双闭环可逆直流脉宽调速系统设计

1、课 程 设 计 用 纸教师批阅双闭环可逆直流脉宽调速系计摘要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，因此本次设计基于单片机89S51芯片建立了双闭环可逆直流脉宽调速系统的数学模型,设计了一套实验用双闭环可逆直流脉宽调速系统，并详细分析系统的原理及其静态和动态性能，且利用Simulink对系统进行各种参数给定下的仿真。关键词：直流电机、单片机89S51、双闭环可逆、PWM调速、仿真目录第一章 设计的内容和要求 11.1 设计的目的及意义 11.2 设计的任务和要求 1第二章 方案设计 2第三章 理论分析 33.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成 33.2 转速、电流双

2、闭环直流调速系统的数学模型 43.3 电流环的设计 43.4 转速环的设计 7第四章 系统硬件电路设计 94.1 主电路设计 94.2 控制电路设计 94.3 驱动电路设计104.4 系统反馈检测电路设计114.5 光电隔离电路设计134.6 系统硬件电路原理图13第五章 软件设计145.1 程序流程图145.2 程序清单15第六章 调试与仿真16第七章 总结18附录 19附录I系统硬件电路原理图19附录II 程序清单20参考文献 24- 3 - -课 程 设 计 用 纸教师批阅第一章 设计的内容和要求1.1 设计的目的及意义通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系

3、统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。本次设计的目的：（1）训练学生正确地应用运动控制系统，培养解决工业控制、工业检测等领域具体问题的能力（2）学生通过课程设计，熟悉运动控制系统应用系统开发、研制的过程，软、硬件设计的工作方法、工作内容、工作步骤（3）对学生进行基本技能训练，例如组成系统、编程、调试、绘图等，使学生理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问

4、题的能力1.2 设计的任务和要求1）设计的任务及步骤：分析并测定系统各环节的输入输出特性及其参数，调试各单元电路；根据测定参数计算速度调节器和电流调节器的参数；系统开环调试并测定其开环机械特性；系统闭环调试并测试系统闭环静态、动态性能；2）内容要求：（1）画出控制电路和主电路原理图（2）画出程序流程图（3）写课程设计论文，附有原理图、流程图、程序清单，内容要正确，概念要清楚，文字要通顺。第二章 方案设计方案I：改变电枢回路电阻R在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。方

5、案II：改变电动机主磁通改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。方案III：调节电枢供电电压U改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是

6、和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。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式为最好。因此，改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。故本次设计采用方案III。- 24 - -课 程 设 计 用 纸教师批阅第三章 理论分析3.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成对于经常正、反转运行的调速系统，应尽量缩短短启、制动过程的时间，达到理想的过渡过程，完成时间最优控制。即在过渡过程中始终保持转矩为允许的最大值，使直流电动机以最大的加速度加、减速。到达给定转速时，立

7、即让电磁转矩与负载转矩相平衡，从而转入稳态运行。对于恒磁通的他励直流电动机而言，转矩控制就成为了电流控制。转速负反馈控制系统，系统的被调节量时转速，所检测的误差是转速，它要消除的也是扰动对转速的影响，不能控制电流（或转矩）的动态。而电流截止负反馈环节只能限制电动机的动态电流不超过某一数值，而不能控制电流保持为某一所需值。根据反馈控制原理，以某物理量作负反馈控制，就能实现对该物理量的无差控制。用一个调节器难以兼顾对转速的控制和对电流的控制。如果在系统中另设一个电流调节器，就可构成电流闭环。电流调节器串联在转速调节器之后，形成以电流反馈作为内环、转速反馈作为外环的双闭环调速系统。转速、电流双闭环直

8、流调速系统框图如图3.1所示图3.1转速、电流双闭环直流调速系统框图图中ASR-转速调节器、ACR-电流调节器、TG-测速发电机、TA-电流互感器、UPE-电力电子变换器、-转速给定电压、-转速反馈电压、-电流给定电压、-电流反馈电压3.2 转速、电流双闭环调速系统的数学模型用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的原则是先内环后外环。先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似；然后根据电流环控制要求确定把电流环校正为哪类典型系统；按照控制对象确定电流调节器的类型及参数；再根据电流调节器的参数计算电流调节器的电路参数；当用微机实现数字控制时，按照此参数设计数字调节器。电流环设计完后，

9、把电流环等效成一个小惯性环节，作为转速环（外环）的一个组成部分，再用同样的方法设计转速环。图3.2是双闭环调速系统的动态结构框图，图中虚线所框的是电流环部分，它的反馈信号是电流检测信号，由于电流检测信号中常含有交流分量和检测干扰信号，为了不使它影响到系统的性能，必须加低通滤波环节，这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数T按需要选定。但滤波器也会给反馈信号带来延迟，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个相同的惯性环节，称作给定滤波环节。因此，需要在电流环的给定与反馈通道上加时间常数为的滤波环节，同样在转速环的给定与反馈通道上加时间常数为的滤波环节。图3.2 双闭环调

10、速系统的动态结构框图3.3 电流环的设计1. 系统基本参数设定： 电动机：,；电动势系数：；允许过载倍数：； 电枢回路总电阻：；触发整流环节放大倍数：；电磁时间常数：；机电时间常数：；电流反馈系数：（）；转速反馈系数：（）。2. 确定时间常数1）整流装置滞后时间间常数：三相桥式电路的平均失控时；2）电流滤波时间常数：三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了 基本平波头，应有（12）=3.3ms，因此取；3）电流环小时间常数之和：按小时间常数近似处理，取 。3.选择电流调节器结构根据设计要求，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型电流调节

11、器，其传递函数为： 检查对电源电压的抗扰性能： ，各项指标都能接受，因此设计成典型I型系统。4. 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：；电流开环增益：因要求，故取，因此；于是ACR的比例系数为：5. 校验近似条件电流环截止频率： ；1）晶闸管装置传递函数的近似条件：，由于 ，所以满足近似条件；2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的近似条件： 由于 ，满足近似条件；3）电流环小时间常数近似处理条件：，由于 ，满足近似条件。 综上所述，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。6. 计算调节器电阻和电容图3.3为含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器原理图：图3.3 含给定滤波和反馈滤波的PI型

12、电流调节器按所用运算放大器取 ，各电阻和电容值计算如下： 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 ，满足设计要求。3.4 转速环的设计1. 确定时间常数1）电流环等效时间常数1/：已取，则2）转速滤波时间常数：根据所用测速发电机波纹情况，取3）转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取 2. 选择转速调节器结构 按照设计要求ASR选用PI调节器，其传递函数为：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，则ASR的超前时间常数为： 转速环开环增益： 于是ASR的比例系数为：4. 检验近似条件1）转速截止频率为： ；2）电流环传递函数简化条件： ，由于 ，满足简化条件；3

13、）转速环小时间常数近似处理条件： ，由于，满足近似条件。5. 计算转速调节器电阻和电容转速调节器原理如图3.4所示 图3.4 含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器在上图中，取，则 6. 校核转速超调量当h=5时，而，设理想空载启动时 Z=0 ,则故满足设计要求。第四章 系统硬件设计4.1 主电路设计直流PWM变换器作用的是用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调制直流电机的转速。首先整流管把交流电整流成直流电，常采用不可控整流，所以电网侧功率因数比相控整流器高。采用IGBT和POWER-MOSFET等全控型电力电子器件

14、，开关频率高，电流容易连续。所以在相控整流器-电动机系统里出现电流断续等问题不复存在，它表现出的新问题是电能的回馈问题。图4.1 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路原理图图4.1所示是桥式可逆直流脉宽调速系统主电路原理图，图中左半部分是由6个二极管组成的整流器，它把电网提供的交流电整流成直流电。直流电源采用了大电容滤波。当电动机工作在回馈制动状时，将动能变为电能回馈到直流侧，但由于二极管整流器的能量单向传递性，电能不可能通过整流装置送回交流电网，只能向滤波电容充电，这就是直流PWM变换器-电动机系统特有的电能回馈问题。4.2 控制电路设计本次设计中的控制电路采用MC51单片机来实现PWM波的输出控

15、制，基于MC51单片机89S51芯片的控制电路如图4.2所示。图中A/D转换采用ADC809芯片，串行通信的电平转换采用MAX232ACSE芯片和DB9型RS-232接口，图4.2中包含了PWM信号发生的电路连接，采用芯片74F85实现。图4.2 基于89S51的控制电路4.3 驱动电路设计该驱动电路采用了IR2110集成芯片，该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。IR2110驱动IGBT构成的H桥式驱动电路的特点显著，具有调速性能好，调速频带宽，可以工作在1100 kHz范围内工作。所要求的控制信号简单，只需要加入PWM信号即可。IR2110设计保护电路性能良好，安全性高，无控制信号时，电

16、机处于刹车状态，可用于很多工业领域。在图4.3中，IR2110的自举电容采用了另个不同大小的电容并联使用。在频率为20 kHz左右的工作状态下，可选用1.0F和0.1F电容并联。并联高频小电容可吸收高频毛刺干扰电压。电路中为了防止Q3导通时高电压串入端损坏芯片，在设计采用快恢复二极管FR107，其快速恢复时间为500ns可有效地隔断高压信号串入IR2110。由于VB高于VS电压的最大值为20 V，为了避免VB过电压，电路中增加了10V稳压二极管D5、D6控制VB端电压在10V左右防止VB过压。图4.3 H桥式驱动电路R2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的

17、逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互琐时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。4.4 系统反馈检测电路设计1. 电流反馈检测电路图4.4 含滤波的电流反馈检测电路 按照系统设计要求，要对电动机的转矩进行控制，实质是对电动机的电流进行控制，于是就设计了一个电流调节器作为内环。为了有效地调节电机电流，就有必要设计好电机电流检测器。本设计中采用电流互感器作为检测输入，并加入滤波环节消除干扰信号，电流检测电路如图4.4所示2. 速度反馈检测电路 速度调节器要想对电动机转速进行控制，就必须办法将电机转速转化为电信号，经过放大处理后与给

18、定量进行比较，将比较结构作为控制器的输入。本系统中采用测速电机，将电动机的转速转化为电压信号，同时加入滤波环节消除干扰信号，速度检测电路如图4.5所示 图4.5 含滤波的速度反馈检测电路 图4.6 限幅电路3. 系统限幅电路设计 由于本系统控制电路部分，各电力电子装置所能承受的电压有限，太大的电压或电流容易将电力电子器件损坏，并且电动机过载能力也有限，所以就要加限幅装置使控制器的输出保持在一定范围内，本系统所用限幅电路如图4.6所示图4.7触发电路4. 系统触发电路设计 本系统中触发电路就相当于心脏一样，控制着系统的运行，虽然电流和转速调节器能控制着电动机的运行，但没有了触发电路，它们的这种控

19、制作用达不到的。按照脉冲触发原理设计的触发电路如图4.7所示。4.5 光电隔离电路设计为了实现系统的的过压保护，本设计OPTOISO1线性光耦构成的过压保护装置，如图4.8所示。首先，对主电路的中IGBT的、与、之间的电压采集，然后通过电阻限压，再通过线性光耦OPTOISO1把电压反馈到芯片实现电压采集，采集完成后把采集到的数据送给MC51处理。其工作原理：当输出电压发生波动时，经分压电阻R35得到的取样电压就与TL431中的基准电压进行比较，在阴极上形成误差电压，使光耦电流发生变化，这时候通过OPTOISO1隔离后经模数转换后给MC51处理，当主电路的电压过大时，MC51就停止PWM输出或改

20、变PWM占空比从而达到过压保护。图4.8 光电隔离电路4.6 硬件电路原理图微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件原理图见附录I。第五章 软件设计5.1 程序流程图软件设计包括主程序，电流环，速度环程序及数字触发器等各中断程序的流程图。主程序包括各接口芯片初始化，中断设定等，程序流程图如图5.1所示T1停止计数开始起动To定时T角同步序号N减1起动T1定时60N=0N送记忆单元N= -5？输入Ugi，Ufi值计算LT PI值Ui（n）对Ui（n）Dk作限幅处理中断返回NY开始设置堆栈指针暂存数据单元清0初始化读Ugn输入值起动系统及测速器工作读选桥信号读LT，ST，PI参数开中断等待中断图5

21、.1 主程序流程图 图5.2 电流环中断子程序流程图开始等待m2停止计数定时T0，到m1停止计数计算输入m1，m2的值计算ST PI值Un（n）重新设定测速工作执行逻辑无环流切换程序中断返回开始X=216-|DK|X=216-3333+DKN+1输入DK值N-1输出触发脉冲DK<0？X值送T0计算指针M+N暂存中断返回PA口停止输出脉冲NY电流环中断服务程序由T1每隔3.33ms执行一次，T1同时控制同步脉冲序号N产生，输入Dgi值及反馈值Dfi，进行PI运算等，程序流程图如图5.2所示。图5.3 速度环中断子程序流程图 图5.3 触发电路程序流程图速度环中断服务程序由每隔20ms执行一

22、次，计算PI，M/T测速值和无环流逻辑切换程序等，程序流程图如图5.3所示。T对应的计算，地址指针计算和触发脉冲的输出，由To中断程序完成。同步脉冲的形成由T1中断程序完成。程序流程图如图5.4所示。5.2 程序清单部分程序见附录II第六章 调试与仿真双闭环直流调速系统的仿真图如图6.1所示： 图6.1 双闭环调速系统的仿真图仿真结果如下：用绘图命令plot(tout , yout) 在MATLAB 命令窗口里绘制图形，观察仿真输出，如下图所示：仿真结果说明：转速和电流满足设计所需的静、动态性能指标。第七章 总结本次课程设计我组的课题是基于MC51单片机89S51芯片的双闭环可逆直流脉宽调速系

23、统的设计，通过这次的课程设计，我了解了运动控制系统的一些基本知识和直流电机的应用。这次课程设计我们查阅了许多的相关文献和书籍，了解了许多关于运动控制系统的应用知识，对运动控制系统课程有了客观的认识。我基本上掌握了直流双闭环调速系统的设计。具体的说，第一，了解了调速的发展史的同时，进一步了解了交流调速系统所蕴涵的发展潜力，掌握了这一方面未来的发展动态；第二，双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性；第三，ASR、ACR（速度、电流调节器）为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的计算；第四，直流电动机数学模型的建立，参数的计算；第六，PWM脉宽调制系统的基本原理，组成，并分

24、析了桥式可逆PWM的工作状态及电压、电流的波形；第七，运用单片机89S51芯片来设计系统的控制，对单片机芯片有了更深入的了解和它的性能；第八，运用MATLAB仿真系统对所建立的双闭环直流调速系统进行的仿真，与此同时，进一步熟悉了MATLAB的相关功能，掌握了其使用方法。在这次课程设计过程中，非常感谢同班同学和同组同学给我的帮助和支持，使我顺利的完成了本次课程设计。在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我非常乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。附录附录I系统硬件电路原理图：附录II程序清单：1、主程序清单0100H AJMP STARTSTART：CLR PSW.4 CLR PSW

25、.3；选中工作寄存器0组 CLR C MOV R0 ，4FH MOV A ，30HCLEAR1:CLR A INC A DJNZ R0 ，CLEAR1；清零30-7FH SETB TR0；定时器/计数器0工作 MOV TMODE ，#01H；定时器/计数器工作在方式1 SETB EA ；总中断开放 SETB IT0；置INTO为降沿触发 SETB IT1；置INT1为降沿触发LJMP MAINLJMP CTCOLCALL SAMPLE2、PI控制子程序：SETB EX1 ；开放中断1MOV R0，90H ；P1口（W）送R0,预设MOV R1，80H；P0口（Y）送R1，实测MOV A，R0

26、；W给AMOV B，R1 ；Y给BSUBB A，B ；ei给AMOV 7FH，A ；ei 给7FHMOV 7EH，#00H；ei-1=0给7EHMOV 7BH，UmaxMOV 7AH, UminAJMP IN ；积分项AJMP P ；比例项MOV A，R2 ；Pi给AADD A，R3 ；Pi+Pp给AMOV 7DH，#00H；Ui-1=0给7DHADD A，7DH；Ui-1+Pi+Pp=Ui给AMOV 7CH,A ；Ui给7CHMOV 7DH，7CH；Ui给Ui-1MOV A，7BH ；Umax给ACJNE A，#Ui，LOOP2；UiUmax转移MOV A，#UiCJNE A，7AH，LOO

27、P3；Ui<Umin转移MOV 90H，7CH ；输出Ui到P1口LOOP2：MOV A，7CH ；Ui给ACLR CSUBB A，#UmaxRETILOOP3：MOV A，7CH；Ui给A CLR C SUBB A，#Umin RETIIN：MOV 6FH，#I MOV A，6FH ；I给A MOV B，7FH ；ei给B MUL AB ；Pi=I*ei给A；Pi给R2 RETIP：MOV 6EH，#P CLR C MOV A，7FH ；ei给A SUBB A，7EH ；ei-ei-1给A MOV 7EH，7FH ；ei给ei-1 MOV B，6EH MUL AB；（ei-ei-1）*

28、P给A MOV R3，A ；Pp给R3 RETI3、A/D转换程序ORG 0000H SJMP MAINORG 0030HMAIN:MOV DPTR,#8600HLOOP:MOV A,#00H MOVX DPTR,A MOV R2,#15H LCALL DELAY MOVX A ,DPTR MOV P1,A SJMP LOOPDELAY: PUSH 02HLP1 : PUSH 02HLP2 : PUSH 02HLP3 : DJNZ R2,LP3 POP 02H DJNZ R2,LP2 POP 02H DJNZ R2,LP1 POP 02H DJNZ R2,DELAY RET END4、电机测速

29、计子程序D_TMP  EQU 35HCOUNT1 EQU 36HCOUNT2 EQU 37HORG 0000HLJMP MAINORG 0003HLJMP INT0ORG 000BHLJMP TT0ORG 0030HMAIN: MOV 30H,#00H   ;显示缓冲单元30H33H     MOV 31H,#00H     MOV 32H,#00H     MOV 33H,#00H     mov 20h

30、,#00h;计数标志位20H     MOV R6,#00H;脉冲计数单元R6R7     MOV R7,#00H     MOV P0,#00H     MOV P1,#00H     MOV P2,#0FFH     MOV P3,#0ffH     MOV COUNT1,#50   

31、 ;1S定时计数值     MOV COUNT2,#60    ;1分定时计数值     MOV TMOD,#01h     MOV TL0,#00H 20ms定时初值     MOV TH0,#70H     SETB TR0     SETB ET0     SETB EX0

32、     SETB IT0     SETB PT0     SETB EALOOP:LCALL DISPLAY 调用显示程序     JNB 00h,LOOP;计数标志位为0,则等待     LCALL HEXTOBCDD    ;调用十六进制数十十进制子程序     LCALL bcd ;BCD码子程序 

33、    CLR A     MOV R6,A;脉冲计数单元清0     MOV R7,A     CLR 00h 计数标志位清0     SJMP LOOP 继续循环INT0:  MOV A,R7 ;中断0程序     ADD A,#1     MOV R7,A  &#

34、160;  MOV A,R6     ADDC A,#0     MOV R6,A     CJNE R6,#27H,NEXT  ;计数最大值9999     CLR   A     MOV   R6 , A     MOV   R7 , ANEXT:RETITT0:DJNZ c

35、ount1,NEXT1;T0中断程序  MOV COUNT1,#50 ;分转速计  DJNZ COUNT2,NEXT1  CLR EA  SETB 00H ;计数标志位置1,则执行计数  MOV COUNT1,#50  MOV COUNT2,#60  SETB EANEXT1:MOV TL0,#00H   MOV TH0,#70H   RETIHEXTOBCDD:MOV  A , R6;由十六进制

36、转化为十进制     PUSH  ACC     MOV   A , R7     PUSH  ACC     MOV   A , R2     PUSH  ACC     CLR   A  

37、0;  MOV   R3 , A     MOV   R4 , A     MOV   R5 , A     MOV   R2 , #10HHB3:MOV A,R7;将十六进制中最高位移入进位位中  RLC   A  MOV   R7 , A  MO

38、V   A, R6  RLC   A  MOV   R6 , A  MOV   A, R5;每位数加上本身相当于将这数乘以2  ADDC  A  , R5  DA  A  MOV   R5 , A  MOV   A  , R4  ADDC  A  , R4  DA

39、60;   A  十进制调整 MOV  R4 , A  MOV  A  , R3  ADDC  A  , R3  DJNZ R2 , HB3  POP  ACC  MOV  R2 , A  POP  ACC  MOV  R7 , A  POP  ACC

40、0; MOV  R6 , A  RETBCD: MOV R0 , #30H   MOV  A  , R5   ANL  A  , #0FH;屏蔽R5中的低4位   MOV  R0 , A   MOV   A,R5        SWAP  A  R5

41、高低4位互换   ANL A, #0FH;屏蔽R5中的低4位   INC R0;存储地址加1指向31H   MOV R0 , A   MOV A,R4;R4中的内容存A   ANL A , #0FH;屏蔽低4位   INC R0;存储地址加1指向32H   MOV R0 , A   MOV  A, R4   SWAP  A  R4高低位互换   ANL  A,#0FH;屏蔽R5中低4位   INC R0   MOV   R0 , A    RETDISPLAY: MOV A,30