I與8051單片機構成的數字化直流調速系統。根據晶閘管的特性，通過調節控制角α大小來在設計中調速系統的主電路采用了三相全控橋整流電路來供電。系統實現了電流與轉速雙閉環的恒速調節，具有結構簡單、控制精度高、成本低、易推廣等特點。extensiveapply.ThepaperstatedadigitalDCspeedcontrolsystemcomposedby3kwDCmspeedadjustabilityofthedoubleclosed-loopofelectriccuIIABSTRACT I一、設計目的及要求 11.1課程設計的目的 1.2課程設計的預備知識 1.3課程設計要求 1.4設計內容及要求 二、系統總體方案設計 22.1雙閉環直流電動機數字調速系統原理 2三、主電路設計 33.1主電路 3 43.1.2泵升電壓限制 43.2主電路參數計算和元件選擇 43.2.1整流二極管的選擇 43.2.2絕緣柵雙極晶體管的選擇 53.3調節器參數設計 53.3.1系統設計的一般原則 53.3.2電流環的參數設計 63.3.3轉速環的參數設計 3.4數字控制器PI增量式算法及程序 7四、控制回路 94.1PWM控制電路 94.2PWM功率放大驅動電路設計 五、單片機小系統設計 5.1鍵盤、顯示接口 5.2A\D轉換芯片 5.3光電編碼盤 六、調速系統的軟件設計 6．1調速系統總體設計模塊 6.2主程序、中斷子程序和定時模塊 七、課程設計心得體會 參考文獻 1一、設計目的及要求1.1課程設計的目的1.2課程設計的預備知識熟悉計算機控制技術基本知識及直流控制系統的有關知識。1.3課程設計要求完成直流電機轉速、電流控制系統設計。1.設計控制系統主機、過程通道模板電路，包括元器件選擇。出程序流程圖，設計算法程序。1.4設計內容及要求電樞回路總電阻R=2.50Ω;電磁時間常數TL=0.017s;機電時間常數TM=0.076s；電動勢系數Ce=0.1352V/r*min晶閘管裝置放大倍數Ks=53晶閘管整流電路滯后時間Ts=0.0017s2）主要技術指標：3）主要要求：直流電動機的控制電源采用晶閘管裝置，在其輸入電壓為0-5V時可以輸出0-264V電壓，為電機提供最大25A輸出電流。速度檢測采用光電編碼器（光電脈沖信號發生器且假定其輸出的A、B兩相脈沖經光電隔離辨向后獲得每轉1024個脈沖的角度分辨50A。采用雙閉環（速度環和電流環）控制方式。計算機則要求采用51內核的單片機實現控2二、系統總體方案設計2.1雙閉環直流電動機數字調速系統原理圖1雙閉環直流電動機數字PWM調速系統原理圖看，電流調節環在里面，是內環，按典型Ⅰ型系統設計；轉速調節環在外面，成為外環，按典型Ⅱ型系統設計。為了獲得良好的動、靜態品質，調節器均采用PI調節器并對系統進行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置（TA）對電流環進行檢測，轉速環則是2.2數字控制雙閉環直流調速系統硬件結構PI算法。由軟件實現轉速、電流調節系統由主電路、檢測電路、控制電路、給定電路、顯主電路：三相交流電源經不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經過直流PWM變換器檢測回路：包括電壓、電流、溫度和轉速檢測。電壓、電流和溫度檢測由A/D轉換通道變3圖2微機數字控制雙閉環直流PWM調速系統硬件結構圖三、主電路設計3.1主電路4的，采用大電容C濾波，同時兼有無功功率交換的作用。3.1.1限流電阻入限流電阻（或電抗通上電源時，先限制充電電流，再延時用開關K將短路，以免長期接入時影響整流電路的正常工作，并產生附加損耗。3.1.2泵升電壓限制當脈寬調速系統的電動機減速或停車時，儲存在電機和負載傳動部分的動能變成電能，只好對濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓”。如果要讓電容器全部吸收回容器（在容量為幾千瓦的調速系統中，電容至少要幾千微法）從而大大增加調速裝置的體積和重量時，可以采用由分流電阻R和開關管VT組成的泵升電壓限制電路，如圖4所示。3.2主電路參數計算和元件選擇裝置的計算和選擇等。3.2.1整流二極管的選擇選用2ZC系列的大功率硅整流二極管，型號和參數如下所示：額定反向峰值額定反向峰值反向平均漏電額定正向平均正向平均壓降UF(V)散熱器型號5在設計主電路時，濾波電容是根據負載的情況來選擇電容C值，使RC≥(3～5)T/2,且有Udmax=0.9×220×0.95=188(V)2×C≥1.5×0.02,即C≥15000uF故此，選用型號為CD15的鋁電解電容，其額定直流電壓為400v，標稱容量為22000uF3.2.2絕緣柵雙極晶體管的選擇最大工作電流Imax≈2Us/R=440/0.45=978(A)集電極－發射極反向擊穿電壓（BVCEO）BVCEO≥(2～3)Us=440～660v3.3調節器參數設計3.3.1系統設計的一般原則按照“先內環后外環”的設計原則，從內環開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調節器，然后把整個電流環看作是轉速調節系統中的一個環節，再設計轉速調節器圖5。直流雙閉環調速原理圖63.3.2電流環的參數設計電樞電流范圍為，A/D轉換為8位二進制數碼，電流反β=255/(141-(-141))=255/282已知晶體管PWM功率放大器的工作頻率為2kHz，工作方式為H型雙極性，直流電源電壓為264V,設定用來直接生成PWM信號的計數器的時鐘脈沖頻率為4MHz，則轉換得到的PWM信號的分辨率為1/2000，即計數值為2000時，對應的PWM信號占空比為1，PWM功率輸出電壓為200V；計數值為1000時，對應PWM信號的占空比為0.5，PWM功率放大器的輸出電壓為0V;計數值為0時，對應PWM信號占空比為0,PWM功率放大器的輸出電壓為-200V,則PWM控制信號和PWM波形生成之間的數字控制量到模擬電壓輸出量之間的增益為：==0.0297s=0.0005s=1/2000=0.0005s==0.0005=R/(β)=500*0.0297*0.45/(0.264*0.904)=28校驗近似條件脈寬調制變換器傳遞函數近似條件wci≤1/(3Ts)1/(3Ts)＝1/(3×0.00025)=666.67>500=wci小時間常數近似條件wci≤11=TsToi11=654.03>50011=TmT111=2.96<50073.3.3轉速環的參數設計速度反饋回路的滯后時間約為=1ms機電時間常數=0.427s速度環的小時間常數為=1/+=1/500+0.001=0.003s按跟隨性能和抗干擾性能要求，取中頻寬h=5，則積分時間常數為；速度調節器比例系數檢驗近似條件轉速環截止頻率Wcn＝KNTn=13333.333*0.015=200<Wci轉速環傳遞函數簡化條件Wcn≤-I=235.7Σi小時間常數近似處理條件Wcn≤KKI=235.7T代入數據計算得σn=0.35℅,能夠滿足設計要求3.4數字控制器PI增量式算法及程序PI控制算法:8則Ui=Ui-1+P(e-ei-1)+I*eiiKp=Rn/RKp=Rn/RnSETBSUBBAJMPAJMPADDR0，90HR1，80HA，R0B，R1A，B7FH，A7EH，#00H7BH，UmaxPA，R2A，R37DH，#00H;開放中斷1;積分項;比例項9ADDA，7DH；Ui-1+Pi+Pp=Ui給ACJNEA，#Ui，LOOP2；Ui〉Umax轉移MOVA,#UiCJNEA，7AH，LOOP3；Ui<Umin轉移MOVA,#UiLP1:MOVA,7BHLP2:MOVA,7AHMULAB；Pi=I*ei給AMOVR2，A；Pi給R2P：MOV6EH，#PMULABei-ei-1）*P給A四、控制回路4.1PWM控制電路PWM（脈沖寬度調制）是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，改變負載兩端的電壓，從個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達關驅動裝置”。設電機始終接通電源時，電機轉速最大為Vmax，設占空比為D=t1/T，則電機的平均速度max由上面的公式可見，當我們改變占空比D=t1/T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調速的目的。嚴格來說，平均速度Vd與占空比D并非嚴格的線性關系，但是在一般的應用中，我們可以將其近似地看成是線性關系。4.2PWM功率放大驅動電路設計該驅動電路采用了IR2110集成芯片，該集成電路具有較強的驅動能力和保護功能。產生高壓側門極驅動電壓的前提是低壓側必須有開關的動作，在高壓側截止期間低壓側必須兩片芯片所輸出的信號恰好相反。轉速是由矩形脈沖電壓的平均值來決定的。時間就為T-t1。HIN信號的占空比為D=t1/T。設電因此λ在±1之間變化。如果我們聯系改變λ,那么便可以實現電機正向的無級調速。五、單片機小系統設計5.1鍵盤、顯示接口選用8279可編程鍵盤/顯示器接口芯片。它能接收和識別來自鍵盤陣列的輸入數據并完成預單片機應用系統中得到了廣泛的應用。（2）控制和定時寄存器及定時控制部分；（4）回送緩沖器與鍵盤去抖動控制電路；（5）FIFO(先進先出)寄存器和狀態電路；（6）顯示器地址寄存器和顯示RAM.5.2A\D轉換芯片址譯碼鎖存器，輸出帶三態數據鎖存器。啟動信號為脈沖啟動形式。電路，故CLK時鐘需外部輸入，允許范圍500KHz～5.3光電編碼盤光電編碼盤是將測得的角位移轉換成為相應的電脈沖信號輸出的數字傳感器，本設計采用增量式光電編碼器來采樣轉速信號。增量式編碼器是專門了用來測量轉動角位移的累計量。這里以三相編碼器為例來介紹增量式編碼器的工作原理及其結構。出波形經過整形后變成脈沖。碼盤上有向標志，每轉一圈z相輸出一個脈沖。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還提供相位相差90°的兩路脈沖信號。將A、B兩相脈沖中任何一相輸入計編碼盤的旋轉方向可以通過D觸發器的輸出信號Q來判斷。整形后的A、B兩相輸出信號分B兩相的脈沖相位相差90°,當電機正轉時，B相脈沖超前A相脈沖90°,觸發器總是在B前B相脈沖90°,則D觸發器總是在B脈沖為低電平時觸發，這時Q輸出端輸出為低電平，由此確定電機的轉動方向。轉速檢測的精度和快速性對電機調速系統的靜、動態性能影響極大。為了在較寬的速度范它產生的測速脈沖頻率與電機轉速有固定的比列關系，微機對該頻率信號采用M/T法測速處六、調速系統的軟件設計6．1調速系統總體設計模塊為了使微機控制系統各種硬件設備能夠正常運行，有效實現各個控制環節的實時控制和管理，除了要設計合理的硬件電路，還必須要有高質量的軟件支持。因此，用匯編或其他高級語言編寫電機微機實時控制系統的應用程序，是整個系統設計中十分重要的內容。本系統采控制器。整個控制程序由主程序、外中斷服務程序、PI運算程序及各種輔助程序組成，程序總長小于4K字節，運行一遍的時間小于3.33ms。直流電機數字式雙閉環總體流程圖6.2主程序、中斷子程序和定時模塊上位計算機和其他外設通信等功能。初始化子程序——完成硬件器件工作方式的設定、系統運行參數和變量的初始化等。系統初始化系統初始化系統初始化數字測速工作方式NY鍵處理參數及變量初始