李要芳的毕业设计初稿.doc

摘 要随着电力电子技术的不断发展和完善，直流调速装置已由模拟量控制变为数字量控制，与模拟量控制的直流调速装置相比，数字式直流调速装置不仅控制精确、运行稳定，而且硬件电路结构简单、操作灵活。本文就设计了一种AT89C51单片机为核心的数字式直流调速装置，该装置具有成本低、工作性能稳定、可靠等优点。根据直流电机的固有机械特性，本文设计了一种直流调速装置。该装置通过对三相全控整流电路中六路晶闸管进行移相触发控制，使其输出可控的直流电压，进而实现直流调速。该装置采用双闭环数字式PI控制，设计包括转速给定、转速显示、转速检测、电流检测和触发脉冲输出等硬件、软件设计，文中最后对系统的抗干扰和调试阶段遇到的相关问题进行了阐述，并提出了行之有效的硬件、软件抗干扰措施和解决调试过程中相关问题的对策。通过编程、调试，所设计的直流调速装置工作稳定、控制准确，实现了低成本、高性能的设计要求，弥补了现有调速装置价格昂贵等缺点，该装置的研制具有一定的现实意义和可行性。关键词：直流调速，单片机，双闭环控制，晶闸管触发AbstractWith the continuous development of power electronic technology and perfect, dc speed control device has become an analog control by digital control, and analog control dc speed control device, digital control dc speed control devices not only accurate, stable operation, and the hardware circuit structure is simple and flexible operation. This is a AT89C51 digital device, this device dc speed control with lower cost and performance is stable, reliable, etc. Based on the inherent characteristics of dc motor machinery, this paper designs a dc speed control device. This device for three-phase all control through rectifier circuit on the back of thyristor trigger phase shifting control, make its output control dc voltage, and then realize dc speed control. This device USES double closed loop digital PI control, design including revs, rotational speed, speed is given, the current detection and trigger detection pulse output etc. The design of hardware and software of the system, the paper finally met the anti-interference and commissioning phase related problems were introduced, and puts forward effective hardware and software anti-interference measures and solve the problems related to the commissioning process. Through programming, commissioning, design of dc speed control device, stability, low cost and high performance achieved the design requirement and the control device, the disadvantages such as expensive equipment development has certain practical significance and feasibility.Keywords: dc speed control, SCM, double closed loop control, thyristor trigger 第章 绪论11序言 在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，。随着生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。对可调速的电气传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的使用，所以直流调速系统至今仍然被广泛地应用在自动控制要求较高的各种生产部门，是目前调速系统的主要形式。12直流调速系统发展史 直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下几种：第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行；设价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机一电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比。至数十比一)、。较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大、检修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，和用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点：维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出现流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器(1000)高10倍在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装鼍取代了已往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一次大的跃进。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。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件nI和传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，电气传动装置不断向前发展。微机的应用使电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的多种直流电气传动装置.13直流调速有三种方法直流调速有三种方法，其中改变电枢电压所得的机械特性是一组平行变化的直线。采用此种方法一般在额定转速以下调速，最低转速取决于电动机低速时的稳定性。它的调速范围宽，机械特性硬，动态性能好的特点。在连续改变电压时，能实现无级调速。这种调速属于恒定转矩调速，通过电压的正反向变化，电动机能平滑的启动和工作在四个象限，而且控制功率小，效率高，能够组成效率较高的调速系统。调压电源已普遍采用晶闸管整流装置。 他励直流电机的机械特性方程式为： 其中： U:电枢电压 Rae:电枢回路的附加电阻由上式可知：当负载一定时，电磁转矩T与负载转矩相平衡，电磁转矩不变，欲改变直流电动机的速度，有以下三种方法：、调节电枢供电电压2、减弱励磁磁通3、改变电枢回路电阻。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方法为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速(额定转速)以上作小范围的弱磁升速。因此，1自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。（图：改变电枢电压的调速特性P176）14直流调速系统的供电方式 实现调压调速，首先要有一个平滑可调的直流电源。静止式可控整流器。20世纪50年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成。静止变流装置取代旋转变流机组，但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统，又称静止的Ward-leonard系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角口，进而改变整流电压的大小，达到调节直流电动机转速的目的。V_M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。15选题的目的、意义和主要内容151课题研究的目的、意义 由于变频技术的出现，交流调速一直冲击直流调速，但综观全局，尤其是我国在此领域的现状，再加上数字直流调速系统的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性，直流调速仍将处于重要地位。但由于传统直流调速控制装置是基于模拟器件设计而成，导致其输出易受电网电压及元件参数分散性的影响，使得各触发器的移相特征不一致，破坏三相触发脉冲的对称性，导致整流变压器的原边电流不平衡，出现零序电流，使电网三相电压中性点发生偏移，附加谐波电流增大等现象，即其不仅硬件组成复杂、速度调整困难，而且缺乏控制的灵活性删。而数字调速系统则大大改善了传统调速装置的不足，不仅在响应速度上要超过前者，稳定性和灵活性也明显提高。目前直流调速控制装置种类繁多，但其本质都是通过改变电枢电压的方式实现调速的目的，无论是采用可控整流或是脉宽调制都可以实现直流电机的调速控制。本质的区别还是控制器的核心一数字控制器，它的好坏直接决定控制系统的优劣。专为电机设计的Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列单片机,其微机芯片本身就带有AD转换器、通用IO接口，还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速等功能n41但是国外的价钱较高。所以本课题的研究是在现直流调速原理的基础上；将控制器的核心换成功能与其相近，但价钱却较低的芯片，配以AD和数字测速等外围电路等，实现直流调速控制。第2章直流调速控制系统的原理.本课题研究的主要内容本文采用晶闸管可控整流技术，通过控制三相全控整流电路中晶闸管的移相触发，将三相交流电源转换成可控的直流电源，实现调压调速的目的。本文的主要内容具体分为以下四个部分：1直流调速控制系统的理论研究：2主控单元采用TC787集成芯片完成对晶闸管触发脉冲的控制以；3电路设计采用Protel设计硬件.4整合电路板，调试程序，实现对直流电机的转速控制。2.2系统的工作原理 本课题的研究内容主要是通过控制三相全控整流电路中晶闸管的对应导通将三相交流电源转化成可变的直流电源，控制系统配以单闭环转速负反馈控制M，实现对直流电机的调速控制。系统通过对集成脉冲触发器TC787第4引脚的电压给定，来控制触发脉冲的触发相位角的大小，从而改变直流电机的电枢电压，达到变电压调速的目的。并且通过直流测速发电机，将转速信号转换为电压信号，然后与给定的电压控制信号进行比较，达到转速负反馈的效果，是调速系统的速度趋于最终达到转速检测与转速给定相平衡，使系统达到稳态，进而实现调速的目的。 根据控制对象的不同，在硬件电路不变的前提下，系统的软件要相应的发生变化。例如，整流电路是三相半控，触发脉冲就为三路输出；整流电路是三相全控，整流电路就为六路输出：由于本装置采用双闭环数字PI控制，整流电路采用三相全控整流电路，因此下面对两者作详细介绍：2.3单闭环直流调速系统的类型单闭环直流调速系统分为有静差调速系统和无静差调速系统两类。单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环直流调速系统称为有静差调速系统，而按积分（或比例积分）控制的则称为无静差调速系统。本设计采用单闭环有静差调速系统。采用转速负反馈的有静差调速系统的系统框图如下：1，采用转速负反馈的有静差调速系统的原理图如下：其中，是转速给定电压；放大器为比例放大器，其输入时偏差电压，输出时控制电压；触发器是输入控制电压，输出控制角；晶闸管整流器的输入时控制角，输出是整流电压，其大小有控制角来改变，此经过平波电抗器L向电动机M供电(图中整流器的交流电源省略未画出)；TG为直流测速发电机，其作用是将被调量转速n转换成反馈电压。各环节输入输出的稳态关系分别如下： 比较环节： 比例放大器： 触发器与晶闸管整流器： 测速发电机： 他励直流电动机主回路电压平衡方程式：以上各式中, 比例放大器的放大倍数 触发器与晶闸管整流器的电压放大系数 测速反馈系数 电势常 主回路的总电阻，它包括晶闸管整流器的等效内阻和电枢电阻。根据以上各环节稳态输入输出关系，可得该闭环系统的静态结构如图所示：有上图可知，带转速负反馈的单闭环有静差调速系统的静特性方程（即稳态时机械特性方程）为： 式中， 为闭环系统的开环放大倍数，他是系统中各环节放大倍数的积。 由式可知，只要改变转速给定电压，就可以调节电动机的稳定运行转速n。 1，但是在给定电压一定时，闭环系统的理想空载转速为开环时的倍。为了使闭环系统获得与开环系统相同的理想空载转速，闭环系统的给定电压要比开环的高1+K倍，因此仅有转速负反馈的单闭环系统在运行中，若突然失去负反馈，就可能造成严重的事故。 2，如果将闭环与开环的理想空载转速调的一样，即，则 （在同样的负载电流下，闭环系统的转速降仅为开换的倍，从而大大提高的机械特性硬度，使系统静差度减少。）3，在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下，开环系统和闭环系统的调速范围分别为：开环：闭环：即闭环系统的调速范围为开环系统的1+K倍。由此可见，提高系统的开环放大倍数K是减少静态转速降落、扩大调速范围的有效措施，但是放大倍数不能过大影响系统稳定。 第3章 系统各部分设计3.1集成触发电路 在要求较高的三相可逆系统中，较多采用正弦波和锯齿波触发电路，锯齿波触发电路的优点是由于锯齿波可用稳压电源供电，不受电网电压波动的影响，抗干扰能力强，移相特性易于调整，目前我国用锯齿波触发电路的较多。 随着集成电路制造技术的不断提高，集成触发电路产品不断出现，且应用越来越普遍，已逐步取代分立式电路，集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，使用调试方便等优点。TC787是一种可靠性高，输出脉冲质量好的三相移相触发集成电路。TC787已广泛应用于三相半波、三相全控、三相半控等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统。本设计采用TC787作为触发芯片。下面是一种典型的应用电路:TC787为双列直插式18脚封装，各引脚的名称及功能如下：1，同步电压输入端：引脚1、2、18分别为c相、b相、a相三相同步输入电压连接端，三相同步电压经过滤波后接入这三个输入端。2，脉冲输入端：在TC787被设为全控双脉冲工作方式时，引脚8与三相同步电压中c相正半周及b相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚12为与三相同步电压中a相正半周及c相负半周对应的两个脉冲输出端;引脚11为与三相同步电压中b相正半周及c相负半周对应的两个脉冲输出端;引脚9为与三相同步电压中c相正半周及a相负半周对应的两个脉冲输出端;引脚7为与三相同步电压中b相正半周及a相负半周对应的两个脉冲输出端;引脚10为与三相同步电压中b相正半周及a相负半周对应的两个脉冲输出端; 应用时这些输出端均接到脉冲功率的放大环节的输入或脉冲变压器所驱动的开关管的控制极。3，控制端：引脚5 为锁定端。应用时接保护电路的输出。引脚14、15、16分别为三相同步锯齿波电容连接端，电容的大小决定了锯齿波的斜率和幅值应用时分别链接一相同容量的电容接地。引脚6 为工作方式设置端，高电平为双脉冲列输出端。引脚4 为移相控制电压输入端，其输入电压大小决定移相的范围；引脚13为脉冲宽度控制端，器连接的电容大小决定输出脉冲的宽度，电容越大，宽度越宽。,本文通过改变电枢电压来调节直流电机的转速，而电压的改变可以通过改变脉冲的触发角度即控制角的大小。TC787引脚4 为移相控制电压输入端，其输入电压大小决定移相的范围；3.1晶闸管-电动机主电路的设计3.1.1主电路设计 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图3-1所示：图3-1 V-M系统主电路原理图图中VT是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图3-2所示： 3.2.2 三相全控整流电路图说明1，三相全控桥式整流电路中，对于共阴极组及共阳极组是同时控制的，每个晶闸管的控制角完全相同，都是。线路中每个晶闸管的编号方法一般如上图所示。这种编号同时也表达了晶闸管出发的顺序是1、2、3、4、5、6、1、2、3.在使用上比较方便。2，晶闸管的导通顺序是由正确的触发脉冲位置来保证的，6个晶闸管的触发脉冲有严格的规律，只有触发脉冲相位的准确无误，才能保证三相桥式整流电路的正常工作。三相全控式整流电路相当于共阳极接法和共阴极接法两组三相半波整流电路的串联。三相半波整流电路的触发脉冲与全控式整流电路触发脉冲如下图所示： 3.2.2 三相全控整流电路相序控制说明 上图对于共阴极触发电路的要求是保证1、3、5号晶闸管依次导通，他们之间的相位差为120.同理，对于共阴极触发电路的要求是保证2、4、6号晶闸管依次导通，他们之间的相位差为120.由于共阴极是正半波触发，共阳极是负半波触发，所以接在同一相上的两个触发脉冲应相差180. 也就是说同相不同组之间的触发脉冲相差180，同组不同相的触发脉冲之间相差120. 按时间顺序触发脉冲的顺序是：1、2、3、4、5、6，两相邻脉冲之间相位差为60. 由上图可知，在一个各周期内，每个晶闸管都被触发两次，这里我们把第一个脉冲叫做住脉冲，第二个脉冲叫做副脉冲。并且称这种脉冲控制法为双脉冲控制法。上文是提到,本文通过改变电枢电压来调节直流电机的转速，而电压的改变可以通过改变脉冲的触发角度即控制角的大小。TC787引脚4 为移相控制电压输入端，其输入电压大小决定移相的范围；3.1.2主电路参数计算，取其中系数0.9为电网波动系数，系数1-1.2为考虑各种因素的安全系数，这里取1.1。电动势系数平波电抗器 其中，这里取10%。3.2.3 晶闸管的保护：晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。 （1）晶闸管的过流保护 晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因；另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。 1.对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。2、对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。 （2）晶闸管的过压保护 晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。 1.过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。3.3 励磁回路的设计计算3.2.1 他励直流电动机的机械特性下图为直流他励电机的原理电路图，电枢回路中的电压平衡方程式为： 以代入上式并略加整理后得到 上式称为直流电动机的转速特性，再以代入上式，即可以得到直流电机机械特性的一般表达式： 由于电动机的励磁凡是不同，磁通随变化的规律也不同，所以在不同的励磁方式下