数字双闭环直流调速系统设计

1、数字双闭环直流调速系统设计组员：马智峰、李允、程暘、谢宾鸿数字双闭环直流调速系统优点以控制系统的传递函数为基础，对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导，并使用 Matlab/Simulink软件对直流调速系统进行了仿真研究。然后在简要的介绍了模糊控制与遗传算法控制的基础上，针对传统的PID控制，提出了模糊PID控制与遗传算法PID控制，并分别给出了具体的实现步骤。在模糊PID控制中，不需要建立精确的数学模型，它是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定性的表达，构成被控对象的模糊模型。控制效果优于传统PID控制器,这种混合系统把PID控制的简便性与Fuzzy

2、控制的灵活性以及普棒性融为一体,发挥了传统控制与Fuzzy控制的各自长处，具有较强的实际意义。遗传算法是全局优化算法，该方法是一种不需要任何初始信息并可以寻求全局最优解的、高效的优化组合方法，遗传算法在不需要给出调节器初始参数的情况下，仍能寻找到合适的参数，使控制目标满足要求，它具有操作方便、速度快的优点，不需要复杂的规则，只通过字串进行简单的复制、交叉、变异，便可达到寻优。该方法比一般PID参数整定方法具有更好的控制性能指标。设计思路 数字双闭环直流调速系统是在经典控制理论的基础上设计完成的。本系统以带有AD转换器的8051系列单片机为控制器芯片，对电机进行电流、转速双闭环PWM可逆直流调速

3、系统设计。利用单片机为核心的数字控制系统使其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影响。而且其稳定性好，可靠性高，提高了控制性能。在软件方面，文章中介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现数字双闭环直流调速系统总体设计目前，需要高性能可控调速系统的领域多数都采用直流调速系统。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。单闭环调速系统可以实现转速调节无静差，但单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，而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，则可以获得近似理想的

4、过渡过程。对于直流调速系统, 要获得优良的性能指标, 须对电动机的两个基本状态变量, 即电枢电流和转速进行检测, 并实行有效控制. 电流和转速两个状态变量的检测, 是实现系统闭环控制的必要条件。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图1-1所示。把转速调节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电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。由图1-2双闭环直流调速系统电路原理图可看出，两

5、个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。 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，而且更改起来灵活方便。数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种：1. 数模混合控制系统 2. 数字电路控制系统 3. 计算机控制系统数字双闭环直流调速系统硬件设计主电路设计 ：中小功率的可逆直流调速系统多采用桥式可逆P

6、WM变换器，图4-1为调速系统的主电路的原理图，图中的左半部分是由6个二极管组成的整流器，采用不可控整流，把电网提供的交流电整流成直流电；中间部分是大电容滤波；右半部分是桥式PWM变换器。硬件电路结构图 微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构如图2-2所示，系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路和显示电路组成。 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变换器的到可调的直流电压，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，其中电压、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。微机控制还具备故障检测功能，对电压、电流、温度等

7、信号进行实时监测和分析比较，若发生故障立即采取措施，避免故障进一步扩大，并同时报警，以便人工处理。数字控制器是系统的核心，一般选用专为电机控制设计的单片微机，配以显示、键盘等外围电路，通过通信接口与上位机或其他外设交换数据。这中微机芯片本身都带有A/D转换器、通用I/O和通信接口，还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能，可大大简化数字控制系统的硬件电路。计算机控制单元 三相过零检测电路： 为了达到与电源电压同步的目的，除了可以使用锁相同步电路外，还可以实时检测电源电压的过零点和频率，根据过零点和频率就可以跟踪输入的电源电压的相位，实现同步输入。PWM信号发生电路设计： 钟电路是用来产生AT89C51单片机工作时所必须的时钟信号，AT89C51本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，AT89C51在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作 ，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。数字双闭环直流调速系统软件设计 系统软件程序设计： 数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。单片机数字控制双闭环直流调速系统的软件有主程序、初始化子程序、中断服务子程序等。 主程序流程图如图所示。在主程序中，主要完成对各个可编程芯片进行初始化和键