微型计算机控制技术课程设计双闭环直流电动机数字调速系统设计

微型计算机控制技术课程设计双闭环直流电动机数字调速系统设计内容摘要：

器的输出端 Q 输出为高电平。 如图 所示。 当电机反转时， A 相脉冲超前 B相脉冲 90176。 ，则 D 触发器总是在 B 脉冲为低电平时触发，这时 Q 输出端输出为低电平。 由 此确定电机的转动方向。 图 电机运转方向判别 22 M 法测速的实现 在系统中，使用单片机的 T/C0 和 T/C1 分别记数高频时钟脉冲个数 2M 和同时间内旋转编码器输出的脉冲个数 1M。 由于 T/C0 还要给 8279 给定时钟信号，因此工作于计数器方式，时钟信号为单片机时钟的 1/2 分频即 4MHZ，定时器初值设为 80H。 T/C0 溢出中断后，记录 T/C1 的数值 1M ，并将单片机PB0 清零，延时 5 个时钟之后，置位 PB0 口后重新开始记数，再次溢出中断时：如果测速容许，再次记录 T/C1 的数值 1M ，否则将单片机 PB0 清零，延时之后置位 PB0 口，重新记数。 这样循环， T/C0完成了记数高频时钟脉冲个数 2M 和 8279 脉冲信号的输出。 那么，电动机的转速为： 10260 Mfn pM 式中，高频时钟频率 0f =4 610 HZ； 旋转编码器的光栅 数 P=1024； 2M =64. 三、电流检测电路设计 11直流电流检测电路 图 直流电流检测电路 12 直流电流检测电路主要芯片的工作原理 UGN3501M:集成霍尔传感器 UGN3501M 原理图 AD522 集成模数转换器 AD522 功能管脚 A/D转化及芯片选择 31 芯片 ADC0809介绍 ADC0809 是 8 位、逐次比较式 A/D 转换芯片，具有地址锁存控制的 8 路模拟开关，应用单一的 +5V 电源，其模拟量输入电压的范围为 0V+5V，其对应的数字量输出为 00HFFH，转换时间为 100μ s，无须调零或者调整满量程。 32 ADC0809的引脚及其功能 ADC0809 有 28 个引脚，其中 IN0IN7接 8 路模拟量输入。 ALE 是地址锁存允许， REFV 、 REFV 接基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电电源就可以作为基准电源。 START 是芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿起动一次新的 A/D 转换。 EOC 是转换结束信号，可以用于向单片机申请中断或者 供单片机查询。 OE 是输出允许端。 CLK 是时钟端。 DB0DB7是数字量的输出。 ADDA、 ADDB、 ADDC 接地址线用以选定 8 路输入中的一路，详见下图。 ADDC ADDB ADDA 选通输入通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 图 ADC0809 引脚图及功能表 键盘显示单元 按键控制与 LED 显示单元完成 系统参数 （占空比和转速）的实时显示，以及 通过键盘输入系统的给定（占空比）。 本系统中通过 8279 芯片来扩展键盘和显示接口。 INTEL8279 可以显示 8 位或 16 位 LED 显示器，可以和具有 64 个按键或传感器的阵列相连，通过编程可以实现多种工作方式。 8279 的引脚图如下： O U T A 027O U T B 031O U T A 126O U T B 130O U T A 225O U T B 229O U T A 324O U T B 328D B 012BD23D B 113D B 214S L 032D B 315S L 133D B 416S L 234D B 517S L 335D B 618D B 719R L 038R L 139IR Q4R L 21R L 32CS22R L 45RD10R L 56WR11R L 67A021R L 78C L K3S H IF T36R E S E T9C N T L / S37 图 8279 的引脚图 8279 的主要功能如下： 键盘与显示器同时工作； 扫描式键盘工作方式； 扫描式传感器工作方式； 用选通方式送入输入信号带有 8 字符的键盘； 先入先出存储器 FIFO； 触点回弹时两键封锁或 N 键巡回； 双排 8 字或单个 16 字的数字显示器； RAM 工作方式可 由单片机编程可编程扫描定时，键盘送入时有中断输出。 8279 与 DB0DB7 与 8051 的 ～ 、 、 口相连。 8279 的 IRQ 经非门接到的 INT0 管脚上，可以实现键盘查询或键盘中断。 由 口为 8279 输出定时时钟。 RD、 WR 与 、 相连，访问 8279 时， 8051 给出相应的电平。 8051 的 作为 8279 的片选（ CS）信号。 并且 与 8279的 A0 相连。 因此 8279 的地址分别为：数据口： 7EFFH；命令口或状态口： 7FFFH。 8279 与 4 个共阴极显示器和一个 12 键的小键盘连接。 SL0SL3 的扫描按编码方式经 74LS139 译码输出作为键盘的行扫描线，同时经驱动器 75451 接 LED显示器的 COM端作为显示器位扫描驱动信号。 OUTA与 OUTB经驱动器 74LS244 与显示器的段码线相连，直接控制显示字型， RP200A 为 8 个 200 欧姆 / 上拉电阻。 键盘的列扫描县送会扫端 RL0RL3 上。 由 8051 单片机向它写入命令后，它会自动扫描键盘；有键按下时，会判断键号，将键号存入内部的FIFO 缓冲器，并向 8051 单片机申请中断。 于是 8051 单片机只要发出读 FIFO 的命令，将 键号读入即可。 要显示数据， 8051 单片机只要向 8279 发出“写显示 RAM”命令，将字型码写入， 8279 会自动进行动态扫描显示 泵生限制电路设计 随着电力电子技术的不断发展和完善，交流变频调速技术日益显现出优异的控制和调速性能，加上其高效率、易维护的特点，使其在机械设备的调速领域中应用日益广泛。 随之而来的制动问题越来越受到人们的关注，在变频调速系统中，异步电机的减速或停止是通过逐渐降低变频器的输出频率来实现的，随着变频器输出频率的降低，电机的同步转速降低，但是由于机械惯性的存在，电机转子的转速不会突变。 当 同步转速小于转子转速时，电机便处于再生发电状态，从而产生反馈电流。 1 变频器再生运行 图 1 所示为变频器再生运行状态，当其运行在Ⅱ、Ⅳ象限时，其转矩方向与旋转方向相反，为再生运转。 由于通用 变频器前级多采用不可控二极管整流，逆向功率流流向电网的通道被阻断，少量的再生能量在电动机和变频器中消耗掉，大多数能量会储存到电力电容器中，导致直流环节泵升电压 UDC 持续升高，若不采取措施，势必会造成变频器过电压保护动作或者主电路器件因过压击穿或烧毁，因此大量的再生能量就必须另寻出路。 能耗制动单元配合制动电阻可以很好地实 现对再生能量的消耗，达到变频器制动的目的。 这种方法具有结构简单，制动方便的特点。 2 能耗制动工作方式 能耗制动是利用制动电阻将再生能量转换为热量消耗掉的制动方式，制动电阻连接在制动回路上，能量流动的路径是：机械设备的机械能 — 电动机发电电能 — 逆变器 — 直流回路 — 制动电阻 — 热能。 能耗制动单元接线原理如图 2 所示。 其中的制动电阻与绝缘门双极晶体管 IGBT 组成的制动单元串联连接，然后并联在直流回路上。 这是一种处理再生能量最直接的办法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能。 制动单元控制目 标，使直流电压在允许的范围内波动。 当再生发电制动运行时，回馈到直流回路的电能积累在电容器内，导致电容器端直流电压上升，再生发电功率越大，电压上升速度越快，即上升斜率越大。 当直流电压上升到制动运行时的电压上限UDH 时，制动单元的控制电路使制动开关器件 Q1导通，电阻被并联在直流回路上，开始工作。 当直流电压下降到制动运行电压下限 UDL 时，制动单元控制电路使 Q 1 截止，同时电阻被截止。 能耗制动电路的设计涉及制动电阻阻值、功率、控制方式等几个方面的分析与确定。 制动电阻阻值一方面关系到最大制动能力的问题，另一方面涉及 到逆变器瞬间电流大小的问题。 因此，制动电阻是制动单元的重要参数；制动单元的控制方式则涉及是否能够有效地控制和实现控制过程的问题 . 3 制动控制单元设计 直流电压上下限的确定 工程上，泵升电压抑制电路的参数计算和选择原则： (1)泵升电压必须低于主电路电容器和功率器件的电压定额，一般可选择 130% UC(0)作为上限 (其中 ,UC(0)为正常运行时电容 C上的电压值 )。 (2)泵升电压抑制电路动作结束时，为使系统能再次迅速电动运行，不应使直流侧电压降得过低，必须等于或略大于正常运行时 UC(0)，一般可 选择 110% UC(0)作为下限。 三相电网电压为 380V，经三相整流后，整流电压的平均值 UO： U1— 负载两端线电压 UP— 负载两端相电压 当正常运行时， UC(0)=UO=。 制动电路的上限电压值 UDH = 130%=670V。 制动电路的下限电压值 UDL= 110%=566V。 但是，在选择制动电路的下限时，考虑到电网波动的影响，三相电网电压为 380V，设电网波动为177。 15%，则三相整流后电力电容器上的最大直流电压约为 620V。 在制动运行时，直流电压的最低值应该不低于 620V，所以在此我们选择 UDL=620V。 泵升电压控制电路 泵升电压检测和控制电路如图 3所示，当电解电容 C两端的电压 Uin 大于泵升电压下限 UDL时， U1B输出高电平，三极管 Q 2导通， A点电势变为高电平。 如果电压继续上升，当 Uin 达到泵升电压上限 UDH 时， U1A输出高电平，晶闸管 Q 3导通， B 点电势变为高电平，从而使三极管 Q 4 导通，经门极限流电阻 .. Rg使 IGBT 导通，制动回路动作。 当 .. Uin 下降至 UDH与 UDL之间时，由于晶闸管 Q 3的作用，制动回路依旧导通。 直至电压降至 UDL 以 下时三极管 Q 2 截止， A点电势降至 0V，从而使晶闸管 Q 3 与三极管 Q 4 截止，最终切断制动回路。 4 制动电阻的计算 制动电阻最小值 制动单元由制动电阻和制动功率管组成，构成的制动回路中，其最大电流受功率管 Q 1最大电流的限制，最小制动电阻： .. (2) RBmin=UDL/IQmax UDL— 制动运行时，直流电压下限值 IQmax— 制动控制功率管最大工作电流 (取决于所选功率管型号 ) 制动电阻最大值 根据变频器额定电流计算 再生发电能量流回直流回路时，是通过逆变器的。 电阻上 流过的瞬间电流，一部分来自逆变器，一部分来自电容器，因此，通过逆变器的电流必然不大于电阻中流过的电流。 若电阻上的瞬间电流不超过变频器的额定电流，那么对于变频器来说，肯定是安全的。 电阻上的瞬间电流在直流电压处于上限时最大，按照欧姆定律得，制动电阻最大值： (3) RBmax=UDH/Ievf UDH— 制动运行时，直流电压上限值 Ievf— 变频器额定电流 (取决于所选功率管型号 ) 当选择制动电阻时，阻值在 RBmin 和 RBmax之间进行选 取，即： .. RBmin＜ RB＜ RBmax。 制动电阻功率计算 制动电阻的工况属于短时工作，即每次通电时间都很短，在通电时间内，其温升远远达不到稳定温升，而在每次断电以后的停歇时间又较长，其温度可以降至与周围环境温度相同。 因此，制动电阻的标称功率可以大大小于通电时消耗功率，一般用下式计算： 式中λ B 为选用系数。 通常可取 ～。 .. 故障检测电路设计 71电流故障检测 图 电流故障检测电路 72温度检测电路 图 温度检测电路 73电压检测电路 图 电压检测电路 故障保护 第二章系统软件程序设计 数字控制系统的控制规律 是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。 单片机数字控制双闭环直流调速系统的软件有主程序、初始化子程序、中断服务子程序等。 第一节主程序设计 主程序流程图如图 所示。 在主程序中，主要完成对各个可编程芯片进行初始化和键盘参数设置的处理。 键盘参数设置的处理主程序中的重要部分，这部分程序设计采用程序的模块化，有效的解决了复杂的多重分支问题。 启动功能键按下时，系统开始启动采样定时并进入实时控制阶段，每次中断返回时若有复位键和新的参数设置键按下则返回键处理程序。 图 主程序的流程图图 初始化子程序流程图。