直流调速控制系统课程设计-基于51单片机的直流双闭环调速系统的课程设计

直流调速控制系统课程设计-基于51单片机的直流双闭环调速系统的课程设计内容摘要：

ΔUn0 →ASR退饱和→Ui*↓Uim*→Id↓→Id IL→n↓→n∞（转速可能会经过几次振荡，但转速环会进行调节）结论： 起动过程中， ASR 饱和后，系统成为恒流调节系统； ASR 退饱和后，系统达到稳定运行时，表现为一转速无静差调速系统 动态抗扰性能分析 抗负载扰动作用 :由双闭环调速系统抗负载扰动作用的动态结构图可以死看 出，负载扰动作用在电流环之外，转速环之内，所以双闭环调速系统在抗负载扰动方面和单闭环调速系统只能依靠转速环来进行抗扰调节。 基于单片机的双闭环直流调速系统 12 抗电网电压扰动作用： 由动态结构图知：电网电压扰动在电流环之内，电压扰动尚未影响到转速前就已经为电流环所抑制。 因而双闭环系统中电网电压 扰动引起的动态速降（升）比单闭环小得多。 数字控制双闭环直流调速系统方框图 根据设计要求，本系统设计为全数字式控制方式，因此要求微型计算机完成：电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算，以及与它们相应的反馈信号的采样和数字信号处理。 本系统采用霍尔元件作为检测电动机电枢电流的传感器 ,其电流容量为 50A,转换比例为 1000： 1。 霍尔元件检测得到的弱电流信号经转换、滤波、放大后 ,变成与电枢电流成比例的 0~5V 的直流电压信号 ,再经 A/D 转换电路 ,将模拟电压转换成数字量 ,输入微型计算 机。 本系统选用光电脉冲信号发生器作为速度反馈的测量元件 ,光电脉冲信号发生器将电动机转子的角位移量转换成脉冲序列 ,通过计数器定时计数即可得到电动机转速的数字式反馈量。 本系统由微型计算机来实现整个系统的控制 ,用全数字方式来取代传统的模拟控制方式 ,不仅提高了系统的可靠性、灵活性 ,而且还为整个系统的多功能、智能化提供了必要条件。 经上述考虑 ,本系统组成的方框图如图 所示。 基于单片机的双闭环直流调速系统 13 图 数字式双闭环直流调速系统方框图 数字式双闭环 直流调速系统硬件结构图 数字式双闭环直流调速系统硬件结构图如图 所示 图 数字式双闭环直流调速系统硬件结构图 数字式位置控制器 数字式速度控制器 数字式电流控制器 数字式 PWM信号发生器 PWM 功率放大器 M 信号转换滤波放大 A/D 转换 . PG 光电隔离倍频变向 位置可逆计数器 数字式速度测量计数器 位置给定 + 霍尔元件 + 基于单片机的双闭环直流调速系统 14 主电路：三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM 变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。 检测回路：包括电压、电流、温度和转速检测。 电压、电流和温度检测由 A/D 转换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速。 故障综合：利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免 故障进一步扩大。 这也是采用微机控制的优势所在。 第二节 8051 单片机简介 STC89C51RC 是采用 8051 核的 ISP（ In System Programming）在系统可编程芯片，最高工作 时钟频率 为 80MHz，片内含 8K Bytes 的可反复擦写 1000 次的Flash 只读 程序存储器 ，器件兼容标准 MCS51 指令系统 及 80C51 引脚 结构，芯片内集成了通用 8 位 中 央处理器 和 ISP Flash 存储单元 ，具有在系统可编程（ ISP）特性，配合 PC 端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。 本系统要求微型计算机完成电流环、速度环和位置环的控制算法运算以及相应的反馈信号数字化测量和采样 ,接收和处理上位微型计算机送给伺服系统的指令 ,采集伺服系统的有关信息并反馈到上位微型计算机等。 其中 ,电流环控制要求 微型计算机有很快的响应速度 ,其采样频率比较高。 另外 ,为了保证足够的控制精度和运算速度 ,对微型计算机字长和指令功能也有更高的要求。 本系统选用我们比较熟悉的 8051 作为微型计算机。 8051 单片机的基本组成 8051 单片机由 CPU和 8 个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用 CPU 加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。 其基本组成如下图所示： 基于单片机的双闭环直流调速系统 15 图 8051 单片机基 本组成 CPU 及 8 个部件的作用功能介绍如下 中央处理器 CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。 内部数据存储器： 8051 芯片中共有 256 个 RAM 单元，能作为存储器使用的只是前 128 个单元，其地址为 00H— 7FH。 通常说的内部数据存储器就是指这前128 个单元，简称内部 RAM。 特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的 RAM 区，位于内部 RAM 的高 128 个单元，其地址为 80H— FFH。 内部程序存储器： 8051 芯片内部共有 4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部 ROM。 并行 I/O 口： 8051 芯片内部有 4 个 8 位的 I/O 口（ P0， P1， P2， P3），以实现数据的并行输入输出。 串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。 定时器： 8051 片内有 2 个 16 位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。 中断控制系统：该芯片共有 5 个中断源，即外部中断 2 个，定时 /计数中断振荡电路 数据存 储器 程序存储器 中断系统 特殊功能寄存器 CPU 并行 I/O 口 串行口 定时器 基于单片机的双闭环直流调速系统 16 2个和串行中断 1个。 振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成 8051 单片 机产生时钟脉冲序列的时钟电路。 系统允许的最高晶振频率为 12MHz。 8051 单片机引脚图 8051 单片机引脚图 电动机供电方案选择 变电压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 GM系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 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。 用静止的可控整流器，例如， 晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又称 VM 系电压。 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 Ud，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，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。 与 V— M系统相比， PWM 系统在很多方面有较大的优越性： 基于单片机的双闭环直流调速系统 17 一、主电路线路简单，需要的功率器件少； 二、开端频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小： 三、低速性能好，稳速精度该，调速范围宽，可达 1： 10000 左右； 四、若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强； 五、功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高； 六、直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流高。 本设计应脉宽调速要求，采用直流 PWM 调速系统。 晶体管 PWM 功率放大器方案选择 双极性调制方式的特点是 4 个功率管都工作在较高频率 (载波频率 )， 双极性控制的桥式可逆 PWM 变换器有以下优点： 电流一定连续； 可使电机在四象限运行； 电机停止时有微振电流， 可以消除静摩擦死区； 低速平稳性好，系统的调速范围可达 1： 20200 左右； 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于器件的可靠导。 故本设计选用双极性控制的桥式可逆 PWM 变换器。 第二章 主电路的设计及参数计算 设计参数 （ 1） 直流电动机参数： PN=20W、 UN=12V、 IN=、 Nn =300r/min、电枢电阻Ra= La=、 GD2= cm Tm=30ms （ 2） 转速电流双闭环直流调速系 统 ： U *n=5V， Uim=5V， Idm=， σi≤5%，σn≤10%。 基于单片机的双闭环直流调速系统 18 稳态参数的计算 双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： 速反馈转系数 电流反馈系数 调节器的设计 电流调节器： 确定时间常数 （ 1）整流装置滞后时间常数 Ts。 由表 22 知， PWM 装置的延长时间 Ts=0. 1ms=。 （ 2）电流滤波时间常数 Toi。 （ 1~2） Toi=，因此取 Toi==。 （ 3 ）电 流环小时 间常数 之和 iT。 按小时 间常数近 似处理 ，取 iT = Ts+Toi=。 （ 4）电磁时间常数 TL TL== 选择电流调节器的结构 根据设计要求 5%i ，并保证稳态电流无静差，可按典型 I 型系统设计电流调节器。 电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI 型调节器 ，其传递函数为 iK 电流调节器的比例系数； i 电流调节器的超前时间常数。 检查对电源电压的抗扰性能： , i。