数字化直流电机双闭环调速系统

数字化直流电机双闭调速系统

摘要本文叙述了直流电动机的基本原理和调速原理，介绍了直流电动机开环和双闭环调速系统的组成及静、动态特性，并且根据直流电动机的基本方程建立了调速系统的数学模型，给出了动态结构框图，用工程设计方法设计了直流电动机双闭环调速系统。最后用MATLAB 软件搭建了仿真模型，对调速系统进行了仿真研究。通过对直流电动机双闭环调速系统动态特性的研究与仿真，可以清楚地看到，直流电动机双闭环调速系统具有较好的动态特性，可以在给定调速范围内，实现无静差平滑调速，这为直流电动机调速系统的硬件实验提供了理论依据。

关键词：直流调速；双闭环调速；转速环；电流环；MATLAB 仿真

目录

第1 章绪论 (1)

第2 章课程设计的方案 (2)

2.1 概述 (2)

2.2 方案选择 (2)

2.3 系统组成总体结构 (4)

第3 章硬件设计 (5)

3.1 单片机控制器 (5)

3.2 接口电路 (5)

3.3 D/A 转换电路 (6)

3.4 触发电路 (6)

3.5 三相整流电路 (7)

3.6 电流检测电路 (7)

3.7 A/D 转换电路 (8)

3.8 转速检测电路 (8)

3.9 键盘显示电路 (9)

第4 章软件设计 (11)

4.1 设计要求 (11)

4.2 电流环的设计 (11)

4.3 转速环的设计 (12)

4.4 闭环动态结构框图设计 (12)

4.5 程序设计 (13)

第5 章系统测试与分析/实验数据及分析 (15)

第6 章课程设计总结 (17)

参考文献 (18)

第1章绪论

三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足生产要求，但是因为元件容易老化，在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及标准性得不到保证，甚至出现事故。而如今首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。大功率直流调速系统通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动领域应用历史悠久。近年来，

交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。双闭环不可逆调速系统在上世纪七十年代在国外一些发达国家兴起，经过数十年的发展已经成熟，在二十一世纪已经实现了数字化与智能化。我国在直流调速产品的研发上取得了一定的成就，但和国外相比仍有很大差距。我国自主的全数字化直流调速装置还没有全面商用，产品的功能上没有国外产品的功能强大。而国外进口设备价格昂贵，也给国产的全数字控制直流调速装置提供了发展空间。目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统总的发展趋势也向着控制的数字化，智能化和网络化发展。而在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，已经基本发展成熟，目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。随着单片机技术的发展和应用，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，使系统的性能更优。

第2章课程设计的方案

2.1 概述

本次设计主要是综合应用所学知识，设计双闭环直流调速系统，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练，能够较全面地巩固和应用“微型计算机控制系统”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型微机系统设计的基本方法。应用场合: 应用于经常频繁调速运行的高性能调速系统，例如可逆轧钢机和龙门刨床等高精度工业自动化领域。系统功能介绍：双闭环直流调速系统是串级调速控制系统，即分别通过转速环和电流环协同作用来调节直流电动机的转速，由相应的控制器连接外围电路，实现转速设定、显示和保护等功能。

2.2 方案选择

方案一：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在直流电动机上安装一台测速装置，引出与转速成正比的电压U n 与给定转速定电压U * n 比较后，得偏差电压U ，经ASR 控制器进行PID 调节，产生整流触发装置的控制电压U k ，控制直流电动机转速，如图2.1 所示。

图2.1 单闭环直流调速系统原理图

方案二：双闭环直流调速系统

2

转速、电流双闭环直流调速系统原理图如图2.2 所示。电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器控制，系统中设置了电流调节器ACR 和转速调节器ASR。可见，电流调节器ACR 和电流检测反馈回路构成了电流环（内环），ACR 接收由ASR 输出U * 和反馈电流电压U i 的偏差电压进行调节，输出信号控制触发i 整流装置；转速调节器ASR 和转速检测反馈环节构成了转速环（外环），ASR 接收给定转速电压U * 和转速电压U n 的偏差电压进行调节，输出电流环的给定电n 压U * 。ASR 和ACR 均为PI 调节器，输入输出均设有限幅电路，转速调节器i ASR 的输出限幅电压U* 决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR 的输出im 限幅电压U cm 限制了电力电子变换器的最大输出电压U dm 。

图2.2 双闭环直流调速系统原理图

方案一采用单闭环直流调速系统结构简单，可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差，实现平滑调速。但是反馈调节时整流电路的脉波数m = 2 ，3，6，12，其数目总是有限的，比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。因此,除非主电路电感L = ∞，否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响，主要有：(1) 脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利；(2)脉动电流流入电源，对电网不利，同时也增加电机的发热。晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外，还含有交流分量，交流分量会造成电网波动。方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。而单闭环直流调速系统对

于快速起制动、突加负载动态速降小等环境就不能满足要求，因为单闭环系统不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。综合考虑，本设计选择了方案二，即双闭环直流调速系统。

2.3 系统组成总体结构

本系统主要由单片机控制器、接口电路、D/A 转换电路、触发电路、三相整流电路、电流检测电路、A/D 转换电路、转速检测电路、键盘显示电路和直流电动机构成。系统由键盘输入给定转速，给定值与接口电路接收的转速反馈信号及电流反馈信号形成偏差，由单片机控制器分别进行转速和电流的PID 调节，输出控制信号经数模转换作为触发整流电路的控制电压，调节整流输出电压以调节直流电动机的转速，使转速尽快达到给定值并实现无静差，并实时显示电机转速。系统结构图如下图2.3 所示。

图2.3 系统结构框图

第3章硬件设计

3.1 单片机控制器

双闭环直流调速系统的控制功能简单，选择单片机AT89C52 作为主控制器，AT89C52 是一个低电压、高性能的CMOS 8 位单片机，片内8KB Flash ROM 程序存储器；可寻址64KB 的片外程序存储器片外数据存储器控制电路；2 个16 位定/计数器；2 个外部

中断；一个全双工的异步串行口。单片机最小系统如下上图3.1 所示。

图3.1 单片机最小系统电路

3.2 接口电路

由于外围所接电路的信号及数据线较多，故选择8255A 接口电路进行拓展，其中8255A 接口有PA、PB、PC 三个可编程接口，可以工作在三种方式。接口电路与A/D 和D/A 转换电路相连，接收经A/D 转换的反馈电流信号并送往单片机P0 口，接收单片机控制信号送往D/A 转换器转换后控制触发整流电路。接口电路图如下图3.2 所示。

图3.2 接口电路图

3.3 D/A 转换电路

本设计的D/A 转转器采用DAC0832，DAC0832 是采用CMOS 工艺制成的单片直流输出型8 位数/模转换器，可以工作在直通、单缓冲和双缓冲三种方式，本设计采用直通方式。D/A 转换图如下图3.3 所示。

图3.3 D/A 转换电路图

3.4 触发电路

为使线路简单，工作可靠，装置体积小，本设计采用KJ004 组成的六脉冲集成触发电路。触发电路根据给定的控制电压，输出相应的触发脉冲信号，分别控制三相晶闸管整流电路的晶闸管触发端，改变导通角以实现调节直流电动机的供电电压。a 相触发电路图如下图3.4 所示。

图3.4 触发原理引脚图