运动控制专业课程设计

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1设计任务和要求 12系统方案论证 12.1PWM控制使用在直流电力拖动系统中优势 12.2单片机控制使用在直流电力拖动系统中优势 13系统总体设计 23.1单片机控制PWM直流双闭环调速系统原理 23.2PWM技术基础原理 34调整器参数设计 34.1电流环参数设计 34.2转速环参数设计 55系统电路设计 75.1主电路设计 75.2驱动电路设计 85.3检测电路设计 85.4数字控制器设计 96调速系统软件设计 96.1主程序 106.2初始化子程序 106.3中止服务子程序 106.4PI算法子程序 11设计体会 13参考文件 14单片机控制PWM直流双闭环调速系统设计1设计任务和要求转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最为广泛直流调速系统。此次设计需要依据已知参数及性能指标，设计一个单片机控制PWM直流双闭环调速系统，使其含有基础运行可能性和可操作性，具体包含主电路设计、触发电路设计、控制回路设计和控制程序编写。2系统方案论证2.1PWM控制使用在直流电力拖动系统中优势直流电力拖动系统使用PWM控制方法，和晶闸管可控整流方法比较，性能上有以下特点。

1）因为开关频率高，所以系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰性能强。新开发MOSFET开关频率可达成几十kHz,IGBT开关频率也可达成30kHz。而且电枢电流仅依靠于电动机本身电感就能连续，不需要增加饱和电抗器，降低了电动机损耗。

2）电动机低速时电流脉动小，即转矩脉动小，稳速精度高，调速范围大，尤其是双极式PWM变换器，最大调速比可达1∶20000。当直流电源采取不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

3）主电路结构简单，MOSFET和IGBT全部开发有多个驱动集成模块；而且因为功率器件工作在开关状态，而使功率电路功耗小，其功率可达成90%以上。2.2单片机控制使用在直流电力拖动系统中优势基于单片机控制数字直流调速数字控制系统和模拟控制系统相比较有很多优势，关键包含以下几方面。1）数字控制系统硬件电路标准化程度高、制作成本低、不受器件温度漂移影响。且系统稳定性好、可靠性高，能够提升控制能力。2）数字控制系统控制软件能够进行逻辑判定和复杂运算，能够实现不一样于通常线性调整最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。另外，数字控制系统拥有信息存放、数据通信和故障诊疗等模拟控制系统无法实现功效。3系统总体设计3.1单片机控制PWM直流双闭环调速系统原理依据设计任务要求，设计单片机控制PWM直流双闭环调速系统原理图图1所表示。 3~AT89S52单片机URId*UcId*Ucn﹡ASRACRUPWGDUPEW-Id-n-Id-nA/DTAMFBS图1单片机控制PWM直流双闭环调速系统原理图图1中，UR：三相桥式整流器，ASR：转速调整步骤，ACR：电流调整步骤，UPW：PWM波生成电路，GD：驱动电路，UPEW：桥式可逆电力电子变换器，A/D：模/数转换器，TA：霍尔电流传感器，FBS：光电码盘测速器。为了实现转速、电流无静差和转速稳定，整个系统采取了转速、电流双闭环控制结构，在系统中设置了两个调整器转速调整器、电流调整器，从而引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实施串级联接，把转速调整器输出看成电流调整器输入，再用电流调整器输出作为PWM控制电压，最终经过驱动电路驱动桥式可逆电力电子变换器UPEW。从闭环结构上看，电流环在内部，组成了内环，从稳态要求上看，期望电流无静差，以得到理想堵转特征，而且电流环应以跟随性能为主，所以电流环按典Ⅰ型系统设计；转速环在外部，从成了外环，为了实现转速无静差和取得良好动、静态品质，所以转速环按典Ⅱ型系统设计。整个系统中，转速、电流调整环采取单片机实现，系统给定，电流、转速反馈量经过模/数转换后也送入单片机中进行处理，最终形成了单片机控制PWM直流双闭环调速系统。3.2PWM技术基础原理PWM控制系统是经过改变直流电机电枢上脉动直流电“占空比”来改变平均电压大小，从而控制电机转速。电枢电压平均值为：Umg=ρVcc,ρ称为占空比，其值由固定频率调整脉冲宽度方法来调整。4调整器参数设计本系统调整器参数设计关键采取工程设计法。根据多环控制系统设计通常标准，采取先内环后外环，从内环开始，逐步向外扩张。所以在双闭环控制系统中，首先设计电流调整器，然后把整个电流环看作是转速调整系统中一个步骤，再设计转速调整器。单片机控制PWM直流双闭环调速系统实际动态结构框图图2所表示。eq\f(β,eq\f(β,Tois+1)电流环UUn*(s)eq\f(Keq\f(Ks,Tss+1)eq\f(1/Rs,Tls+1)eq\f(1,Tois+1)eq\f(1,Tons+1) ASR ACReq\f(1,Tons+1)E(s)IdL(s)E(s)IdL(s)eq\f(α,Tons+1)eq\f(R,eq\f(R,Tms)eq\f(1,Ce)图2单片机控制PWM直流双闭环调速系统动态结构框图4.1电流环参数设计首先将电流环从整个系统动态结构框图中取出，得到近似电流环结构框图，图3所表示。eq\f(Kseq\f(Ks,Tss+1)eq\f(β,Tois+1)eq\f(1/R,Tls+1)Ui*(s)Id(s)ACRUi*(s)Id(s)eq\f(βeq\f(β,Tois+1)图3电流环近似结构框图因为电流环控制对象是双惯性，而且设计要求电流超调量，所以可校正成典Ⅰ型系统，所以电流调整器ACR采取PI型，其传输函数能够写成下式：式中电流调整器百分比系数电流调整器超前时间常数。对电流环作近似处理，可得出电流环结构简化图，图4所表示。IId(s)UiUi*(s)/βeq\f(KI,s(T∑is+1))图4电流环结构简化图电动机电枢电流额定值,所以电枢许可最大电流,所以电枢电流范围为，而A/D转换为8位二进制数码，所以得出电流反馈回路反馈系数：因为整流电路采取是三相桥式整流电路，所以整流装置滞后时间常数为三相桥式整流电路平均失控时间，而电流滤波时间常数为：，经过小时间常数近似处理得出电流环小时间常数之和，所以能够计算出电流调整器各参数。电流调整器各参数计算：电流调整器超前时间常数：。电流环开环增益：要求，应取，所以于是，ACR百分比系数为校验近似条件：电流环截止频率：PWM变换器传输函数近似条件满足近似条件。忽略反电动势改变对电流环动态影响条件满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。根据上述参数，电流环能够达成动态跟随性能指标为，满足设计要求。4.2转速环参数设计前面已经计算出了电流调整环参数，要对转速环进行参数设计，首先计算出电流环等效闭环传输函数，经过近似条件处理能够得出电流环等效闭环传输函数为下式。用电流环等效步骤替换图3中电流环后，整个系统动态结构框图图5所表示。n(s)eq\f(R,n(s)eq\f(R,CeTms)eq\f(1/β,1+s/KI)eq\f(1,Tons+1)ASRUnUn*(s)eq\f(αeq\f(α,Tons+1)图5转速环动态结构框图由前面调速系统原理可知，转速控制是无静差，而且设计要求空载开启转速超调量，所以可校正成典Ⅱ型系统，所以转速调整器ASR也采取PI型，其传输函数能够写成下式：式中转速调整器百分比系数转速调整器超前时间常数。对转速环作近似处理，可得出转速环结构简化图，图6所表示。n(s)Unn(s)Un*(s)/αeq\f(KN(τns+1),s2(T∑ns+1))图6转速环结构简化图转速调整器各参数计算：电流环等效时间常数：。转速滤波时间常数：。转速环小时间常数：。根据跟随和抗扰性能全部很好标准，取，则ASR超前时间常数为从而求出转速开环增益最终可求出ASR百分比系数为检验近似条件：转速环截止频率：。电流环传输函数简化条件为满足近似条件。转速环小时间常数近似处理条件为满足近似条件。当初，，不能满足设计要求，因为以上是按线性处理，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统前提，所以应该按ASR退饱和情况重新计算超调量。所以超调量为5系统电路设计整个调速系统硬件电路关键包含有：以三相桥式整流器为主主电路，PWM功率放大驱动电路，电流、速度检测电路和以51单片机为关键数字控制器等多个单元电路组成，各个单元电路设计以下。5.1主电路设计主回路设计关键是：三相交流电源经三相桥式整流变换为电压恒定直流电源，然后经过直流PWM变换器得到可调直流电压，最终供给直流电动机使用。整个主回路组成图所表示。其中，从图7中能够看出，采取是电压源型逆变器，直流步骤采取大电容C1来滤波，从而使得输出直流电压波形比较平直，在理想情况下可视为内阻为零恒压源。因为电容C1容量很大，当突加电源后，后造成短路，从而形成比较大充电电流，会降低整流二极管寿命，严重可能烧毁，所以在电路中加入了限流电阻R1，加入电源以后为了避免限流电阻R1在运行中造成无须要损耗，可在限流电阻R1两端并入延时开关K，将其短路即可。图7主回路电路图5.2驱动电路设计从上述原理可知，产生高压侧焖鸡驱动电压前提是低压侧必需要有开关动作，所以本系统采取是双极性脉宽调制功率放大器。PWM驱动原理图图8所表示。因为VT1~VT4是作为开关用大功率晶体管，只工作在截止和饱和状态，当电机正转时VT1、VT4导通，反转则VT2、VT3导通。而D4、D5、D9、D10则为续流二极管，关键起到保护作用，预防VT1~VT4被反向击穿。因为控制回路是弱电，而主回路却是强电，所以在二者之间加入了起隔离和抗干扰作用光电耦合器。图8PWM驱动原理图5.3检测电路设计检测回路关键包含电流、电压、速度检测，其中电流、电压检测须由A/D转换通道转换为数字量再送入单片机中进行对应处理，转速检测直接使用数字测速。电流检测电路关键组成部分包含霍尔电流传感器（TA）CSM100LA，A/D转换器ADC0809。转速测量电路则由施密特整形电路和装在电动机转子上光电编码盘组成，因为电机转速和电脉冲频率成固定百分比关系，所以将光电编码盘输出电脉冲经施密特整形电路整为标准TTL电平，再送入单片机两个外部中止，然后利用单片机内部定时计数器作为计数器来不停反复捕捉相邻两次速度脉冲，最终从两次触发时间差算出转速。5.4数字控制器设计数字控制器是整个调速系统关键，AT89S52单片机测试数字控制器关键。前面已经计算出电流、转速调整器参数，所以能够得到二者传输函数，一次能够先按模拟系统设计方法设计调整器，然后采取离散化，就能够得到数字控制器散发，也就是模拟调整器数字化。数字控制器采取PI调整算法，将测得电流、转速数字量送入单片机中，经过测得转速和预置转速相比得到差值，然后单片机经过对差值进行PI运算得出控制量，再经过IO口输出四路PWM控制信号，最终达成控制电机转速目标。数字控制器设计关键是单片机最小系统设计，单片机最小系统图9所表示。整个系统总电路图见附录。图9单片机最小系统6调速系统软件设计调速系统控制规律是利用软件实现，全部硬件须由软件来实施管理，经过软硬件相互结合来实现电机调速。整个调速系统软件有主程序、初始化子程序、中止服务子程序和PI算法子程序组成。6.1主程序主程序设计成循环形式，将预置转速和实际测得转速相比较，得到一个差值，然后将差值进行PI运算得到电流调整器输入值，再将输入值和实际测得电流值相比较，又得到一个差值，最终将差值进行PI运算得到控制值，最终利用控制值改变输出PWM信号占空比，最终达成控制电机转速目标。主程序框图图10所表示。图10主程序框图6.2初始化子程序初始化子程序功效关键是完成器件工作方法设定、系统运行参数和变量初始化等。初始化子程序框图图11所表示。6.3中止服务子程序中止服务子程序设计是整个系统软件设计关键部分，用来完成实时性强功效。比如PWM控制信号生成、状态检测和数字PI调整等。中止服务子程序关键包含了转速调整中止服务子程序、电流调整中止服务子程序。图11初始化子程序框图图12转速调整中止服务子程序框图进入转速调整中止服务子程序后，首先保护现场，再计算实际转速，完成转速PI调整，最终开启转速检测，为下一步调整做准备。中止服务完成以后须恢复现场，从而使得被