直流电动机调速系统仿真

1、 安徽建筑工业学院毕业设计（论文）摘要本论文是基于直流调速系统的设计与仿真，通过对控制系统的硬件电路设计实现对控制系统的功能构成的进一步了解，并利用MatlabSimulink工具箱进行系统的动态仿真从而分析转速和电流的仿真波形，并进行调试，使双闭环直流调速系统趋于完善、合理采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行辅助设计，选择调节器结构，进行参数计算和近似校验并建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的MatlabSimulink仿真模型其中电路的设计包括转速显示电路、转速检测电路、电流检测电路、触发脉冲输出电路、过零检测电路以及保护电路。通过仿真实现对系统的启动性能分析与抗扰性能分析，得出系

2、统对负载的大幅度突变和电网电压的大幅波动具有良好的抗扰能力但是与理想的电动机的起动特性相比较，该系统的起动和恢复时间显得略长一些等结论关键词: 调节器 双闭环直流调速系统 MatlabSimulink仿真AbstractThis thesis is based on the DC speed control system design and simulation, through the control system hardware design to realize the control function of the system constitutes a further unde

3、rstanding Then the Matlab model of double closed - loop DC motor control system was built. The speed and current waveform were analyzed carefully. By trying a great deal of simulation the DC motor control system was made better and more reasonable.According to engineering design method a double clos

4、ed- loop DC motor control system was designed, a modulator structure was selected and computed, and its parameter was corrected. And establish a Matlab / Simulink simulation model which Include braking, anti-disturbance and anti-grid voltage load disturbance Circuit design, including speed display c

5、ircuit, speed detection circuit and current detection circuit, trigger pulse output circuit, zero crossing detection circuit and protection circuit.we conclude that this Significant mutation system load fluctuations and grid voltage has a good disturbance rejection capabilities by Simulationt System

6、 start-up performance analysis and performance analysis of disturbance rejection but also could find that the Ideal motor starting characteristics compared to the system start-up and recovery time seems even longer and so on Key words: Regulator; double closed- loop DC motor control system; Matlab/S

7、imulink目录摘要1Abstract2目录3第一章 概述41.1 研究背景41.2 直流双闭环系统介绍513 国内外研究现状与趋势614 本论文主要工作6第二章 直流调速控制系统的原理721 系统的工作原理722 双闭环调速系统的构成8221 转速、电流双闭环调速系统的组成8222调节器输出限幅值的整定923 双闭环调速系统的动态特性9231 双闭环调速系统突加给定时的启动过程9232 双闭环调速系统的制动停车过程10233 双闭环调速系统的抗扰性能10234 两个调节器的作用11第三章 系统的硬件设计123.1 直流调速系统的方案选择123.1.1 直流电动机的选择123.1.2 电动机

8、供电方案的选择123.1.3 系统的结构选择1332 系统硬件结构的总体设计1433 系统主要芯片介绍1434 系统硬件电路组成15341 AT89C51单片机的性能及特点15342 键盘显示电路设计17343 数字测速硬件电路设计19344 电流检测电路设计20345 触发脉冲输出电路设计21346 过零检测电路设计23347 整流电路中晶闸管保护设计24第四章 控制电路的设计与计算274.1电流截止反馈环节的选择274.2调速静态精度的计算274.3给定环节的选择294.4控制电路的直流电源选择294.5继电器-接触器控制电路的设计29第五章 双闭环直流调速系统的动态设计305.1电流调节

9、器的设计305.2转速调节器的设计33第六章 系统SIMULINK仿真分析366.1仿真参数的配置386.2 仿真步长与精度的关系406.3起动特性分析416.3.1 ASR的输出与电动机转速动态特性仿真结果与分析416.3.2 ACR的输出与电动机转速动态特性仿真结果与分析426.3.3 电动机电流与电动机转速动态特性仿真结果与分析436.4 抗扰性能分析446.5存在问题分析46结论48致 谢49参考文献50附录一：显示子程序52第一章 概述1.1 研究背景20世纪初，直流电动机的发展己趋于成熟。传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动系统中有着广泛的应用，但机械电刷却是它的致命弱

10、点。电刷的存在带来了一系列的问题，如：存在机械摩擦、噪声、电火花无线电干扰、寿命短，再加上它制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围。自7O年代以来，国内外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术(简称KZD调速系统)。尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZD系统的应用量还是占有相当的比重 。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。以计算机作为工具的计算和仿真技术能为各种不同的控制系统提供一种方

11、便，灵活多变的“活的数学模型”，在这个“活的数学模型”上进行实验研究，不仅省钱，而且安全，周期短、见效快.鉴于上述优点，我们需要开发和研究既能够进行直流双闭环的系统设计，又能将设计结果进行系统仿真的软件，以方便工程设计和理论学习。1.2 直流双闭环系统介绍直流电机双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例

12、如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流得冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中,我们希望在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转

13、矩）首相的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值得恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不在*电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用不同的阶段。在设计过程中，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，需要设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即把转速调节

14、器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速环在外面，叫外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。13 国内外研究现状与趋势现阶段，感应电动机和有换向器的电动机在传动应用中占主导地位，但是无刷直流电机正受普遍的关注。20世纪90年代以来，随着人们的生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、数控车床、工业机器人以及精密机械、办公自动化设备都越来越趋于高效、小型及智能化，作为执行元件重要组成部分的控制用电动机必须具有精度高、速度高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。尤其在节能已成为时代主题的今天

15、，无刷直流电机高效率的特点显示了其巨大的应用价值。无刷直流电机转子采用了永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常数，因而特别适用于恒转矩运行。对于恒功率运行，无刷直流电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制但是通过控制方法的改进也是可以获得弱磁控制的效果。无刷直流电机转子的转动惯量小，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动，如数控机床、等的应用中，无刷直流电动机比异步电动机和直流电动机显示了更多的优越性。据统计，现在PC机中80%以上的CD-ROM驱动器和硬盘控制器才用无刷直流电机也有一席之地。现在无刷直流电机的应用范围遍及国民经济的各个领域，并且日趋广泛，特别是在仪器仪表、自动化装置、计算及

16、外设、机器人、家电、电动汽车、航空航天等领域已得到大量的应用。目前，在美英日德等几个主要的微特电机生产国，直流无刷电机产量年平均增长率保持在102%，世界总产量约为30亿台左右。14 本论文主要工作本文分析了直流调速系统的工作原理和硬件电路设计，以及双闭环系统调节器的设计和基于控制系统的建模和仿真研究。基于MATLAB/Simulink环境下建立独立功能模块，再进行功能模块的有机结合，搭建无刷直流电机调速系统的仿真模型，系统采用双闭环控制速度外环采用参数自整定模糊PID控制，电流内环采用电流滞环控制。仿真结果证明了该方法的有效性，同时验证了参数自整定模糊PID控制优于传统PID控制，前者具有响

17、应速度更快、超调更小、稳定性和跟踪性能更好的特点。第二章 直流调速控制系统的原理本文研制的直流调速装置采用双闭环数字Pl调速控制，以单片机AT89C51作为主控制器，晶闸管触发和转速测量等环节都实现全数字化的微机控制。系统结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运行时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地实现设计的要求。21 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，控制系统配以双闭环PI控制M，实现对直流电机的调速控制。系统通过键盘对转速进行给定，同时将转速给定变换成电压信号。通过数字测速系统对电动机的转速

18、进行检测并转换成电压信号，把转速给定信号和转速反馈信号作为转速环ASR的两个输入信号，经过数字PI调节控制得到电流环ACR的给定信号，再与电流检测信号一起作为电流环的输入信号。将最后得到的控制电压信号作为晶闸管的移相触发控制信号，换算成晶闸管的控制角口，再根据控制角口的不同换算出对应得触发时刻，向对应导通的两个晶闸管同时输出触发脉冲，使其输出可控的整流电压。通过上下两行4位数码管进行转速检测与转速给定实时比较，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。系统原理图如图21所示。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

19、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：22 双闭环调速系统的构成转速、电流双闭环调速系统(简称双闭环调速系统)是由单闭环调速系统发展而来的。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以实现转速调节的无静差，且采用电流截止负反馈作限流保护可以限制启(制)动时的最大电流。但是单闭环调速系统存在以下问题需要解决。图2.1 数字控制的双闭环直流调速系统原理图(l)在单闭环调速系统中用1个调节器综合多种信号，各参数问相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统地动态性能不够好。(2

20、)系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应；即最佳过渡过程。为了获得近似理想的过渡过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流。构成转速、电流双闭环调速系统。221 转速、电流双闭环调速系统的组成在转速、电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，其关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与A

21、CR之间实现串级联接，即以ASR的输出电压Ui*作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。222调节器输出限幅值的整定在双闭环系统中转速调节器ASR的输出电压Ui*是电流调节器ACR的给定信号，其限幅值Uim为最大电流给定值，因此，ASR的限幅值完全取决于电动机所允许的过载能力和系统对最大加速度的需要。而ACR的输出电压限幅值Ucm，表示对最小口角的限制，也表示对晶闸管整

22、流输出电压的限制。调节器输出限幅值的计算与整定是系统设计和调试工作中很重要的一环。在具体分析一个系统时必须注意调节器输出限幅值所代表的具体物理意义及其计算和整定方法。23 双闭环调速系统的动态特性一般来说调速系统的动态性能主要指系统对给定输入(阶跃给定)的跟踪性能和系统对扰动输入(阶跃扰动)的抗绕性能而言。两者综合在一起就能完整地表征一个调速系统的动态性能或称动态品质。231 双闭环调速系统突加给定时的启动过程设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的启动过程，因此有必要首先讨论双闭环调速系统突加给定时的启动过程。当双闭环调速系统突加给定电压Un*由静止状态开始启动时，转速和电流随时间

23、变化的波形如图22所示。由于在启动过程中，转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，因此整个启动过程分为三个阶段，在图中分别标以、。图2.2 双闭环转速系统启动时的转速和电流波形(l)第阶段(Ot1)：强迫电流上升阶段；(2)第阶段(t1t2)：恒流升速阶段，即电动机保持最大电流作等加速启动阶段；(3)第阶段(t2t4)：转速超调进入稳定的阶段，即转速调节阶段；232 双闭环调速系统的制动停车过程由于晶闸管的单向导电性。因此不可逆双闭环调速系统不可能实现回馈制动。在制动时，当电流下降到零以后，就只好自由停车。若须加快制动；则只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸的方式。233 双闭环调速系统

24、的抗扰性能负载扰动和电网电压扰动是双闭环调速系统中的两个主扰动，只要系统能有效地抑制它们所引起的动态转速降(升)和恢复时间，就说明系统具有较强的动态抗扰性能。（l）抗负载扰动。负载扰动作用在电流环，转速环内，只能靠转速调节器产生抗扰作用。因此，在突加(减)负载时，必然会引起动态速降(升)。为了减少动态速降(升)，在设计ASR时，必须要求系统具有较好的抗扰性能。而对ACR的设计来说，则只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。（2）抗电网电压扰动从静特性上看，单、双闭环系统对电网电压扰动的抗扰效果是一样的i但是从动态性能上看，r却有较大差别。在单闭环调速系统中，作用点离被调量n较远的电网电压波动引起

25、的扰动作用，先要经过电磁惯性滞后才能影响到电枢电流，再经过机电惯性滞后才能反映出转速变化，等到转速反馈产生调节作用，时间已晚。在双闭环调速系统中，电网电压扰动被包围在电流环内，它的影响不必等到波及到转速就能被电流环所抑制。因此，在双闭环调速系统中，电网电压波动引起的动态降(升)要比单闭环系统小得多。234 两个调节器的作用转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用可以归纳如下：（1）转速调节器的作用使转速n跟随给定电压U*m变化，稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。(2)电流调节器的作用对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流；在转速调节过程

26、中，使电流跟随其给定电压U*i变化；当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。第三章 系统的硬件设计3.1 直流调速系统的方案选择3.1.1 直流电动机的选择本次设计选用的电动机型号Z2-31型，额定功率4.2KW，额定电压230V，额定电流18.25A,额定转速1450r/min，, ,P级对数为为1。3.1.2 电动机供电方案的选择单相整流电路虽元件小，线路简单，维修方便对触发电路要求也低，但它职能用于小功率的电路，而且电压波动大，易能使电网不平衡，按规定，4KW以下的可用单相，而4KW以上的要用三相整流电路。虽然三相半波也

27、是元件少，易调整等优点，但其致命弱点是电压脉动系数大，变压器利用率低。故采用三相桥式。 半控桥使用可控硅少，触发电路也简单但其有自然续流和可能出现“失控”现象。因此系统的要求精度选择全控桥。由上可知，选择三相全控整流方式。电动机额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相减压变电器将电源电压降低，为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波对电源干扰主变压器采用D/Y联结。 因调速精度要求高，为获得良好的静、动态性能，故选用转速电流双闭环调速系统，且两个调节器采用PI调节器，电流反馈进行限流保护，出现故障电流时由过流继电器切断这电路电源。为使线路简单、工作可靠、装置体积小，宜选用KJ004及KJ

28、041组成的六脉冲集成触发电路。该系统采用减压调速方案，故励磁应该保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入，为保证先加励磁后加电枢电压，主接触器主触点应该在励磁绕组通电后方可闭合，同时设有弱励磁保护环节。3.1.3 系统的结构选择若采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电

29、流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现

30、在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。所以选用转速电流双闭环系统结构。32 系统硬件结构的总体设计直流调速系统的硬件结构主要包括智能控制芯片AT89C51，再配必转速给定、转速显示、转速检测、电流检测、触发电路、过零检测电路和整流电路等部分。通过键盘对转速进行给定，通过两行4位数码管对转速给定和转速检测进行显示；转速检测电路主要是采用光电编码器和定时/计数芯片8253进行检测；电流检测电路主要考虑到检测精度的问题，采用A/D574作为检测芯片，将直流端的电流变换为

31、电压信号检测进来；触发电路主要是对六路晶闸管进行移相触发，采用8155芯片和脉冲放大电路作为六路脉冲的产生；整流电路由三相全控整流电路、三相电源变压器：小型直流电机等构成。硬件结构框图如图31所示AT89C513738155PA触发脉冲接口脉冲功放至各晶闸管门极8253 0 1 2CLK数字测速电路过零检测电路键盘/显示电路（8279）A/D574 主变压器同步变压器三相电源编码器图31系统硬件结构框图33 系统主要芯片介绍 AT89C5l单片机，用作系统的监控，读取采样数据，进行PI运算，输出控制量。8279可编程键盘、显示接口芯片，用于转速设定和电机控制命令的输入以及电机运行中转速的显示。

32、8253可编程定时，计数芯片，具有3个16位的定时/计数器，用于测速和脉冲触发移相。8155可编程I/O接口扩展芯片，用于输出三相全控整流电路中六路触发脉冲信号。A/D57412位A/D转换芯片，将电枢电流 Id转化为数字量的电压信号。34 系统硬件电路组成341 AT89C51单片机的性能及特点 AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程擦除只读存储器(EPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的8位CMOS微控制器，使用高密度，非易失存储技术制造。芯片上的EPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程

33、器对程序存储器重复编程。AT89C51(以下简称89C51将具有多种功能的8位CPU与EPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案。89C51的主要性能包括：(l)片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器(FlashMemory)；(2)存储器可循环写入/擦除1000次；(3)存储数据保存时间为10年；(4)宽工作电压范围：Vcc可为276V；(5)全静态工作：可从0MHz至16MHz；(6)程序存储器具有3级加密保护；(7)128x8位内部RAM；(8)32条可编程I/O线；(9)两个16位定时器，计数器；(10)中断结构具有5个中断源和2个优先级；(

34、11)可编程全双工串行通道：(12)空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。3411 AT89C5l硬件结构及引脚AT89C51的内部硬件结构如图32所示。图32 AT89C51的内部硬件结构图其引脚配置如图33所示。图33 AT89C51引脚图342 键盘显示电路设计8279是Intel公司生产的可编程键盘显示IO专用芯片，8279能够以较简单的硬件电路和较少的硬件开销实现单片机与键盘和显示器接口。利用8279可实现对键盘显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合的键号，不仅可大大节省CPU对键盘显示器的操作时间，而且显示稳定，程序简单很少出现误动作。因此，本设计键盘和显示部分选用8279芯片本设

35、计包括8个按键和S位数码显示，通过键盘和数码管的结合使实现调速系统的所有操作。键盘显示电路主要通过键盘进行转速的设定，通过上行数码管显示；转速反馈值通过下行数码管显示。键盘显示电路如下图34所示。图34 键盘显示电路根据8279芯片的工作方式，键盘为独立式按键；设定为选通输入方式。要求CNTLSTB端应该与按键通过一个8路与非门连接，那样当有按键按下时，信号的上升沿可将RL0RL7的数据存入FIFO RAM中，此时SHIFT无效。电路不需要上拉电阻，因为8279芯片RL0RL7内部本身就是高电平。显示电路选择编码扫描方式，那样SL0SL2经3-8译码器74HCl38后，可以直接驱动数码管。显示

36、电路经过调试，不需要加任何驱动，数码管就已经达到了显示的要求。出于参数设置简便方面的考虑，本文中设计8个按键分别是启动键、停止键、改参键、确定键、左右移动键和上下增减键。 直流调速控制系统的启动与停车通过按启动键和停止键实现。通过按动改参键进入参数的调节系统，这时可以对第一位数码管进行设置；通过左右移动键改变预置数码管的位置；通过上下增减键改变数码管显示的参数，范围是(O9)。通过按确定键完成本次参数的调节动作，同时将设定转速转换成给定的电压信号。在改参的过程中，直流调速系统仍然以上一次设定的转速进行转速调节控制，直到确定键按下，调速系统才以新的设定转速进行调节控制。8位LED数码管，分两行布

37、置，上面一行显示转速设定值，下面一行显示转速反馈值，显示值均用BCD码表示看起来更直观。由于8279接口芯片在初始化后就能自动实现对传感器阵列进行扫描和刷新显示，所以89C51单片机既能及时地对调速系统状态和转速值进行处理，又不会因为这些功能而加重单片机CPU的负担。为了节省中断源和充分利用执行同步脉冲中断服务程序执行的间隙时问，所以89C51单片机可改用查询方式读取8279传感器的状态信息。节省下来的INTl中断源用作后面介绍的转速检测电路中读计数值中断。 343 数字测速硬件电路设计数字测速电路主要是在单位时间内对转速脉冲个数进行计数，从而得到直流电机当前转速，作为转速反馈信号本文中将光电

38、编码器与电机轴用软性联轴器连接，光电编码器就产生与电机转速对应的转速脉冲。光电编码器选择ZSF6.215型号，工作电压5V，每转输出脉冲数为1000个。方波脉冲信号幅值电压为4V左右，可以直接输入到单片机中进行计数。本设计通过可编程定时/计数芯片8253的0号和1号计数器进行转速检测。0号计数器检测转速脉冲的个数；1号计数器定时采样时间。可编程计数/定时器8253有两个基本的功能，即定时和计数。除此之外还可以作为频率发生器，分频器、实时钟、单脉冲发生器等。这些功能是通过对8253编程，写入控制字来实现的，本文采用的是计数器0和计数器l联合进行转速检测，具体电路原理图如图35所示。图3.5 转速

39、检测电路原理图用计数器l定时采样时间，晶振频率为2MHz，那样根据存入数值的不同采样时间也随之变化。这里设定采样时间为lms，那样存入计数累加器中的十进制数就为2000。定时时间到后，申请中断。采用方式2进行计数，主要有三个原因；一是因为方式2门控信号GATE高、低决定了计数器的启、停；二是当GATE端出现上升沿信号或是重新启动时，计数初值会自动重新装入累加器中，使软件程序更加简单；三是当启动计数器后，输出OUT变为高电平，计数执行单元执行减l操作，减到0时，输出端OUT变为低电平，产生中断请求，进入中断程序中读取计数器0中的数值，进行转速的累加和计数。用计数器0对转速脉冲个数进行检测，采用方

40、式0，那样当GATE端出现上升沿信号或是重新启动时，计数初值能自动重新装入计数累加器中；门控信号GATE也决定了计数器的启、停。由于累加器是减一操作，所以计数初值存入最大值00H。根据转速脉冲的发生频率，计数器的工作频率远远高于转速频率，不会出现在检测过程中漏检的现象；在单位采样时间内转速脉冲也不会超过这个存入的最大值。因此，此转速检测系统的设计是合理、可行的。344 电流检测电路设计为了尽量满足系统精度的要求，电流检测尽可能选择更多位数的A/D转换器。现选择应用较广的AD574芯片作为电流检测。AD574是美国AD(Analog Devices)公司研制的12位逐次逼近型ADC，适合在高精度

41、快速采样系统中使用。它内部集成有转换时钟、参考电压源和三态输出锁存器，使用方便，可与微机直接接口，无需外按时钟；转换时间为1535输入模拟电压既可以是单极性也可以是双极性。单极性输入时为0+10V或0+20V，双极性输入时为-5V+5V或-10V+10V；数字量位数可以设为8位或者12位。A/D转换的时间是有限的，AD574的转换时间是15一35。如取35，就要求被转换的信号在至少35内保持电平不变，1否则转换结果就不准确，在该电路中，即使转换时间是35也能满足要求。图3.6 AT89C51和AD574的电路连接图345 触发脉冲输出电路设计触发脉冲输出电路主要是通过8155芯片的PA口输出对

42、应的六路脉冲信号，脉冲宽度由软件定时控制。触发脉冲经过信号隔离、放大电路触发整流电路中晶闸管的对应导通，产生可控的直流电源，实现调压调速的目的。345 . 1 触发电路触发脉冲采用的方式与双窄脉冲方式相似，也是在每个晶闸管导通时，同时给上一个晶闸管补发一个触发脉冲。唯一不同的是每个触发脉冲的宽度不再是180而是60由8155的PA口产生的六路脉冲时间间隔60，每个导通120，那样就会产生60的重叠角。Tl、T3、T5晶闸管在正相电压中各占120导通角，同理T6、T2、T4在负相电压中也占120导通角。触发脉冲如图37所示图37 触发脉冲次序图触发脉冲要想触发晶闸管的导通，还必须经过脉冲的隔离和

43、放大，因为脉冲的发生端是工作电压为5V的单片机系统，而触发端是连接在三相交流电中的高压。只有经过脉冲变压器的隔离，这样系统才会更加可靠、安全、稳定。脉冲发生电路如图38所示。图38 脉冲发生电路3452 信号的隔离设计信号的隔离目的之一是电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰 、通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。一般工业应用的微机测控系统既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分。为了使两者之间即保持控制信号联系，又要隔绝电气方面的联系，即实行弱电和强电隔离，是保证系统工作稳定，设备与操作人员安全的重要措施。测控装置

44、与现场信号之间，弱电和强电之间，常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离等。另外，在布线上也应该注意隔离。这里选择脉冲变压器作为隔离器件主要有两个原因：第一，脉冲变压器相对光耦隔离效果更好，响应速度更快；第二，是因为在三相全控整流桥中，六路晶闸管中有些晶闸管的阴极相连，有些是晶闸管的阳极相连。所以，如果要使用光耦进行隔离驱动就需要每个光耦之间没有任何联系，也就是要需要至少4个独立的电源给其供电，那样在任何一个控制系统中都很难做到。如果整流电路是三相半控的，就可以采用光耦进行隔离了。所以最后决定用脉冲变压器替代光耦隔离。脉冲变压器可实现数字信号的隔离，因为脉冲变压器的匝数较少，而且一次和

45、二次绕组分别缠绕在铁氧体磁芯的两侧，分别电容仅几PF，所以可作为脉冲信号的隔离器件。脉冲变压器隔离法传递脉冲输入/输出信号时，不能传递直流分量。微机使用的数字量信号输入/输出的控制设备不要求传递直流分量，所以脉冲变压器隔离法在微机测控系统中得到广泛应用。346 过零检测电路设计过零检测在直流调速控制系统中是最为重要的。过零检测是否准确直接决定了控制系统的好坏。如果过零检测不准确，就会使触发脉冲产生错乱，导致晶闸管的误导通，严重时会导致整个控制系统失灵，甚至会烧毁电路中的元器件。3461 过零检测的意义在直流调速系统中，尤其是采用可控整流器作为改变直流电源电压的方法时，过零检测就是其必不可少的部

46、分控制可控整流器来改变直流端的电枢电压，主要是控制晶闸管的导通，什么时候开始触发晶闸管导通，直接影响整流电压的大小根据之前所述，晶闸管的导通角越小，整流电压就越大。晶闸管不同于二极管，主要是因为它的可控性。当二极管两端承受正向电压时，二极管就发生导通：而晶闸管的导通条件不仅两端要有正向电压，而且触发极要有能使晶闸管导通的触发信号，只有两者同时具备，晶闸管才会导通。根据其这一特性，它在工业生产中，得到了广泛的应用，也使电力电子技术发展的更加成熟、更加完善。从晶闸管承受正向电压的时刻算起到晶闸管导通时刻的电镀角。用表示，称作控制角。为使整流电压Ud在每个周期的波形相同，每个周期的角也必须相同，且必

47、须出现在电源电压u2的正半波范围内，这就要触发脉冲电压Ug和电压U2在频率和相位上必须密切配合，这种相互协调配合的关系称为主电路和触发信号的同步。晶闸管每周期导通的电角度以表示，称作晶闸管的导通角或导电角，导电角0的大小随角大小的改变而变化。在上面电路中，改变控制角的大小，就能改变晶闸管在U2正半波的导通时间，也就达到了改变负载电压Ud波形和平均电压Ud大小的目的，这就是直流调压。对于不同的可控整流电路和不同性质的负载；控制角有不同的限制范围，控制角的改变称作移相。角增大，整流平均电压Ud减小，=0时，整流电压最大Ud=Udm。当Ud从最大下降到零时，所对应的控制角的变化范围，称作该电路的移相

48、范围。不同的可控整流电路不同的负载有不同的移相范围，该电路的移相范围是0180。346 . 2 过零检测电路在本调速装置中。对于控制角的定时与上述理论相一致，不同的是在检测到过零点后，定时时间不光是自然换相角30所对应的时间，还包括的控制角所对应的时间。两者一起定时，无论从硬件上还是软件上都简便了很多。等到整个定时时间结束后，发出触发脉冲，进行整流控制。具体电路图如39所示。图39过零检测电路在过零检测电路中，采用了光电耦合器作为检测元件，主要考虑的就是光电耦合器体积小，价格低，占用空间小等优点。光电耦合器的种类很多，但工作的基本原理相同。它由发光二极管和光敏三极管组成。当发光二极管通以一定的

49、电流时，它会发光。该光照射到光敏三极管的基极上就使它的发射极C和集电极E导通：当发光二极管没有电流流过时，没有光照射到光敏三极管的基极，C、E极截止。在图中当A相电压从负电压变为正电压时，发光二极管两端产生电位差，有电流流过发光二极管，发光照射到光敏三极管的基极，光敏三极管导通，那样就有电流流过电阻R2，8253芯片的GATE2端就会产生一个上升沿的电压信号，启动8253定时器2进行定时。347 整流电路中晶闸管保护设计整流电路如图39所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过

50、电流就会造成元件的损坏为了使晶闸管装置能可靠长期运行，除了合理的选择元件外，还必须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。分析一下晶闸管的特性就会知道它需要四种保护，它们是过电压保护和限制，过电流保护和限制。图3.10过电压保护电路3471 过电压保护和限制凡是超过晶闸管正常工作时承受的最大峰值电压的都算过压。产生过压的原因是由于电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。这里重点介绍元件保护：元件保护主要是通过阻容吸收电路，具体接线如图39所示。阻容吸收电路的参数计算是根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场

51、的能量存起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效地抑制尖峰过电压。串联电阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。经过计算，图中RC参数的选定是经过计算得出，经实验符合要求。3472 过电流保护和限制由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升而可能把PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管承受过电流能力很差，例如一个100A的晶闸管当过电流为400A时，仅允许持续0.02s，否则将因过热

52、而损坏。由此可知，晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护的作用就在于当发生过电流时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。图3.11过电流保护电路晶闸管过电流的保护措施有下列几种：（l）快速熔断器。普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数之下，它可以在品闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。（2）硒堆保护。硒堆(硒整流片)是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以

53、通过较大的电流，把过电压能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用， 也可以和阻容元件并联使用。在本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护保护。第四章 控制电路的设计与计算4.1电流截止反馈环节的选择电流检测电路主要考虑到检测精度的问题，采用A/D574作为检测芯片，将直流端的电流变换为电压信号检测进来。4.2调速静态精度的计算（1）电动机和测速发电机电动势常数计算电动机电动势常数测速发电机电动势常数 （4-1）（2）整流装置的内阻Ri查资料得：K取1.2，则 （4-2）（3）要求调速系统的静态速降 （4-3）（4）求闭环系统的开环放大倍数K （4-4）（5）触发器与整流装置的放

54、大倍数的估算 在触发器选用电源情况下，锯齿波同步电压最大值应小于15V，这里仍按最大移相控制电压为15V计算，则有 （4-5）（6）计算转速反馈系数由于Ugd取15V,Ufn约12V左右，而Etg=20V,故tg=0.6。 （4-6）（7）计算放大器的放大倍数 （4-7）因Kp较大，故选用放大倍数可调的放大器，采用F007运算放大器，如图4.1所示。图4.1 F007运算放大器4.3给定环节的选择由于放大器输入电压和输出电压极性相反，而触发器的移相控制电压Uc又为正电压，故给定电压Ugd就得取负电压，而一切反馈均取正电压，可参看图中电压极性。为此给定电压与触发器共用一个15V电源，用一个2.2

55、、1w电位器引出给定电压。4.4控制电路的直流电源选择这里选用CM7815和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源。4.5继电器-接触器控制电路的设计为使电路工作更可靠，总电源由自动开关引入，由于变压器一次电流I1=4.9A,故选DZ5-50型三极自动断路器，脱扣器的额定电流为30A的三极自动断路器即可满足要求。用交流接触器控制主电路通断，由于I2=14.9A,故选CJ10-60、线圈电压为220V的交流接触器。可选用吸引线圈电流为60A的JL14-11ZS型直流过电流继电器作为过电流保护，吸引电流可在7/10至3倍范围内调节。 在励磁回路中，串联吸引线圈电流为2.5 A的JL14-11Z

56、Q直流欠电流继电器，吸引电流可在3/10至65/100范围内调节，释放电流在1/10至2/10范围内调节。第五章 双闭环直流调速系统的动态设计5.1电流调节器的设计1.确定时间常数 1)整流装置滞后时间常数Ts. 三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。2)时间滤波时间常数Toi。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms0.02s3)电流还小时间常数之和. 按小时间常数近似处理： (5-1)2.选择电流调节器结构电动机的电动势系数 (5-2)根据上面选择，整流变压器的二次电压为=120V，则电枢回路总电感量为 (5

57、-3)取L=0.046H。计算系统中各环节的时间常数：电磁时间常数 (5-4)机电时间常数 (5-5)电流反馈系数 (5-6)根据设计要求i5%，并保证稳态电流无差，可按典型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，其传递函数是 (5-7)检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：要求时，按表2-2，应取，因此 （5-8）于是，ACR的比例系数是 （5-9）4效验近似条件 电流环截止频率： （5-10）晶闸管整流装置传递函数的近似条件： （5-11）满足近似条件。忽

58、略反电动势变化对电流环动态影响的条件： （5-12）满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件： （5-13）满足近似条件。5计算调节器电阻和电容 图5.1电流调节器的原理图由电流调节器的原理图如图5.1所示，按所有运算发大器取，各电阻和电容值为 （5-14） （5-15）按照上面参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%5%,满足设计要求。5.2转速调节器的设计1确定时间常数电流环等效时间常数，已取，则 （5-16）转速滤波时间常数。 根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s。转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 （5-17）2选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，

59、其传递函数。3计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 （5-18）由式可求得转速环开环增益 （5-19）于是得ASR的比例系数为 （5-20）4检验近似条件转速环截止频率为 （5-21）电流环传递函数简化条件为 （5-22）满足简化条件。转速环小时间常数近似处理条件为 （5-23）满足近似条件。5计算调节器电阻和电容根据图5.2，取=40，则 （5-24） （5-25） （5-26）图5.2 调速器原理图6校核转速超调量当h=5时，查表5-1得，=37.5%，不能满足设计要求。实际上，由于表5-1是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。表5-1典型型系统阶跃输入跟随性能指标h34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%2.402.652.853.03.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111第六章 系统SIMULINK仿真分析Simulink是MATLAB的一个重要的分支产品，是一个结合了框图界面和交互仿真能力的系统设计和仿真软件。它以MATLAB的核心数学、图形和语言为基础，可以让用户毫不费力地完成从算法开发、仿真或者模型验