本设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由软件实现系统的功能，取代传统的双闭环调速系统。

系统用一台单片机及外部扩展设备代替原模拟系统中速度调节器、电流调节器、触发器、锁零单元和电流自适应调节器等，从而使直流调速系统实现数字化。

1.1课题基本要求

课题研究单片机控制双闭环直流调速系统设计，主要内容包括；

A.研究单片机控制双闭环直流调速系统组成原理、完成系统的设计；

B.对系统的特性就行研究。

主要内容是设计单片机控制双闭环直流调速系统，其电机功率为0.5KW，系统要求为：

速度范围为：

-1500～+1500r/min

最低速度为：

10r/min

输出负载限幅为：

1倍额定转矩速度稳定度为：

1r/min

负载阶跃时，电机响应速度变化小于50r/min

1.2主要设计内容及设计思路

在双闭环直流调速系统原理及双闭环直流调速系统工程设计方法基础上，设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。

参考国内外相关资料，结合控制理论的相关知识以及直流调速系统的算法，转速换和电流环均采用PI调节器，与电力电子技术相结合，主要工作内容如下：

A．分析直流电动机的调速原理；

B．对三相桥式整流电路的设计，包括电动机的型号，电力电子器件的选

择以及保护电路的设计；

C.系统采用双闭环结构，转速调机器和电流调节器的设计均采用PI调节器；

D.双闭环的数字算法；

E．主电路的设计，单片机各接口电路的设计，检测电路的设计以及反馈电

路等各单元电路的设计；

F．利用单片机语言对系统控制进行软件设计。

1.3预期成果及其意义

本课题所研究的单片机控制双闭环直流调速系统，完成对直流电机的速度控制，可以实现电机速度的可逆运转，实现电机的四象限运行。

随着微电子技术，微处理机一级计算机软件的发展，使调速控制的各种功能几乎均可通过微处理机，借助软件来实现。

在数字化系统中，出具有常规的调速功能外，还具有常规的调速功能外，还具有故障报警，诊断及显示等功能，同时，数字化系统通常具有较强的通信能力，通过选配适当的通信接口模板，可方便地实现主站和从站间的数字通信，组成分级多极的自动化系统。

数字化是调速系统自动化的基础，特别是当前网络技术在工业领域的普及与发展，就更加确定了数字控制的主导地位，因此研究该课题具有实际意义。

2.系统方案选择和总体结构设计

2.1调速方案的选择

2.1.1系统控制对象的确定

设计选用直流电动机的额定参数直流电动机的额定功率PN=0.5kW，额定电压230V，额定转速1500r/min。

2.1.2电动机供电方案的选择

变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：

旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。

旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。

静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Uc，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。

直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。

根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。

在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Uc。

由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。

考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。

因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。

并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。

而且工作可靠，能耗小，效率高。

同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。

综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。

2.2总体结构设计

2.2.1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2-1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α。

图2-1双闭环直流调速系统电路原理图

2.2.2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2-2所示。

图中WASR（s）和WACR（s）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

W （s）=K

tns+1

W （s）=Ktis+1

ASR n

tns

ACR i

tis

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Id表示出来，如图

2-2所示，系统结构图如2-3所示。

图2-2双闭环直流调速系统动态结构图

图2-3单片机控制的直流调速系统结构图

3.主电路设计与参数计算

由于给定直流电动机的额定电压为220V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低；

为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用Δ/Y联结。

3.1整流变压器的设计

3.1.1变压器二次侧电压U2的计算

U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。

选择过大又会造成延迟角α加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。

一般可按下式计算，即：

U= Udmax+nUT

2

Ae（cosamin

-CU

I2）

shI

2N

式中Udmax--整流电路输出电压最大值；

nUT--主电路电流回路n个晶闸管正向压降；

C--线路接线方式系数；

Ush--变压器的短路比，对10～100KVA，Ush=0.05～0.1；

I2/I2N--变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。

在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即：

U=（1~1.2）Ud

2 AeB

式中A--理想情况下，α=0°

时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即A=Ud0/U2；

B--延迟角为α时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0；

ε——电网波动系数；

1~1.2——考虑各种因数的安全系数；

根据设计要求，采用公式：

U=（1~1.2）Ud

由表查得A=2.34；

取ε=0.9；

α角考虑10°

裕量，则B=cosα=0.985

取U2=120V。

U2=（1~1.2）

220

2.34´

0.9´

0.985

=106~127

电压比K=U1/U2=380/120=3.17。

3.1.2一次、二次相电流I1、I2的计算

电动机额定电流

P

U

In=

n

=500=2.27A

220

由表查得KI1=0.816,KI2=0.816

考虑变压器励磁电流得：

I=1.05KI1Id

1 K

=0.816´

2.27=0.58A

3.17

I2=KI2Id=0.816´

2.27=1.85A

3.1.3变压器容量的计算

S1=m1U1I1；

S2=m2U2I2；

S=1/2（S1+S2）；

式中m1、m2--一次侧与二次侧绕组的相数；

由表查得m1=3，m2=3

S1=m1U1I1=3×

380×

0.58=0.6612KVAS2=m2U2I2=3×

120×

1.85=0.666KVAS=1/2（S1+S2）=1/2（0.6612+0.666）=0.6636KVA

3.2晶闸管元件的选择

3.2.1晶闸管的额定电压

晶闸管实际承受的最大峰值电压UTm，乘以（2～3）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压UTN，即UTN=（2～3）UTm

整流电路形式为三相全控桥，查表得UTm= 6U2，则

UTN

取UTN

=（2~3）UTm=（2~3）

=700V

6U2=（2~3）´

6´

120=587.88~881.82V

3.2.2晶闸管的额定电流

选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值ITN大于实际流过管子电流最大有效值IT，即

ITN

=1.57IT（AV）>

IT或

d

I

>

IT

=IT

Id=KI

考虑（1.5～2）倍的裕量

T（AV） 1.57 1.57I d

IT（AV）=（1.5～2）KId

式中K=IT/（1.57Id）--电流计算系数。

此外，还需注意以下几点：

A.当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。

B.当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。

C.关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。

由表查得K=0.368，考虑1.5~2倍的裕量

IT（AV）=（1.5~2）KId

=（1.5~2）´

0.368´

2.27

=1.25~1.67A

取IT（AV）=5A。

故选晶闸管的型号为KP5-7。

3.3直流调速系统的保护

晶闸管有换相方便，无噪音的优点。

设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。

正确的保护是晶闸管装置能否可靠运行的关键。

3.3.1过电压保护

以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。

A.交流侧过电压保护

a.阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。

对于三相电路，Ｒ和Ｃ的值可按下表换算。

表3-1三相电路RC值换算表

变压器接法

单相

三相、二次Ｙ联结

三相二次Ｄ联结

阻容装置接法

与变压器二次侧并联

Y联结

D联结

电容

Ｃ

1/3C

3C

C

电阻

Ｒ

3R

1/3R

R

本系统采用D-Y连接。

S=0.6636KVA,U2=120V

Iem取值：

当S=0~1KVA时，对应的Iem=1~0，所以Iem取0.5。

C≥1/3×

6IemS/U2=1/3×

6×

3×

0.6636×

103/1202=0.2765µ

F耐压≥1.5Um=1.5×

=254.6V

选取0.5µ

F的铝电解电容器。

Ush

选取:

S=0~1KVA，Ush=0~1，所以Ush=0.5

R 1 2

Ush 1 2 3

≥3×

2.3U2/S

Iem

= ×

2.3×

120/0.6636×

10

3

=16.6Ω

0.5

选取电阻为ZB1-20的电阻。

B.闸管及整流二极管两端的过电压保护查下表：

表3-2阻容保护的数值一般根据经验选定

晶闸管额定电流/μA

20

50

100

200

500

1000

电容/μF

0.1

0.15

0.2

0.25

1

电阻/Ω

80

40

5

抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。

电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值Um的1.1～1.15倍。

得C=0.1µ

F，R=100Ω。

选C为0.2µ

F的CZJD-2型金属化纸介质电容器。

m

PR=fCU2´

10-6=50´

0.2´

10-6´

（2´

120）2´

10-6=0.45´

10-6W

选R为20Ω普通金属膜电阻器，RJ-0.5。

3.3.2电流保护

快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。

快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。

交流侧快速熔断器的选择

I2=1.85A

选取RLS-10快速熔断器，熔体额定电流2A。

4.控制电路与单片机系统设计

4.1晶闸管触发控制电路设计

控制电路基本由单片机，触发电路，A/D转换，数据采集电路以及锁存器构成。

8051单片机触发晶闸管门极，晶闸管导通。

双闭环系统由两个PI调节器组成，由单片机通过PI算法实现。

4.1.1晶闸管触发方法

晶闸管三相全控桥式整流电路简图如图4-1所示。

图4-1三相全控桥式整流电路 图4-2三相电压曲线

三相全控桥式整流电路共有六个晶闸管，它们分为共阴极和共阳极两组。

在触发时，采用双脉冲触发方式，每次两组各有一个晶闸管导通。

六个晶闸管的导通顺序为SCR1、SCR2、SCR3、SCR4、SCR5、SCR6，如图4-2所示。

相电压曲线的交点t1～t6,就是晶闸管SCR1～SCR6的控制角起点。

取线电压Uac从负半波的过零点G（t1）作为同步基准点，则应触发导通的第一对晶闸管为SCR1

、SCR6，根据波形图可分析出各晶闸管的触发时刻（对应于控制角α=00）及触发顺序如表4-1所示。

表4-1晶闸管触发时刻（α=00）及触发顺序

时段

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

共阴极中导通的晶闸管

VT1

VT3

VT5

共阳极中导通的晶闸管

VT6

VT2

VT4

单片机在触发晶闸管时,根据电流控制器的输出控制值uk，以同步基准点位参考点，算出晶闸管控制角α的大小，再通过定时器按控制角的大小以及触发顺序，准确地向各个晶闸管发出触发脉冲。

在控制触发时，有两种触发方法：

绝对触发方法和相对触发方法。

所谓绝对触发方法就是指触发脉冲形成的时刻都直接取决于基准时刻点。

对三相全控桥式整流电路，在交流电的一个周期内需要6个（或者3个）基准点。

相对触发方式是以前一触发脉冲为基准来确定后一触发脉冲时刻，它用加长或缩短相邻两次触发脉冲之间的间距来改变控制角，在稳态时，这个间距等于600，控制角α改变时，该间距应相应改变。

但由于电网频率的波动以及计算机定时器的误差，会使控制角偏离要求值。

因此，在相对触发方式时，应在一个周期内用同步脉冲信号进行一次校正，以避免误差的积累。

对于单相电路，均使用绝对触发方式。

在三相全控桥式整流电路中，一般则常使用相对触发方式。

综上本次设计使用相对触发的触发控制方法。

4.1.2控制角的计算

三相全控桥式整流电路输出电压Ud与控制角α有以下关系:

Ud=2.34Ecosα （4-1）

其中E为电源相电压有效值。

对于数字调节器，要求对象为线性系统。

而根据式（