传输设备速度控制器的设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

传输设备速度控制器的设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。 VM系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可 逆运行造成困难。 它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。 最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。 图 23 晶闸管－电动机调速系统原理框图（ VM 系统） 直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件 来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流－直流变换器。 它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。 湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计 第 6 页 共 43 页 图 24 为直流斩波器的原理电路和输出电压波型，图中 VT 代表开关器件。 当开关 VT接通时，电源电压 U。 加到电动机上；当 VT 断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。 如此反复，得电枢端电压波形如图 （ b）所示。 图 24 直流斩波器原理电路及输出电压波型 （ a）原理图 （ b）电压波型 采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。 当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶 闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。 脉冲宽度调制（ Pulse Width Modulation），简称 PWM。 脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。 与 VM系统相比， PWM调速系统有下列优点： （ 1）由于 PWM 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达 1： 10000左右。 由于电流波形比 VM系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。 （ 2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。 （ 3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。 脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称 PWM变换器。 脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。 目前，受到器件容量的限制， PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。 PWM 原理及其实现方法 PWM 基本原理 PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进 而达到控湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计 第 7 页 共 43 页 制要求的一种电压调整方法。 PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。 在 PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。 通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动 机 的转速。 因此， PWM又被称为“开关驱动装置”。 如图 22所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。 只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。 图 25 电枢电压“占 空比”与平均电压关系图 设电机始终接通电源时，电机转速最大为 maxV ， 设占空比为 D=t1/T， 则电机的平均速度为 aV = DV max （ 22） 式中 ， aV — 电机的平均速度 ； maxV — 电机全通电时的速度 (最大 )； D=t1/T— 占空比。 由公式（ 22）可见，当我们改变占空比 D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度 aV ,从而达到调速的目的。 严格来说，平均速度 aV 与占空比 D 并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似的看成是线性关系。 PWM 脉宽调制方式 PWM脉宽调制的方式有 3种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。 我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且存采用单片机产生 PWM脉冲的软件湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计 第 8 页 共 43 页 实现上比较方便。 PWM的一个优点是从 AT89S52到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。 让信号保持为数字形式可将噪声影响 降到最小。 噪声只有在强到足以将逻辑 1 改变为逻辑 0或将逻辑 0改变为逻辑 1时，才能对数字信号产生影响。 这也是 PWM用于通信的主要原因。 PID 算法简介 PID 控制 在连续控制系统中， PID控制算法得到了广泛的应用，是技术最成熟的控制规律。 目前提出的控制算法有很多。 根据偏差的比例（ P）、积分（ I）、微分（ D）进行的控制，称为 PID控制。 实际经验和理论分析都表明， PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。 由于本文只用到数字 PID，所以只介绍数字 PID算法。 数字 PID 算法 模拟 PID控制器的基本算式为： 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tpDId e tu t K e t e t d t TT d t   （ 23） 式中， pK 为比例系数， IT 为积分时间常数， DT 为微分时间常数。 简单的说， PID调节器各校正环节的作用是： （ 1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号 ()et ,偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减少偏差； （ 2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。 积分作用的强弱取决于积分时间常数 IT ， IT 越大，积分作用越弱，反之则越强； （ 3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 为将模拟 PID 控制规律离散化，我 们把 ()rt 、 ()et 、 ()ut 、 ()ct 在第 n次采样的数据分别用 ()rk 、 ()ek 、 ()uk 、 ()ck 表示，于是式（ 23）变为： ( ) ( ) ( )e k r k c k (24) 当采样周期 T很小时 dt 可以用 T 近似代替， ()det 可用 ( ) ( 1)e k e k近似代替， “ 积分 ” 用 “ 求和 ” 近似代替，即可作如下近似 ( ) ( ) ( 1)de t e k e kdt T (25) 0 1( ) ( )ntie t dt e i T (26) 湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计 第 9 页 共 43 页 这样，式（ 23）便可离散化以下差分方程 01( ) { ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ] }k DP iI TTu k K e k e i e k e k uTT      (27) 上式中 0u 是 偏差为零时的初值 ,上式中的第一项起比例控制作用 ,称为比例（ P）项()puk,即 ()puk= {( )PK ek (28) 第二项起积分控制作用 ,称为积分 (I)项 ()Iuk即 1( ) ( )kIP iITu k K e iT   (29) 第三项起微分控制作用 ,称为微分 (D)项 ()Duk即 ( ) [ ( ) ( 1 ) ]DDP Tu k K e k e kT   (210) 式（ 27）的输出量 nu 为全量输出 ,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。 因此 ,式（ 27）又称为位置型 PID算式。 工业应用中，采用 PID位置算法是不够方便和有欠缺的。 由于要累加误差，占用内存多，并且安全性较差，考虑到这种情况，在工业应用中，还有一种增量式算法。 增 量式算法是位置算法的一种改进。 由式（ 27）可以得到（ k1）次的 PID输出表达式： 101( 1 ) { ( 1 ) ( ) [ ( 1 ) ( 2 ) ] }k DP iI TTu k K e k e i e k e k uTT         （ 211） 由式（ 27）与式（ 211）可得 ( ) ( ) ( 1)u k u k u k    [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2) ]P I DK e k e k K e k K e k e k e k         （ 212） 数字 PID 参数整定方法 PID调节器的参数整定方法有很多，但可归结为理论计算法和工程整定法两种。 用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数 学模型，这在工业过程中一般较难做到。 因此，实际用得较多的还是工程整定法。 下面简单介绍两种常用的简易工程整定法。 （ 1）扩充临界比例度法。 这种方法是对连续系统临界比例度法的扩充，适用于有自平衡特性的被控对象，不需要准确知道对象的特性。 （ 2）经验法确定 PID参数。 经验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度，参考测量值跟踪与设定值曲线，来调整 P、 I、 D三者参数的大小的。 湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计 第 10 页 共 43 页 图 26 增量式 PID 框图 湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计 第 11 页 共 43 页 3 系统总体设计方案 调速系统的硬件原理方 框图如图 31所示，本系统由 6个部分组成，单片机系统是核心，其外围电路有五个部分：输入电路，电源，驱动电路，显示电路，测速电路。 图 31 系统的硬件原理方框图 其中单片机负责控制运算、数据采集等任务，输入电路用于设定直流电机预期速度及控制直流电机的启动、正反转、停止，显示电路用于显示直流电机的当前转速，测速电路用于测量直流电机的实际转速，驱动电路用于驱动直流电机。 本控制系统中，直流电机的转速是待检测的参数，也是反馈检测量，通过测速电路将直流电机 转速转化为反馈信号输入单片机，通过 PID算法来控制 PWM(脉冲宽度调制 )输出的占空比，进而对直流电机的转速实现闭环控制，使其转速达到预期设定值。 单片机设计方案 方案一：采用 AT89S51/AT89S52作为系统控制的方案。 AT89S52单片机是 AT89S51的升级版，拥有更多功能，它的算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。 并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，在各个领域中应用广泛。 方案二：采用传统的 AT89C51单片机作为运动物体的控制中心。 它 和 AT89S2一样都具有软件编程灵活、体积小、成本低 ,使用简单等特点，但是它的频率较低、运算速度慢， RAM、ROM空间小等缺点。 若采用 89C51需要做 RAM， ROM来扩展其内存空间，其硬件工作量必然大大增多。 综合上述两种方案比较，采用 AT89S52作为控制器处理输入的数据并控制电机运动较为简单，可以满足设计要求。 因此在本次设计选用方案一。 驱动电路设计方案 单 片 机 输入电路 电源 显示电路 测速电路 驱动电路 湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计 第 12 页 共 43 页 本次设计的主要目的是控制电机的转速，因此电机驱动模块是必不可少，其方案有一下两种。 方案一：采用大功率晶体管组合电路构。