基于单片机直流调速系统的设计

精品文档 1欢迎下载 湖南电器职业技术学院湖南电器职业技术学院 毕业设计 课题 学生 专业 班级 时间 精品文档 2欢迎下载 目 录 摘要 03 关键字 03 第一章 论绪 04 1 1 直流调速系统发展概况 04 1 2 国内外发展概况 04 第二章 系统设计 6 2 1 直流电机调速原理 6 2 2 电流调节器设计 8 2 3 转速调节器的设计 11 2 4 单片机控制的直流调速系统 13 第三章 结论 16 附录 17 参考文献 19 精品文档 3欢迎下载 摘要 近年来由于微型机的快速发展 国外交直流系统数字化已经达到实用阶段 由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高 制作成本低 且不受器件温度漂移的影响 其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算 可以 实现不同于一般线性调节的最优化 自适应 非线性 智能化等控制规律 所 以微机数字控制系统在各个方面的性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越 广泛 本文介绍的是单片机构成的数字化直流调速系统 特点是用单片机取代模拟 触发器 电流调节器 速度调节器及逻辑切换等硬件设备 最后进行软件编程 调试以及计算机仿真 实时控制结果表明 本数字化直流调速系统实现了电流 和转速双闭环的恒速调节 并具有结构简单 控制精度高 成本低 易推广等 特点 而且各项性能指标优于模拟直流调速系统从而能够实际的应用到生产生 活中 满足现代化生产的需要 关键字 单片机 双闭环 直流调速系统 精品文档 4欢迎下载 第一章 论绪 1 1 直流调速系统发展概况 在现代工业中 电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械 冶金 石 油化学 国防等工业部门中 随着对生产工艺 产品质量的要求不断提高和产 量的增长 越来越多的生产机械要求能实现自动调速 在可调速传动系统中 按照传动电动机的类型来分 可分为两大类 直流调速 系统和交流调速系统 交流电动机直流具有结构简单 价格低廉 维修简便 转动惯量小等优点 但主要缺点为调速较为困难 相比之下 直流电动机虽然 存在结构复杂 价格较高 维修麻烦等缺点 但由于具有较大的起动转矩和良 好的起 制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速 因此直流调速系统至今 仍是自动调速系统的主要形式 直流调速系统的发展得力于微电子技术 电力电子技术 传感器技术 永磁材 料技术 自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就 正是这些技术的进步 使 直流调速系统发生翻天覆地的变化 其中电机的控制部分已经由模拟控制逐 渐让位于以单片机为主的微处理器控制 形成数字与模拟的混合控制系统和纯 数字控制系统 并正向全数字控制方向快速发展 电动机的驱动部分所用的功 率器件亦经历了几次更新换代 目前开关速度更快 控制更容易的全控型功率 器件 MOSFET 和 IGBT 成为主流 功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用 也使新型的电动机控制方法能够得到实现 脉宽调制控制方法在直流调速中获 得了广泛的应用 1964 年 A Schonung 和 H stemmler 首先提出把 PWM 技术应用到电机传动中从 此为电机传动的推广应用开辟了新的局面 进入 70 年代以来 体积小 耗电少 成本低 速度快 功能强 可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化 把电机控制推上了一个崭新的阶段 以微处理器为核心的数字控制 简称微机 数字控制 成为现代电气传动系统控制器的主要形式 PWM 常取代数模转换器 DAC 用于功率输出控制 其中 直流电机的速度控制是最常见的应用 通常 PWM 配合桥式驱动电路实现直流电机调速 非常简单 且调速范围大 在直流 电动机的控制中 主要使用定频调宽法 目前 电机调速控制模块主要有以下三种 1 采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压 从而达到调速的目 的 精品文档 5欢迎下载 2 采用继电器对直流电机的开或关进行控制 通过开关的切换对电机的 速度进行调整 3 采用由 IGBT 管组成的 H 型 PWM 电路 用单片机控制 IGBT 管使之工作 在占空比可调的开关状态 精确调整电动机转速 1 2 国内外发展概况 1 2 1 国内发展概况 我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来 晶闸管直流调速系统开始 得到迅速的发展和广泛的应用 用于中 小功率的 0 4 200KW 晶闸管直流调 速装置已作为标准化 系列化通用产品批量生产 目前 全国各大专院校 科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发 提出了许多关于直流调速系统的控制算法 1 直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法 该方法据系统或环节 的输入输出特性 应用最小二乘法 即可获得系统环节的内部参数 所获得的 参数具有较高的精度 方法简便易行 2 直流电动机调速系统的内模控制方法 该方法依据内模控制原理 针 对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器 取代常规的 PI 调节器 成功解决了转速超调问题 能使系统获得优良的动态和静态性能 而且设计方 法简单 控制器容易实现 3 单神经元自适应智能控制的方法 该方法针对直流传动系统的特点 提出了单神经元自适应智能控制策略 这种单神经元自适应智能控制系统不仅 具有良好的静 动态性能 而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性 4 模糊控制方法 该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行 了尝试 经 1 5kw 电机实验证明 模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限 流起 动和恒速运行控制 并能获得理想的控制曲线 上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面 国内外还有许 多学者对此进行了不同程度的研究 1 2 2 国外发展概况 随着各种微处理器的出现和发展 国外对直流电机的数字控制调速系统的 研究也在不断发展和完善 尤其 80 年代在这方面的研究达到空前的繁荣 大型 直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现 为了提高调速系统的性能 研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究 提出了内模控制算法 I P 控制器取代 PI 调节器的方法 自适应和模糊 PID 算法等等 目前 国外主要的电气公司 如瑞典 ABB 公司 德国西门子公司 AEG 公 司 日本三菱公司 东芝公司 美国 GE 公司等 均已开发出数字式直流调装置 有成熟的系列化 标准化 模版化的应用产品供选用 如西门子公司生产的 SIMOREG K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置 其结构紧凑 用于直流电机电枢和励磁供电 完成调速任务 设计电流范围为 15A 至 1200A 并可通过并联 SITOR 可控硅单元进行扩展 根据不同的应用场合 可选择单象限或四象限运行的装置 装置本身带有参数设定单元 不需要其它 精品文档 6欢迎下载 任何附加设备便可以完成参数设定 所有控制调节监控及附加功能都由微处理 器来实现 可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量 1 2 3 总结 随着生产技术的发展 对直流电气传动在起制动 正反转以及调速精度 调速范围 静态特性 动态响应等方面都提出了更高的要求 这就要求大量使 用直流调速系统 因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步 系统设计 2 1直流调速器的原理 一 什么是直流调速器 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备 由于直流电动机具有 低转速大力矩的特 是交流电动机无法取代的 因此调节直流电动机 速度的设备 直流调速器 具有广阔的应用天地 二 直流调速工作原理 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备 上端和交流电源连接 下端和直流电动机连接 直流调速器将交流电转换成两路输出直流电源 一路输入直流电机励磁 定子 一路输入给直流电机电枢 转子 直 流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机的转速 同时直流电 动机给转速器一个反馈电流 调速器根据反馈电流来判断直流电动机的 转速情况 必要时修正电枢电压输出 以此来再次调节电机的转速 三 直流电机的调速方案 直流电机的调速方案一般有下列三种 1 改变电枢电压 2 改变激磁绕组电压 3 改变电枢回路电阻 四 直流电机 PWM 脉宽调制 调速工作原理 在直流调速系统中 开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流 通过改变 加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转 在开关放大器中 常采用晶 体管作为开关器件 晶体管如同开关一样 总是处在接通和断开的状态 在晶 体管处在接通时 其上的压降可以略去 当晶体管处在断开时 其上的压降很 大 但是电流为零 所以不论晶体管导通还是关断 输出晶体管中的功耗都是 很小的 一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大 精品文档 7欢迎下载 器 并根据需要改变一个周期内 接通 和 断开 的相位宽窄 这样的放大器被称 为脉冲调制放大器 PWM 脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制 来等效地获得 获得所需要波形 含形状和幅值 的技术 根据 PWM 控制技术的特点 到目前为止主要有八类方法 相电压控制 PWM 线 电压控制 PWM 电流控制 PWM 非线性控制 PWM 谐振软开关 PWM 矢量控制 PWM 直接转矩控制 PWM 空间电压矢量控制 PWM 利用开关管对直流电动机进行 PWM 调速控制原理图及输入输出电压波形如图 2 1 图 2 2 所示 当开关管 MOSFET 的栅极输入高电平时 开关管导通 直流 电动机电枢绕组两端由电压 秒后 栅极输入变为低电平 开关管截止 电动 机电枢两端电压为 0 秒后 栅极输入重新变为高电平 开关管的动作重复前 面的过程 五 单闭环直流调速系统的组成 只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压 达到调节电动机转速的目的 称为开环调速系统 但开环直流调速系统具有局 限性 1 通过控制可调直流电源的输入信号 可以连续调节直流电动机的电枢电 压 实现直流电动机的平滑无极调速 但是 在启动或大范围阶跃升速时 电 枢电流可能远远超过电机额定电流 可能会损坏电动机 也会使直流可调电源 因过流而烧毁 因此必须设法限制电枢动态电流的幅值 2 开环系统的额定速降一般都比较大 使得开环系统的调速范围 D 都很小 对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求 因此必须采用闭环反馈控制 的方法减小额定动态速降 以增大调速范围 3 开环系统对于负载扰动是有静差的 必须采用闭环反馈控制消除扰动静 差 为克服其缺点 提高系统的控制质量 必须采用带有负反馈的闭环系统 方框 图如图 2 3 所示 在闭环系统中 把系统输出量通过检测装置 传感器 引向 系统的输入端 与系统的输入量进行比较 从而得到反馈量与输入量之间的偏 差信号 利用此偏差信号通过控制器 调节器 产生控制作用 自动纠正偏差 因此 带输出量负反馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性 改善控制精度的性 能 广泛用于各类自动调节系统中 精品文档 8欢迎下载 2 2 电流调节器设计 1 电流环调节器设计原理 电流环的控制对象由电枢回路组成的大惯性环节与晶闸管整流装置 触发器 电流互 感器以及反馈滤波等一些小惯性环节组成 电流环可以校正成典型 I 型系统 还可以校正 成典型 II 型系统 校正成哪种系统 取决于具体系统的要求 由于电流环节的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值 因而在突加给 定时 不希望有超调 或者超调越小越好 从这个观点来说 应该把电流环校正成典型 I 型系统 但典型 I 型系统在电磁惯性时间常数较大时 抗干扰能较差 回复时间较长 考 虑到电流环还对电网电压波动及时的调节功能 因此 为了提高其抗干扰性能 又希望把 电流环校正成典型 II 型系统 在一般情况下 当控制系统的两个时间常数之此时 典型 II 型系统的 恢复时间还是可以接受的 因此 一般按典型 I 型设计电流环 为了按典型系统设计电流 环 需要对电流环进行必要 的工程近似和等效处理 2 电流环的结构的简化 电流环的结构如图 a 所示 把电流环单独哪出来设计时 首先遇到的问题是反电势 产生的反馈作用 在实际系统中 由于电磁时间常数 T1 远小于机电时间常数 Tm 电流调节 过程往往比较速的变化过程快的多 因此也电势 E 的变化快的多 反电势对电流环来说 只是一个变化缓慢的扰动 在电流调节器的快速调节过程中 可以认为 E 基本不变 即 E 0 时 这样 在设计电流环时 在可以不考虑反电势变化的影响 而将电势反馈作用 断开 使电流环结构得以简化 另外 在将给定滤波器和反馈滤波器两个环节等效的置于 环内 使电流环结构变为单位反馈系统 最后 考虑到反馈时间常数 Ti 和晶甲管变流装置 时间常数 Ts 比 T1 小的多 可以当作小惯性环节处理 并取 T i Toi Ts 经过上术简化和 近似处理后电流环的结构图最终为下图 C 所示 精品文档 9欢迎下载 4 电流环的结构选择 由于电流环中的控制对象传递函数 Wi s 含有两个惯性环节 因此按典型 I 型 系统设计的话 因选 PI 调节器进行串联校正 其传递函数为 为了对消控制对象的大时间常数 取 此时 电流环的结构图就成为典 型系统的形式 如图 a 所示 如果要求跟随性好 超调量小 可按工程最佳参数选 择调节器的参数 电流环开放大系数 Ki 为 精品文档 10欢迎下载 精品文档 11欢迎下载 2 3 转速调节器的设计 1 电流环的等效传递函数 电流环是转速环的内环 设计转速环时要对电流环做进一步的简化处理 使电流成为 一简单的环节 以便按典型系统设计转速环 如果电流环是按工程最佳参数设计的典型 I 型系统 则由图 4 2 a 可得起闭环传递函 数为 在双闭环调速系统中 转速外环的截止频率 cn 总是低于电流环的截止频率 ci 即 cn ci 因此 设计转速环时可以 把电流环就看成是外环中的一个小时常函数环 节 并加以简化处理 即略去 Wbi s 中分母的高次项 得简化的传递函数为 电流环的这种近似处理产生的效果可以用对数幅频特性来表达 电流环未处理时阻 精品文档 12欢迎下载 尼比 自然振荡频率为的二阶振荡环节 当转速环节截止频率效 cn 低 时 对于专属环的频率特性来说 原系统的近似系统只在搞频段有些区别 由于电流环在转速环内 其输入信号是 Ui0 因此 与电流环的近似的小环节应为 式中的时间常数的大小随调节器参数选择不同而不同 2 转速调节器的结构选择 为了实现转速无静差 必须在扰动作用点以前设置一个积分环节 从 b 图可以看出 在负载扰动作用以后 已经有一的积分环节 故从静态无差考虑需要 II 型系统 从动 态性能上看 考虑转速调节器饱和非线性后 调速系统的跟随性能与抗扰性能是一致 的 而典型 II 型系统具有较好的抗扰性能 所以 转速环应该按典型 II 系统进行设 计 由图 b 可以明显地看出 要把转速环校正成典型 II 型系统 转速调节器 ASR 也 应该采用 PI 调节器 其传递函数为 式中 Kn 转速调节器的比例系数 转速调节器的超前时间常数 这样 调速系统的开环传递函数为 其中 转速开环增益为 不考虑负载扰动时 校正后的调速系统动态结构式于下图 3 转速调节器的参数选择 按跟随性能和抗干扰性能最好的原则 取 h 5 计算 精品文档 13欢迎下载 小惯性环节近似处理条件 2 4 单片机控制的直流调速系统设计 随着微型计算机的迅猛发展 它的应用在人们工业过程控制是的工作和日常生活中 越来越普遍计算机的一个重要应用领域 可以毫不夸张地说 没有微型计算机的仪器不 能称为先进的仪器 没有微型计算机的控制系统不能称其为现代控制系统如今微型计 算机控制技术已广泛应用于各行各业本系统以 单片机为核心 以小功率直流电机为 控制对象 采用 技术 控制算法 速度反馈单闭环控制系统 1 小功率直流电机调速原理 对小功率直流电机调速系统 使用单片机是极为方便的 其方法是通过改变电机电枢 电压接通时间与通电周期的比值 即占空比 来控制电机速度这种方法称为脉冲宽度 调 4 9KOB PHA DP9KG 简称 调速原理如图 所示 通过控制脉冲占空比来改变 电机的电枢电压 改变占空比的方法有 种 定宽调频法 这种方法是保持 不变 只改 变 这样周期 或频率 也随之改变 调宽调频法 保持 不变 而改变 这样也 使周期 或频率 改变 定频调宽法 这种方法是使周期 或频率 不变 而同时改 变 和 由于前两种方法都改变了周期 或频率 当控制频率与系统的固有频率接近时 将会引起振荡 用的比较少 因此本系统用的是定频调宽法 在脉冲作用下 当电机通 电时 速度增加 电机断电时 速度逐渐减小只要按一定规律 改变通断电时间 即可 实现对电机 的转速控制 精品文档 14欢迎下载 设电机永远接通电源时 其最大转速为 Vmax 设占空比 D t1 T 则电机的平均 速为 Vd Vd VmaxD 平均速度 Vd 与占空比 D 的函数曲线如图 2 所示 从图中可以看 出 Vd 与占空比 D 并不是完全线性关系 图中实线 当系统允许时 可以将其近似 的看成线性关系 图中虚线 本系统采用近似法 系统采用单闭环 DCC 调速系统 所谓 DCC 系统 就是用一台微型计算机 单片机 对被控参数进行巡回检查 检查结果与设定值比较 再按数字 PID 算法规律进行控制 运算 然后输出到执行机构对电机进行控制 使被控参数稳定在给定值上 本系统采 用的是速度反馈 DCC 闭环控制系统 设定值是转速 采用增量型数字 PID 调节 控制 PWM 输出占空比 从而使电机转速按照给定值运转 2 软件编程 进行应用软件设计时可采用模块化程序设计方法 本系统用的是单片机 语言 其优点 是 1 每个模块的程序结构简单 任务明确 易于编写 调试和修改 2 程 序可读性好 对程序的修改可局部进行 其他部分可以保持不变 便于功能扩充和版 本升 级 3 对于使用频率的子程序可以建立子程序库 便于多个模块调用 4 便 于分工合作 多个程序员同时进行程序的编写和调试工作 加快软件的编制进度 2 1 内存空间的分配 内存空间的分配为 精品文档 15欢迎下载 显示字型口 1000H 显示字位口或键列扫描口 3000H 键行扫描口 5000H 27646000H 7FFFH 62647000H 9FFFh 2 2软件设计及部分流程图 根据设计要求 首先确定软件设计方案 即确定该软件应该完成哪些功能 其次是 规划为了完成这些功能需要分成多少个功能模块 以及每一个程序模块的具体任务是什么 模块的划分有很大的灵活性 根据模块的划分原则 将该程序划分成测速模块 显示模块 PWM 控制模块 pID 调节模块等 部分程序模块流程图如图 5 所示 4 精品文档 16欢迎下载 第三章 结论 本系统用单片机取代模拟电路作为电动机的控 制器有如下特点 1 使电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件 使 电路复杂 使用单片机 微处理器 后 绝大多数控制逻辑可通过软件实现 2 可以 实现较复杂的控制 单片机有更强的逻辑功能 运算速度和精度高 有大容量的存储单元 因此有能力实现复杂的控制 3 灵活性和适应性强 单片机的控制方式是由软件完成 的 如果需要修改控制规律 一般不必改变系统的硬件电路 只需修改程序即可 在系统 调试和 升级时 可以不断尝试选择最优参数 非常方便 4 无零点漂移 控制精度高 数字控 制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题 无论被控量的大小 都可以保证足够的 控制精度 5 可提供人机界面 多机联网工作等基于上述优点 现在普遍采用单片机作为电动 机的控制器经过软硬件设计调试 系统运行正常 基本达到预期设计指标 今后将不断改进 日趋完善 把它作为微型计算机控制技术应用项目之一 此控制系统的开发设计 有助于培 养学生及工程技术人员良好的团队协作精神与提高运用微型计算机设计自动控制系统的能 力 精品文档 17欢迎下载 附录 主程序 include 包含头文件 一般情况不需要改动 头文件包含特殊功 能寄存器的定义 sbit KEY1 P3 1 定义调速按键 sbit PWM P1 5 定义调速端口 unsigned char CYCLE 定义周期 该数字 X 基准定时时间 如果是 10 则周期是 10 x 0 1ms unsigned char PWM ON 定义高电平时间 延时函数 void delay unsigned int cnt while cnt 主函数 main unsigned char PWM Num