1、 基于單片機(jī)控制雙閉環(huán)直流電機(jī)摘要本文主要研究了利用MCS-51系列單片機(jī)進(jìn)行雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速的方法。設(shè)計中通過采集轉(zhuǎn)速、電流信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)PI算法，將PI算法結(jié)果用于PWM占空比計算，通過軟件方法產(chǎn)生PWM波，PWM波輸出后，經(jīng)光耦驅(qū)動電路放大后，用于IGBT的控制，從而實現(xiàn)雙極式H型直流機(jī)、電機(jī)的調(diào)速。關(guān)鍵詞:PWM信號；直流調(diào)速；雙閉環(huán)；PI運算Basedonsingle-chipmicrocomputercontroldoubleclosedloopdcmotorAbtractThispapermainlydiscussesaboutusingMCS-51seriesmi

2、crocontrollertocontrolDCmotorratedspeedbydoubleclosed-loop.Aftercollectingratedspeedandcurrentsignal,usingADC0809toachieveA/Dconversion,andthenrealizethePIalgorithmalgorithms,usingPIalgorithmresultstocalculatethedutycycleofPWMthroughthesoftwaremethodtocreatePWMwaves,PWMwaveoutputbylight-couplerafter

3、drivingcircuitforamplification,soastorealizetheIGBTbipolarcontral,andachievethetypeHDCmotorspeedadjusting.Keywords:PWMsignal.Dcspeedcontrol.Doubleclosedloop.PIoperations目錄前言4第一章系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計5TOC o 1-5 h z系統(tǒng)方案選擇與總體設(shè)計51.1調(diào)速方案的選擇51.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原圖61.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型61.4數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方圖71.5數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件圖8 HY

4、PERLINK l bookmark16 o Current Document 1.689S51單片機(jī)簡介92主電路設(shè)計與參數(shù)計算102.1整流變壓器的計算與設(shè)計102.2開關(guān)器件IGBT參數(shù)計算與選擇112.3電阻電容的選擇112.4整流功率二極管的選擇112.5平波電抗器的選擇與計算11調(diào)節(jié)器的選擇與計算123.1確定電流調(diào)節(jié)器時間常數(shù)123.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇123.3電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算133.4確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時間常數(shù)133.5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇133.6轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算14PWM信號發(fā)生電計14 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document

5、 PWM的基本原理14PWM信號發(fā)生電路設(shè)計15PWM發(fā)生電路主要芯片工作原理165功率驅(qū)動模塊及光耦隔離設(shè)計175.1功率驅(qū)動模塊175.2穩(wěn)壓塊LM7915186.A/D轉(zhuǎn)換及芯片選擇19 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 6.1芯片ADC0809介紹19 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 6.2ADC0809引腳及其功能表197測速電機(jī)反饋裝置198霍爾電流傳感器199.鍵盤顯示單元21第二章系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計22主程序設(shè)計22中斷程序23PI子程序框圖24結(jié)束語25致謝26參考文獻(xiàn)27第

6、三章程序附錄28引言直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)早期直流電機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一體，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低成本，從而有效的提高工

7、作效率。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用很廣泛的中小功率直流調(diào)速系統(tǒng)。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，凡是功率在幾十KW以下的電力傳動系統(tǒng)，基本上都是采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)電力的傳動系統(tǒng)。直流的調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用最廣的電氣傳動裝置之一，廣泛的應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機(jī)進(jìn)行供電，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的運行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故，直流電動機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没Ｑ芯康膯纹瑱C(jī)控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，是利用大功率電力電子器件實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換，完成對直

8、流電機(jī)的速度控制，可以實現(xiàn)電機(jī)速度的可逆運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電機(jī)的四象限運行，既有動態(tài)響應(yīng)速度快、輸出波形好、裝置體積小、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制平穩(wěn)、電機(jī)調(diào)速范圍寬等特點，起機(jī)械特性的電流斷續(xù)區(qū)很小，輸出近似為平行的機(jī)械特性曲線。本設(shè)計主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，取代傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)用一臺單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)中調(diào)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化。1.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計1系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)方案選擇與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的質(zhì)量。根據(jù)電機(jī)的型號及參數(shù)選擇最優(yōu)方案，以確保系統(tǒng)能

9、夠正常，穩(wěn)定地運行。本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)無靜差，調(diào)速范圍0-1500r/min,電流過載倍數(shù)為1.5倍，速度控制精度為0.1%（額定轉(zhuǎn)速時）。1、系統(tǒng)控制對象的確定本次設(shè)計選用直流電動機(jī)的額定參數(shù)額定功PN=11kW、額定電壓Un=220V、額定電流In=50A、額定轉(zhuǎn)速nN=1450r/min，電樞回路電樞繞組電感La=2.8mH，電流過載倍數(shù)久=1.。系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.2015s,電磁時間常數(shù)T=0.00278s,電動勢系數(shù)Ce=0.1290V*min/r。電動機(jī)供電方案選擇變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋

10、轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡稱G-M系統(tǒng)，用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護(hù)不便。用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流靜止可控整流器又稱V-M系電壓。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud,從而實現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用PWM,用恒定直流或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。與VM系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較

11、大的優(yōu)越性：一、主電路線路簡單，需要的功率器件少；二、開端頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小：三、低速性能好，穩(wěn)速精度該，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：10000左右；四、若與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；五、功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，道通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高；六、直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流高。本設(shè)計應(yīng)脈寬調(diào)速要求，采用直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理隨著調(diào)速系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，傳統(tǒng)的采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)既能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)，又能較快的動態(tài)響應(yīng)只能滿足一般生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)

12、速要求。為了提高生產(chǎn)率，要求盡量縮短起動、制動、反轉(zhuǎn)過渡過程的時間，最好的辦法是在過渡過程中始終保持電流（即動態(tài)轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使系統(tǒng)盡最大可能加速起動，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低，進(jìn)入轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡的穩(wěn)態(tài)運行。要實現(xiàn)上述要求，其唯一的途徑就是采用電流負(fù)反饋控制方法，即采用速度、電流雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)來實現(xiàn)。在電流控制回路中設(shè)置一個調(diào)節(jié)器，專門用于調(diào)節(jié)電流量，從而在調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制。雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)中采用了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實現(xiàn)串級連接。圖11.1為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的示意圖。圖中兩個調(diào)節(jié)器ASR和

13、ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。兩個調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Uim決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓最大值Uim，對就電機(jī)的最大電流；電流調(diào)節(jié)器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角aTARnRiROROAROUdMUctJnGTV1GCiihUiROR：ACR圖1-1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路示意圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-1.2所示。圖中Wasr（S）和W

14、acr（S）分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有W(s)二ASRWACR(s)二Ki為了引出電流反饋，在電動機(jī)的動態(tài)框圖中必須把電樞電流Id顯露出來。-L1-RIEaT.sI圖1-1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖1.1.489S51單片機(jī)簡介本系統(tǒng)要求微型計算機(jī)完成電流環(huán)、速度環(huán)的控制算法運算以及相應(yīng)的反饋信號數(shù)字化測量和采樣,接收和處理上位微型計算機(jī)送給伺服系統(tǒng)的指令,采集伺服系統(tǒng)的有關(guān)信息并反饋到上位微型計算機(jī)等。其中,電流環(huán)控制要求微型計算機(jī)有很快的響應(yīng)速度,其采樣頻率比較高。另外,為了保證足夠的控制精度和運算速度,對微型計算機(jī)字長和指令功能也有更高的要求

15、。本系統(tǒng)選用我們比較熟悉的89S51作為微型計算機(jī)。189S51單片機(jī)的基本組成89S51單片機(jī)由CPU和8個部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。2CPU及8個部件的作用功能介紹如下中央處理器CPU:它是單片機(jī)的核心，完成運算和控制功能。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：89S51芯片中共有256個RAM單元，能作為存儲器使用的只是前128個單元，其地址為OOH7FH。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個單元，簡稱內(nèi)部RAM。特殊功能寄存器：是用來對片內(nèi)各部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存

16、器，是一個特殊功能的RAM區(qū)，位于內(nèi)部RAM的高128個單元，其地址為8OHFFH。內(nèi)部程序存儲器：89S51芯片內(nèi)部共有4K個單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部ROM。并行I/O口：89S51芯片內(nèi)部有4個8位的I/O口（PO，P1，P2，P3），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。串行口：它是用來實現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。定時器：89S51片內(nèi)有2個16位的定時器，用來實現(xiàn)定時或者計數(shù)功能，并且以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機(jī)進(jìn)行控制。中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個中斷源，即外部中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個和串行中斷1個。振蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成89S51單片機(jī)產(chǎn)生

17、時鐘脈沖序列的時鐘電路。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為12MHz。U1389S51單片機(jī)引腳圖P103P20P12,P13P14PlkP16P17RSTP25P24P=23P225Ml30292327IDn12帀14蘭1920P11TXD/P31INTO/P32.IJIT1/PS3T0/P34T1/P35WE/T36RD/P37TAL2XTAL1VCCPOOP01P02P03P04P05POSP07EA/VPPALE/PROGPESNP27P2SP21R$51JLLGND1-1.689S51單片機(jī)引腳圖主電路的設(shè)計及參數(shù)計算由于給定直流電動機(jī)的額定電壓為220V,為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器

18、將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用三相全波整流橋，A/Y聯(lián)結(jié)。整流變壓器的計算與設(shè)計變壓器二次側(cè)電壓：U2的確定原則是要保證在電動機(jī)的整個起動過程中，整流裝置都能夠提供要求的最大電流值Idm=1.5*IN，忽略IGBT壓降和換相重疊壓降后可列出下列公式：電動機(jī)Ce=0.1290Udm=2.34*U2Ce*n+IdmNUdm直流輸出電壓U2二次側(cè)電壓(交流)考慮到電網(wǎng)電壓波動，取波動系數(shù)為0.95，則有:U2=(Ce*n+Idm*R)/2.34=(0.129*1450+1.5*50*1.8)/(0.95*2.34)=144.9VN整流器容量：S

19、=3U2*Idm=3*144.9*1.5*50=32.6KVAN故I1=S/(3*U1)，變壓器一次側(cè)電壓一般由供電電源決定取U1=220VNI1=S/(3*U1)=32.6*1000/(3*220)=49.34AN2.2開關(guān)器件IGBT參數(shù)計算與選擇反向最大電流：I=1.5Id=1.5*50=75A由于驅(qū)動器功率不足或選擇錯誤可能會導(dǎo)致模塊和驅(qū)動器故障。因此，選取西門子的BSM75GB60DLC型IGBT,耐壓600V,電流75A，工作極限溫度80oC。電阻、電容的選擇由限流電阻計算公式：R0=Ud02/PN=22O*1.1*22O*1.1/11OOO=5.32Q0d0NU電機(jī)最高承電壓d0

20、濾波電容器由經(jīng)驗公式求得：C1=C2=4uF/V*Ud0=4*220*1.1=968uFd0電阻一般取56-100kQ,則有：Rl=R2=56kQ所以，濾波電容器采用兩個968uF/220V標(biāo)稱的鋁電解電容串聯(lián)。電阻取R0=5.32Q,R1=R2=56kQ整流功率二極管的選擇：選擇功率二極管的耐壓值：U=(2-3)Um=(2-3)*sqr(3)*220=760-1040V通態(tài)電流值：Ita=(1.5-2)Ivt=(1.5-2)*50/sqr(3)/1.57=27.58-36.77A選取功率二極管數(shù)據(jù)為：800V/30A平波電抗器的選擇及計算平波電抗器：平波電抗器用于整流以后的直流回路中。整流電

21、路的脈波數(shù)總是有限的，在輸出的整直電壓中總是有紋波的。這種紋波往往是有害的，需要由平波電抗器加以抑制。平波電抗器的電感量一般按低速輕載時保證電流連續(xù)的條件來選擇。對于三相橋式整流電路：經(jīng)驗公式L=0.693U2/Idmin又因為一般Idmin為電動機(jī)額定電流的5%10%,這里取10%。In=5A因此：L=0.693XU2/5又因為U2=142.2V所以：L=0.693*144.9/5=20.08Mh調(diào)節(jié)器的選擇與計算反饋系數(shù)的確定：電樞電流是雙極性的，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果為10位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：a=1V.min/r電流反饋系數(shù)：B=U*im/Idm=1023/(71.7*2)=14.4/A確

22、定電流調(diào)節(jié)器時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts=0.0017s。電流濾波時間常數(shù)Toi：取Toi=0.5ms=0.0005s。電流環(huán)小時間常數(shù)之T.近似處理，取T.=Ts+T.=0.0022s。EiEiO1電樞回路電磁時間常數(shù)TlT=L/R=0.781/52.3=0.0167s電力拖動系統(tǒng)時間常數(shù)Tm幾=40應(yīng)=0.04sKs=Uc-(-Uc)/fpwm=2*296.01/(100*1000)=0.00592電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)設(shè)計要求并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WACR(S)=Ki(Tis+1)/Ti

23、sKi電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti電流調(diào)節(jié)器的超前微分時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗干擾性能：由于T,/TT=0.0167s/0.0022s=7.6W10，參照教材中表2-3的典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾1工1性能，各項指標(biāo)都是可以接受的。圖1-3.1電流環(huán)等效近似處理后校正成為典型I系統(tǒng)框圖電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：ti=Tl=0.0167電流環(huán)開環(huán)增益：要求。iW5%時,查表得KITEi=0.5，因此KI=0.5/0.0022s=227.3于是，ACR的比例系數(shù)為：Ki=KItiR/KsB=227.3X0.00278X1.8/(0.00592X14.4)=13.34電流環(huán)采樣角頻率：Ws

24、i=10Wci=2273電流環(huán)采樣時間：Ti=1/(Wsi/2pi)=0.028確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI已知KITEi=0.5，貝V1/KI=2TEi=2X0.0022s=0.0044s轉(zhuǎn)速時間常數(shù)Ton。取Ton=0.001s轉(zhuǎn)速小時間常數(shù)TEno按小時間常數(shù)近似處理，取TEn=1/KI+Ton=0.0054s轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型II系統(tǒng)系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。圖1-3.2轉(zhuǎn)速環(huán)等效近似處理后校正成為典型II系統(tǒng)框圖ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：Wasr(s)=/(帶+1)/TnSKn轉(zhuǎn)

25、速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Tn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5,則ASR的超前時間常數(shù)為tn=hTEn=5X0.0044s=0.027s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：KN=(h+l)/2h2TRn2=6/(2X52X0.00542)=4115.2ASR的比例系數(shù)為：Kn=(h+1)3CeTm/2haRTEn=6X14.4X0.1290X0.2015/(2X5X1X1.8X0.0054)=23.10轉(zhuǎn)速環(huán)采樣角頻率：Wsn=10Wcn=1111.1s-1電流環(huán)采樣時間：Tn=1/(Wsn/2pi)=0.00565sPWM信號發(fā)生電路設(shè)計4.1PWM的基本原理PWM(脈

26、沖寬度調(diào)制)是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因為如此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。如下圖所示：設(shè)電機(jī)始終接通電源時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D=t1/T，則電max機(jī)的平均速度為Va=Vmax*D，其中Va指的是電機(jī)的平均速度；Vmax是指電

27、機(jī)amaxamax在全通電時的最大速度；D=t1/T是指占空比。由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比D=t1/T時，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格來說，平均速度Vd與占空比D并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。4.2計雙極式控制方式雙極式H形可逆PWM變換器（1）正向運行：第1階段，在0tton期間，Ugl、Ug4為正，VT1、VT4導(dǎo)通，Ug2、Ug3為負(fù)，VT2、VT3截止，電流id沿回路1流通，電動機(jī)M兩端電壓UAB=+Us；第2階段，在tontT期間，Ugl、Ug4為負(fù)，VT1、VT4截止，VD2、VD3續(xù)流，并鉗位使VT

28、2、VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動機(jī)M兩端電壓UAB=-Us；（2）反向運行：第1階段，在0tton期間，Ug2、Ug3為負(fù)，VT2、VT3截止，VD1、VD4續(xù)流，并鉗位使VT1、VT4截止，電流-id沿回路4流通，電動機(jī)M兩端電壓UAB=+Us；第2階段，在tontT期間，Ug2、Ug3為正，VT2、VT3導(dǎo)通，Ug1、Ug4為負(fù)，使VT1、VT4保持截止，電流-id沿回路3流通，電動機(jī)M兩端電壓UAB=-Us；功率驅(qū)動模塊及光耦隔離設(shè)計5.1IGBT門極驅(qū)動光耦合器HCPL-316J電路中驅(qū)動采用的是HCPL-316J芯片，HCPL-316J是由Agilent公司生產(chǎn)的一種I

29、GBT門極驅(qū)動光耦合器,其內(nèi)部集成集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路,為驅(qū)動電路的可靠工作提供了保障.其特性為:兼容CM0S/TYL電平;光隔離，故障狀態(tài)反饋;開關(guān)時間最大500ns;“軟”IGBT關(guān)斷;欠飽和檢測及欠壓鎖定保護(hù);過流保護(hù)功能；寬工作電壓范圍（1530V）;用戶可配置自動復(fù)位、自動關(guān)閉.芯片與該耦合器結(jié)合實現(xiàn)IGBT的驅(qū)動，使得IGBTVCE欠飽和檢測結(jié)構(gòu)緊湊，低成本且易于實現(xiàn)，同時滿足了寬范圍的安全與調(diào)節(jié)需要.II二:W1530-=C37UT45LJM7915工46丄伽LR1SC33rHCPL-515JFNP、InfLLIvisIJI?Jaal、fiClYlZZ

30、UI.Ivotir|5|JIMnJ-.illJflidU1-4圖1-5.1HCPL-316J的引腳排列HCPL-316J驅(qū)動IGBT工作過程：當(dāng)HCPL-316J輸出端VOUT輸出為高電平時，推挽電路上管NPN導(dǎo)通，下管PNP截止，三端穩(wěn)壓塊LM7915輸出端加在IGBT門極(VG1)上，IGBTVCE為15V,IGBT導(dǎo)通。當(dāng)HCPL-316J輸出端VOUT輸出為低電平時，上管NPN截止，下管PNP導(dǎo)通，VCE為-9V，IGBT關(guān)斷。以上就是IGBT的開通關(guān)斷過程。5.2穩(wěn)壓塊LM7915圖1-5.3LM7915穩(wěn)壓塊A/D轉(zhuǎn)化及芯片選擇6.1芯片ADC0809介紹ADC0809是8位、逐次

31、比較式A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有地址鎖存控制的8路模擬開關(guān)，應(yīng)用單一的+5V電源，其模擬量輸入電壓的范圍為0V+5V,其對應(yīng)的數(shù)字量輸出為OOHFFH，轉(zhuǎn)換時間為100us,無須調(diào)零或者調(diào)整滿量程。6.2ADC0809的引腳及其功能ADC0809有28個引腳，其中IN0IN7接8路模擬量輸入。ALE是地址鎖存允許，VrEf、rEF接基準(zhǔn)電源，在精度要求不太高的情況下，供電電源就可以作為基準(zhǔn)電源。START是芯片的啟動引腳，其上脈沖的下降沿起動一次新的A/D轉(zhuǎn)換。EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，可以用于向單片機(jī)申請中斷或者供單片機(jī)查詢。OE是輸出允許端。CLK是時鐘端。DB0DB7是數(shù)字量的輸出。ADDA、AD

32、DB、ADDC接地址線用以選定8路輸入中的一路，詳見下圖。測速電機(jī)反饋裝置和測速發(fā)電機(jī)是一種檢測機(jī)械轉(zhuǎn)速的電磁裝置。它能把機(jī)械轉(zhuǎn)速變成電壓信號,其輸出電壓與輸入電壓的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。在轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)中,測速發(fā)電機(jī)是一個關(guān)鍵的裝置,它的輸出電壓的幅值正比于轉(zhuǎn)速,極性反映電機(jī)的轉(zhuǎn)向。測速精度、線性度、波型的系數(shù)以及測量的小滯后性是它的主要性能指標(biāo)。現(xiàn)有測速發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)一般能滿足大多數(shù)調(diào)速系統(tǒng)的需要。霍爾電流傳感器電流負(fù)反饋用的是霍爾電流傳感器來感應(yīng)主電路的電流值，其有一下優(yōu)點：測量范圍廣：它可以測量任意波形的電流和電壓，如直流、交流、脈沖三角波形等，甚至對瞬態(tài)峰值電流、電壓信號也能忠實地進(jìn)行反映

33、;響應(yīng)速度快：最快者響應(yīng)時間只為1us。測量精度高。線性度好。動態(tài)性能好：響應(yīng)時間快。工作頻帶寬：在0100KHz頻率范圍內(nèi)的信號均可以測量。可靠性高，平均無故障工作時間長。過載能力強、測量范圍大。體積小、重量輕、易于安裝。鍵盤顯示單元按鍵控制與LED顯示單元完成系統(tǒng)參數(shù)（轉(zhuǎn)速）的實時顯示。本系統(tǒng)中通過8155芯片來擴(kuò)展鍵盤和顯示接口。8155可以顯示8位或16位LED顯示器，通過編程可以實現(xiàn)多種工作方式。8155的引腳圖如下：i2ITWITWITF-f莎D?ADOADIADSADSAD4止DAD6AD?91712CERDWEIO/MALE8155PA0PA1PA2PA百Pi4PA衛(wèi)PA6PA

34、701234567TTEEETEEPPPPPPPP22232?23031.尊.渝TMROUTTMRINRESET8155012345cccccCppFFpP258155的引腳分類說明如下：地址/數(shù)據(jù)線ADOAD7（8條）：是低8位地址線和數(shù)據(jù)線的共用輸入總線,常和51單片機(jī)的P0口相連，用于分時傳送地址數(shù)據(jù)信息，當(dāng)ALE=1時，傳送的是地址。I/O口總線（22條）：PAOPA7、PBOPB7分別為A、B口線，用于和外設(shè)之間傳遞數(shù)據(jù)；PCOPC5為C端口線，既可與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)，也可以作為A、B口的控制聯(lián)絡(luò)線。（3）控制總線（8條）：RESET:復(fù)位線，通常與單片機(jī)的復(fù)位端相連，復(fù)位后，8155的

35、3個端口都為輸入方式。WR,RD：讀/寫線，控制8155的讀、寫操作。ALE：地址鎖存線，高電平有效。它常和單片機(jī)的ALE端相連，在ALE的下降沿將單片機(jī)P0口輸出的低8位地址信息鎖存到8155內(nèi)部的地址鎖存器中。因此，單片機(jī)的P0口和8155連接時，無需外接鎖存器。CS：片選線，低電平有效。IO/M：RAM或I/O口的選擇線。當(dāng)=0時，選中8155的256BRAM；當(dāng)=1時，選中8155片內(nèi)3個I/O端口以及命令/狀態(tài)寄存器和定時/計數(shù)器。TIMERIN、TIMEROUT：定時/計數(shù)器的脈沖輸入、輸出線。TIMERIN是脈沖輸入線，其輸入脈沖對8155內(nèi)部的14位定時/計數(shù)器減1；為輸出線，

36、當(dāng)計數(shù)器計滿回0時，8155從該線輸出脈沖或方波，波形形狀由計數(shù)器的工作方式?jīng)Q定。對于矩陣式鍵盤掃描處理一般過程如下：（1）判是否有鍵按下。判是否有鍵按下可將所有列輸出為0，輸入行值，判是否有為“0”的行，如果沒有，就表明沒有鍵按下，不需要進(jìn)行鍵盤掃描，本次掃描結(jié)束;如果有為“0”的行，繼續(xù)進(jìn)行后面的步驟。（2）鍵盤掃描求鍵值。如果有鍵按下，就需要進(jìn)行鍵盤逐列掃描，求出該按鍵的鍵序號或鍵值。（3）掃描后續(xù)列。掃描后續(xù)列主要是為了判重鍵。一般單片機(jī)系統(tǒng)不允許有重鍵輸入，要求后續(xù)列無鍵按下。（4）延時。延時主要是為了等按鍵狀態(tài)穩(wěn)定后再次輸入。（5）再次掃描鍵盤。為了去掉按鍵抖動和干擾，求鍵值，并比

37、較和在（2）中求得的鍵是否相等。如果不相等，則該鍵值無效，本次鍵盤掃描結(jié)束；如果相等，此鍵值有效。（6）等鍵釋放。可采用（1）中的方法判按鍵是否釋放。系統(tǒng)軟件程序設(shè)計數(shù)字控制系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件來實現(xiàn)的，所有的硬件也必須由軟件實施管理。單片機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件有主程序、初始化子程序、中斷服務(wù)子程序等。21.主程序設(shè)計主程序流程圖如圖2-1.1所示。在主程序中，主要完成對各個可編程芯片進(jìn)行初始化處理。和各個環(huán)節(jié)的子程序。圖2-1.1主程序的流程圖2.2PI外部中斷程序流程圖圖2-1.1中斷服務(wù)程序流程圖2.3PI控制子程序框圖為了安全起見，系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器實行限幅，當(dāng)

38、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序或電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序進(jìn)行到“轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)”或“電流調(diào)節(jié)”時，便進(jìn)入PI控制子程序（如圖2-2.1）。圖2-2.1PI控制子程序框圖結(jié)束語通過本次設(shè)計，使我對電機(jī)拖動有了進(jìn)一步的了解。通過這次設(shè)計，使我對數(shù)字電路的知識掌握得更深，知道了怎樣運用PWM波實現(xiàn)調(diào)速。同時，通過本設(shè)計大大激發(fā)了我對電子設(shè)計的興趣，相信以后的我在電子設(shè)計方面將有更大的發(fā)展。本設(shè)計由于我的能力有限使本設(shè)計處于理論階段，要完成理論到實踐的轉(zhuǎn)化，還有很長的路要走。同時本設(shè)計還存在很多問題有待解決。在今后的學(xué)習(xí)中，我會不斷的研究下去，期待該設(shè)計能更加完善。經(jīng)過一段時間的設(shè)計，本次設(shè)計完成的內(nèi)容有以下幾點：1

39、）原理圖的繪制2）系統(tǒng)方案的選擇3）主電路器件參數(shù)的計算4）控制電路芯片ADO0809進(jìn)行的A/D5）PWM調(diào)節(jié)占空比的實現(xiàn)6）轉(zhuǎn)速用數(shù)碼管顯示的程序等由于時間以及難易問題，PI調(diào)節(jié)這部分還未完成，只是有一個初步的認(rèn)識和簡單的計算，更加深度的問題需要后續(xù)繼續(xù)學(xué)習(xí)研究，才能對做到完善。致謝通過這段時間的課程設(shè)計，我覺得我學(xué)到了許多東西，不僅鞏固了以前所學(xué)的知識，而且還學(xué)到了許多在課本上不能學(xué)到的東西。在畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計過程中，遇到了許許多多的問題，這得多謝陳俊英老師的幫忙，幫我找設(shè)計文獻(xiàn)，親自幫我上課輔導(dǎo)，耐心的幫我解答疑難問題，在這里我衷心想陳老是表達(dá)感謝。同時也感謝學(xué)校給我這個鍛煉的機(jī)會，讓我

40、在找工作的同時，讓我對自己的專業(yè)知識加以鞏固，讓我找到了一份自己滿意的工作。同時我還得感謝同學(xué)們，在平時對我的幫助，如果沒有老是及大家的幫助，這次的畢業(yè)設(shè)計我是完不成的，謝謝。參考文獻(xiàn)陳伯時主編電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)（第3版）機(jī)械工業(yè)出版社2007王兆安，黃俊主編電力電子技術(shù)（第4版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社2000任彥碩主編自動控制原理機(jī)械工業(yè)出版社2006李榮生主編電氣傳動控制系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)機(jī)械工業(yè)出版社吳守箴，臧英杰編著電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社孟慶春電力拖動自動控制系統(tǒng)沈陽：東北大學(xué)出版社2005.12沈文，Eaglelee詹衛(wèi)前AVR單片機(jī)C語言開發(fā)入門指導(dǎo).200

41、3萬福君潘松峰單片微機(jī)原理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用（第二版）2004李仁定電機(jī)的微機(jī)控制機(jī)械工業(yè)出版社2004周淵深交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真中國電力出版社2007張明勛電力電子設(shè)備設(shè)計和應(yīng)用手冊北京：機(jī)械工業(yè)出版社1996丁道宏電力電子技術(shù)北京：航空工業(yè)出版社1992馬志源電力拖動控制系統(tǒng)北京：科學(xué)出版社2004彭同明單片機(jī)原理及應(yīng)用武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報2004牛津英語詞典牛津大學(xué)出版社20093.程序附錄#include#include#defineucharunsignedchar#defineKeyPadP0codeucharkey_tab17=0 xed,0 x7e,0 x7d,0

42、x7b,0 xbe,0 xbd,0 xbb,0 xde,0 xdd,0 xdb,0 x77,0 xb7,0 xee,0 xd7,0 xeb,0 xe7,0XFF;codeucharkey_show=1,2,3,0 x0a,4,5,6,0 x0b,7,8,9,0 x0e,0 x0c,0,0 x0d,0 x0f,0 xff;/鍵盤編碼charcodewela4=0 xdf,0 xef,0 xf7,0 xfb,;/位選charcodetable10=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f;/段選碼#defineV_THOOXff宏定義