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1、-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
2、 仿真目 录第 1 章 绪论 . 1 第 2 章 课程设计的方案 . 22.1 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 . 53.1 单片机控制器 . 5 3.2 接口电路 . 5 3.3 D/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 3.7 A/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 . 114.1 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
3、. 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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、装置，引出与转速成正比的电压 U n 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 U k ，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 U i 的偏差电压进行调节，输出信号控制触
9、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 U n 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 i ASR 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 U cm 限制了电力电子变换器的最大输出电压 U dm 。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
10、 = 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
11、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
12、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 CMOS 8 位单片机，片内 8KB Flash ROM 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
13、；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3.3 D/A 转换电路本设计的 D/A 转转器采用 DAC0832， DAC0832 是采用 CMOS 工艺
14、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 3.3 D/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 KP5
15、0-7 晶闸管元件。KP50-7 晶闸管工作原理图如下 图所示。图 3.5 KP50-7 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3.7 A/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
16、、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 3.7 A/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 M2，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
17、 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P 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 CH
18、451 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 n N =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
19、，电流过载倍数 =1.5，系统总飞轮矩 GD2=10 Nm2 2. 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 C e =（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)=0.075s T 所选的晶闸管装置放大系数 K s =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 =0.01158 V min/ r 电流检测电路反馈系数 =0.096 V / A4.2 电流环
20、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 =0.0017s 2) 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（12） 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 = 0.0037 s 2、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 ( s + 1) WACR (
21、s ) = i i (4.2) is 电流调节控制对象传递函数 K s / R 4.224 W1 ( s ) = = (1 + Ts s )(1 + Tl s ) (1 + 0.0017 s )(1 + 0.017 s ) 由工程整定方法可知，电流环为随动系统，故可知 KI K W ACR ( s ) *W1 ( s ) = = s (Ts + 1) s (Ts + 1)(4.3)由整定方法知道 i = T =0.017sK I * Ts = K I *0.0017=0.5 可得 K I =294.2Ki = K IR i Ks=294.2*1*0.017/(0.096*44)=1.1791.
22、179(0.017 s + 1) 0.017 s则电流调节器的传递函数为W ACR ( 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W ASR ( s ) = K n ( n s + 1) ns(4.6)其被控对象传递函数W2 ( s ) =R / CeTm s ( s / K I + 1) =0.01158 *1 / 0.05 0.1925 * 0.075s ( s / 294.12 + 1)(4.7) (4.8)W2 ( s) =由题可知抗扰系统的WAS
23、R (s) *W2 (s) =3.14667 s( s / 294.12 + 1)0.121Kn K = 2 2 0.144 n s (s / 294.12 + 1) s (Ts + 1) K N = 0.121K n /(0.144 n )(4.9) (4.10)由工程方法可知h=5 n =h/ K I =5/294.2=0.017sK N = (h + 1) /(2h 2 / K I2 ) K N =10386所以 K n =10386*0.017*.0144/0.121=21.08 即转速调节器传函为W ASR ( s ) = 21.08(0.017 s + 1) 0.017 s (4.
24、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
25、 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closeall;clearall;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
26、,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);sub
27、plot(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
28、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/min 100r/min 超调量 17% 17% 稳定时间 0.2s 0.2s 稳态值 1000r/min 100r/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 课程设计总结双闭环直流调速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
29、流电动机构成。系统以单片机为主控制器，由按键实现转速设定，转速 检测电路和电流检测电路分别将检测值送入控制器，单片机对于转速偏差和电流 偏差进行 PID 调节，输出控制信号经 D/A 转换电路控制整流触发装置，从而调节 电动机的转速，并实时显示转速。在课设过程中，利用了 MATLAB 软件对双闭 环系统进行仿真，通过设定不同的转速值，得到不同的仿真波形，仿真数据表明， 本设计完全可以满足要求，调速范围 D=10，静差率 s 5%，并且抗负载扰动能 力强，调速效果好。参考文献 1 叶斌 等. 电力电子应用技术M.北京：清华大学出版社，2006.5 2 张传伟 等. 直流电机双闭环调速系统仿真研究
30、J.机床与液压，2005.2 3 陈伯时. 电力拖动自动控制系统M.北京：机械工业出版社，2006.4 4 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的 MATLAB 仿真M.北京：机械工业 出版社，2006.3 5 陈坚. 电力电子学M北京：高等教育出版社，2002.5 6 黄一夫. 微型计算机控制技术M.北京：机械王业出版社，19997 7 福 永 . 双 闭 环 调 速 系 统 PID 调 节 器 的 设 计 N. 苏 州 丝 绸 工 学 院 学 报 ， 200l.12(10) 2000.8 8 徐邦 詹琼华. 直流调速系统与交流调速系统M华中理工大学出版社， 9 梅丽凤 王艳秋 汪毓铎 任国臣. 单片机原理及接口技术. 北京：清华大学出 版社；北京交通大学出版社，2009.2.3-256 10 于海生 丁军航 潘松峰 吴贺荣.微型计算机控制技术. 北京：清华大学出版 社，2009.9-第 19 页-