基于单片机控制双闭环直流电机

基于单片机的双闭环直流调速系统1基于单片机控制双闭环直流电机摘 要 本文主要研究了利用 MCS-51 系列单片机进行双闭环直流电机调速的方法。设计中通过采集转速、电流信号进行 A/D 转换，并实现 PI 算法，将 PI 算法结果用于 PWM 占空比计算，通过软件方法产生 PWM 波，PWM 波输出后，经光耦驱动电路放大后，用于 IGBT 的控制，从而实现双极式 H 型直流机、电机的调速。关键词： PWM 信号; 直流调速; 双闭环; PI 运算基于单片机的双闭环直流调速系统2Based on single-chip microcomputer control double closed loop dc motorAbtract This paper mainly discusses about using MCS - 51 series microcontroller to control DC motor rated speed by double closed-loop. After collecting rated speed and current signal ,using ADC0809 to achieve A/D conversion, and then realize the PI algorithm algorithms, using PI algorithm results to calculate the duty cycle of PWM through the software method to create PWM waves, PWM wave output by light-coupler after driving circuit for amplification, so as to realize the IGBT bipolar contral ,and achieve the type H DC motor speed adjusting.Keywords: PWM signal. Dc speed control. Double closed loop. PI operations基于单片机的双闭环直流调速系统3目 录前言4第一章 系统硬件电路的设计51.系统方案选择与总体设计51.1 调速方案的选择 51.2 双闭环直流调速系统电路原图 61.3 双闭环直流调速系统动态数学模型 61.4 数字控制双闭环直流调速系统方图 71.5 数字式双闭环直流调速系统硬件图 81.6 89S51 单片机简介92.主电路设计与参数计算 102.1 整流变压器的计算与设计 102.2 开关器件 IGBT 参数计算与选择 112.3 电阻电容的选择 112.4 整流功率二极管的选择 112.5 平波电抗器的选择与计算 113.调节器的选择与计算 123.1 确定电流调节器时间常数 123.2 电流调节器结构的选择 123.3 电流调节器参数计算 133.4 确定转速调节器时间常数 133.5 转速调节器结构的选择 133.6 转速调节器参数计算 14基于单片机的双闭环直流调速系统44.PWM 信号发生电计 144.1 PWM 的基本原理144.2 PWM 信号发生电路设计154.3 PWM 发生电路主要芯片工作原理165.功率驱动模块及光耦隔离设计 175.1 功率驱动模块 175.2 稳压块 LM7915 186.A/D 转换及芯片选择 196.1 芯片 ADC0809 介绍 196.2ADC0809 引脚及其功能表 197.测速电机反馈装置 198.霍尔电流传感器 199.键盘显示单元 21第二章 系统软件程序的设计 221.主程序设计 222.中断程序 233.PI 子程序框图 24结束语 25致谢 26参考文献 27第三章 程序附录 28基于单片机的双闭环直流调速系统5引言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，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，功能单一体，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、电流双闭环电力的传动系统。直流的调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中的应用最广的电气传动装置之一，广泛的应用于轧钢机、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，直流电动机基于单片机的双闭环直流调速系统6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转换，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，既有动态响应速度快、输出波形好、装置体积小、电机转速控制平稳、电机调速范围宽等特点，起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调速调节器、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. 系统硬件电路设计1 系统总体设计1.1.1 系统方案选择与总体结构设计调速方案的优劣直接关系到系统调速的质量。根据电机的型号及参数选择最优方案，以确保系统能够正常，稳定地运行。本系统采用双闭环直流调速系统，使系统达到稳态无静差，调速范围 0-1500r/min,电流过载倍数为 1.5 倍，速度控制精度为 0.1%（额定转速时）。 1、 系统控制对象的确定本次设计选用直流电动机的额定参数额定功 PN=11kW、额定电压UN=220V、额定电流 IN=50A、额定转速 nN=1450 r/min，电枢回路电枢绕组电感La=2.8mH，电流过载倍数 =1.5。系统机电时间常数 Tm=0.2015s，电磁时间常数 Tl=0.00278s，电动势系数 Ce=0.1290V*min/r。2.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 G-M 系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，基于单片机的双闭环直流调速系统7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 V-M 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 VM 系统相比，PWM 系统在很多方面有较大的优越性：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。1.1.2 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 11.1 为转速、电流双闭环直流调速系统的示意图。图中两个调节器基于单片机的双闭环直流调速系统8ASR 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 。图 1-1.1 双闭环直流调速系统电路示意图1.1.3 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 1-1.2 所示。图中 和 分ASR()WsCR()s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nASR1()sWKiCR()s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 显露出来。dI基于单片机的双闭环直流调速系统9图 1-1.2 双闭环直流调速系统动态结构图1.1.4 89S51 单片机简介本系统要求微型计算机完成电流环、速度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89S51 作为微型计算机。189S51 单片机的基本组成89S51 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。2CPU 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：89S51 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 00H7FH。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、监视的控制寄存基于单片机的双闭环直流调速系统10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 80HFFH。内部程序存储器：89S51 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：89S51 芯片内部有 4 个 8 位的 I/O 口（ P0，