1、數字化直流電機雙閉調速系統摘 要 本文敘述了直流電動機的基本原理和調速原理，介紹了直流電動機開環和雙 閉環調速系統的組成及靜、動態特性，并且根據直流電動機的基本方程建立了調 速系統的數學模型，給出了動態結構框圖，用工程設計方法設計了直流電動機雙 閉環調速系統。最后用 MATLAB 軟件搭建了仿真模型，對調速系統進行了仿真 研究。 通過對直流電動機雙閉環調速系統動態特性的研究與仿真， 可以清楚地看到， 直流電動機雙閉環調速系統具有較好的動態特性，可以在給定調速范圍內，實現 無靜差平滑調速，這為直流電動機調速系統的硬件實驗提供了理論依據。關鍵詞：直流調速；雙閉環調速；轉速環；電流環；MATLAB

2、仿真目 錄第 1 章 緒論 . 1 第 2 章 課程設計的方案 . 22.1 概述 . 2 2.2 方案選擇 . 2 2.3 系統組成總體結構 . 4第 3 章 硬件設計 . 53.1 單片機控制器 . 5 3.2 接口電路 . 5 3.3 D/A 轉換電路 . 6 3.4 觸發電路 . 6 3.5 三相整流電路 . 7 3.6 電流檢測電路 . 7 3.7 A/D 轉換電路 . 8 3.8 轉速檢測電路 . 8 3.9 鍵盤顯示電路 . 9第 4 章 軟件設計 . 114.1 設計要求 . 11 4.2 電流環的設計 . 11 4.3 轉速環的設計 . 12 4.4 閉環動態結構框圖設計 .

3、 12 4.5 程序設計 . 13第 5 章 系統測試與分析/實驗數據及分析 . 15 第 6 章 課程設計總結 . 17 參考文獻 . 18第1章 緒論三十多年來，直流電機調速控制經歷了重大的變革。傳統的控制系統采用模 擬元件，雖在一定程度上滿足生產要求，但是因為元件容易老化，在使用中易受 外界干擾影響，并且線路復雜、通用性差，控制效果受器件性能、溫度等因素的 影響，故系統的運行可靠性及標準性得不到保證，甚至出現事故。而如今首先實 現了整流器的更新換代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發電機電動機 組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。大功率直流調速系統通 常采用三相全控橋式

4、整流電路對電動機進行供電， 從而控制電動機的轉速。 同時， 控制電路已經實現高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用，使 直流調速系統的性能指標大幅提高， 應用范圍不斷擴大。 直流調速技術不斷發展， 走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調速、高精度的電氣傳動領 域中仍然難以替代。 直流調速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉速,以滿足工作機械的要 求。 從機械特性上看,就是通過改變電動機的參數或外加電壓等方法來改變電動機 的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩 定運轉速度發生變化。直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內 平滑調速

5、，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、高層電梯等需要高性能可控電力拖 動領域應用歷史悠久。近年來，交流調速系統發展很快，然而直流拖動系統無論 在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環控制的角度來看，它又是交流拖 動控制系統的基礎，所以直流調速系統在生產生活中有著舉足輕重的作用。 雙閉環不可逆調速系統在上世紀七十年代在國外一些發達國家興起，經過數 十年的發展已經成熟，在二十一世紀已經實現了數字化與智能化。我國在直流調 速產品的研發上取得了一定的成就，但和國外相比仍有很大差距。我國自主的全 數字化直流調速裝置還沒有全面商用，產品的功能上沒有國外產品的功能強大。 而國外進口設備價格昂貴， 也給國產的全數

6、字控制直流調速裝置提供了發展空間。 目前，發達國家應用的先進電氣調速系統幾乎完全實現了數字化，雙閉環控 制系統已經普遍的應用到了各類儀器儀表， 機械重工業以及輕工業的生產過程中。 隨著全球科技日新月異的發展，雙閉環控制系統總的發展趨勢也向著控制的數字 化，智能化和網絡化發展。而在我們國內，雙閉環控制也已經經過了幾十年的發 展時期，已經基本發展成熟，目前的趨勢仍是追趕著發達國家的腳步，向著數字 化發展。隨著單片機技術的發展和應用，使得許多控制功能及算法可以采用軟件 技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，使系統的性能更優。第2章 課程設計的方案2.1 概述本次設計主要是綜合應用所學知識

7、，設計雙閉環直流調速系統，并在實踐的 基本技能方面進行一次系統的訓練，能夠較全面地鞏固和應用“微型計算機控制 系統”課程中所學的基本理論和基本方法，并初步掌握小型微機系統設計的基本 方法。 應用場合: 應用于經常頻繁調速運行的高性能調速系統，例如可逆軋鋼機和 龍門刨床等高精度工業自動化領域。 系統功能介紹：雙閉環直流調速系統是串級調速控制系統，即分別通過轉速 環和電流環協同作用來調節直流電動機的轉速，由相應的控制器連接外圍電路， 實現轉速設定、顯示和保護等功能。2.2 方案選擇方案一：單閉環直流調速系統 單閉環直流調速系統是指只有一個轉速負反饋構成的閉環控制系統。在直流 電動機上安裝一臺測速裝

8、置，引出與轉速成正比的電壓 U n 與給定轉速定電壓 U * n 比較后，得偏差電壓 U ，經 ASR 控制器進行 PID 調節，產生整流觸發裝置的 控制電壓 U k ，控制直流電動機轉速，如圖 2.1 所示。圖 2.1 單閉環直流調速系統原理圖方案二：雙閉環直流調速系統2轉速、 電流雙閉環直流調速系統原理圖如圖 2.2 所示。 電動機的轉速和電流 分別由兩個獨立的調節器控制，系統中設置了電流調節器 ACR 和轉速調節器 ASR。可見，電流調節器 ACR 和電流檢測反饋回路構成了電流環（內環） ，ACR 接收由 ASR 輸出 U * 和反饋電流電壓 U i 的偏差電壓進行調節，輸出信號控制觸發

9、 i 整流裝置；轉速調節器 ASR 和轉速檢測反饋環節構成了轉速環（外環） ，ASR 接收給定轉速電壓 U * 和轉速電壓 U n 的偏差電壓進行調節，輸出電流環的給定電 n 壓 U * 。ASR 和 ACR 均為 PI 調節器，輸入輸出均設有限幅電路，轉速調節器 i ASR 的輸出限幅電壓 U* 決定了電流給定電壓的最大值， 電流調節器 ACR 的輸出 im 限幅電壓 U cm 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 U dm 。圖 2.2 雙閉環直流調速系統原理圖方案一采用單閉環直流調速系統結構簡單，可以在保證系統穩定的前提下實 現轉速無靜差，實現平滑調速。但是反饋調節時整流電路的脈波數 m

10、= 2 ，3，6， 12， 其數目總是有限的，比直流電機每對極下換向片的數目要少得多。因此,除 非主電路電感 L = ，否則晶閘管電動機系統的電流脈動總會帶來各種影響，主 要有：(1) 脈動電流產生脈動轉矩,對生產機械不利；(2)脈動電流流入電源，對電 網不利， 同時也增加電機的發熱。 晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直流分量外， 還含有交流分量，交流分量會造成電網波動。 方案二采用雙閉環轉速電流調節方法，雖然相對成本較高，但保證了系統的 可靠性能，保證了對生產工藝的要求的滿足，既保證了穩態后速度的穩定，同時 也兼顧了啟動時啟動電流的動態過程。 在啟動過程的主要階段， 只有電流負反饋， 沒有轉速

11、負反饋，讓電流負反饋發揮主要作用，既能控制轉速，實現轉速無靜差 調節， 又能控制電流使系統在充分利用電機過載能力的條件下獲得最佳過渡過程， 很好的滿足了生產需求。而單閉環直流調速系統對于快速起制動、突加負載動態 速降小等環境就不能滿足要求，因為單閉環系統不能隨心所欲的控制電流和轉矩的動態過程。綜合考慮，本設計選擇了方案二，即雙閉環直流調速系統。2.3 系統組成總體結構 本系統主要由單片機控制器、接口電路、D/A 轉換電路、觸發電路、三相整 流電路、電流檢測電路、A/D 轉換電路、轉速檢測電路、鍵盤顯示電路和直流電 動機構成。系統由鍵盤輸入給定轉速，給定值與接口電路接收的轉速反饋信號及 電流反饋

12、信號形成偏差，由單片機控制器分別進行轉速和電流的 PID 調節，輸出 控制信號經數模轉換作為觸發整流電路的控制電壓，調節整流輸出電壓以調節直 流電動機的轉速，使轉速盡快達到給定值并實現無靜差，并實時顯示電機轉速。 系統結構圖如下圖 2.3 所示。圖 2.3 系統結構框圖第3章 硬件設計3.1 單片機控制器雙閉環直流調速系統的控制功能簡單，選擇單片機 AT89C52 作為主控制器， AT89C52 是一個低電壓、高性能的 CMOS 8 位單片機，片內 8KB Flash ROM 程 序存儲器；可尋址 64KB 的片外程序存儲器片外數據存儲器控制電路 ；2 個 16 位定/計數器；2 個外部中斷；

13、一個全雙工的異步串行口。單片機最小系統如下上 圖 3.1 所示。圖3.1 單片機最小系統電路3.2 接口電路由于外圍所接電路的信號及數據線較多，故選擇 8255A 接口電路進行拓展， 其中 8255A 接口有 PA、PB、PC 三個可編程接口，可以工作在三種方式。接口電 路與 A/D 和 D/A 轉換電路相連，接收經 A/D 轉換的反饋電流信號并送往單片機 P0 口，接收單片機控制信號送往 D/A 轉換器轉換后控制觸發整流電路。接口電 路圖如下圖 3.2 所示。圖 3.2 接口電路圖3.3 D/A 轉換電路本設計的 D/A 轉轉器采用 DAC0832， DAC0832 是采用 CMOS 工藝制

14、成的單 片直流輸出型 8 位數/模轉換器，可以工作在直通、單緩沖和雙緩沖三種方式，本 設計采用直通方式。D/A 轉換圖如下圖 3.3 所示。圖 3.3 D/A 轉換電路圖3.4 觸發電路為使線路簡單，工作可靠，裝置體積小，本設計采用 KJ004 組成的六脈沖集 成觸發電路。觸發電路根據給定的控制電壓，輸出相應的觸發脈沖信號，分別控 制三相晶閘管整流電路的晶閘管觸發端，改變導通角以實現調節直流電動機的供 電電壓。a 相觸發電路圖如下圖 3.4 所示。圖 3.4 觸發原理引腳圖3.5 三相整流電路整流電路形式為三相全控橋，而全橋電路中整流晶閘管是關鍵。針對本設計 的直流電動機，選擇型號為 KP50

15、-7 晶閘管元件。KP50-7 晶閘管工作原理圖如下 圖所示。圖 3.5 KP50-7 工作原理圖3.6 電流檢測電路電流檢測電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電壓信號，經過濾波 整流后，用于控制系統中。本設計的電流檢測電路采用 ACS712 傳感器，ACS712 串聯在整流回路中，里面的霍爾傳感器根據電流大小感應出電壓來，將電壓送往 A/D 轉換器處理，作為電流反饋信號。電流檢測電路腳圖如下圖 3.6 所示。圖 3.6 電流檢測電路圖3.7 A/D 轉換電路本設計的 A/D 轉轉器采用 ADC0809， ADC0809 是 8 位逐次逼近型 A/D 轉換 器。它由一個 8 路模擬開關、

16、一個地址鎖存譯碼器、一個 A/D 轉換器和一個三態 輸出鎖存器組成。A/D 轉換器將采集來的電流反饋信號進行數模轉換，送給單片 機的接口電路，完成信息采集。A/D 轉換電路圖如下圖 3.7 所示。圖 3.7 A/D 轉換電路圖3.8 轉速檢測電路對于要求精度高、調速范圍大的系統，往往需要采用旋轉編碼器測速，即數 字測速，測速器選擇 EPC7553。本設計的速度測量采用數值 M/T 法測速。利用 T1 作為定時器，T0 為計數器，在一定時間 Tc 內由單片機接口測取旋轉編碼器的 輸出脈沖個數 M1，又檢測同一時間間隔內高頻脈沖個數 M2，最后由轉速中斷程 序完成轉速的測量。轉速檢測電路圖如下圖

17、3.8 所示。圖 3.8 轉速檢測電路圖3.9 鍵盤顯示電路鍵盤顯示電路要完成轉速的設定以及轉速實時顯示， 本設計選取 CH451 芯片 作為鍵盤顯示驅動芯片。 CH451 是一個整合了數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制以 及P 監控的多功能外圍芯片。CH451 內置 RC 振蕩電路，可以動態驅動 8 位數 碼管或者 64 位 LED，具有 BCD 譯碼、閃爍、移位等功能；同時還可以進行 64 鍵的鍵盤掃描；CH451 通過可以級聯的串行接口與單片機等交換數據；并且提供 上電復位和看門狗等監控功能。由于端口接線少，而且控制簡單，實時刷新，可 以兼并鍵盤轉速設定和四位數碼管的轉速輸出，所以選擇 CH4

18、51 芯片。其中按鍵 K0 和 K5 用于控制電動機的啟動和停止，K1 和 K6 負責轉速千位的增減，K2 和 K7 負責轉速百位的增減，K3 和 K8 負責轉速十位的增減，K43 和 K98 負責轉速 百位的增減。 ，鍵盤顯示電路如下圖 3.9 所示。圖 3.9 鍵盤顯示電路第4章 軟件設計4.1 設計要求直流電動機設計雙閉環直流晶閘管調速系統，技術要求如下： 1. 直流電動機的額定功率 PN=10KW， 額定電壓 UN=220V， 額定電流 IN=55A， 額定轉速 n N =1000r/min，電樞電阻 Ra=0.5，電樞回路總電阻可取為 R=2Ra=1， 電樞繞組電感 La=17mH，

19、電流過載倍數 =1.5，系統總飛輪矩 GD2=10 Nm2 2. 設計要求：設計指標：調速范圍 D=10，靜差率 s 5%。 系統參數： 電動勢結構常數 C e =（220-55*0.5）/1000=0.1925 電磁時間常數 Tl =0.017/1s=0.017s， m =10*1/(375*9.55*0.1925*0.1925)=0.075s T 所選的晶閘管裝置放大系數 K s =44，觸發整流裝置滯后時間常數 Ts =0.00167s 設電流環的限幅電壓為 10V，則測速碼盤的轉速反饋系 =0.01158 V min/ r 電流檢測電路反饋系數 =0.096 V / A4.2 電流環的

20、設計1、確定時間常數 1) 整流裝置滯后時間常數 Ts ，三相橋式電路平均失控時間 Ts =0.0017s 2) 電流濾波時間常數 Toi ，三相橋式電路每個波頭的時間是 3.33ms，為了基本濾平波頭，應有（12） Toi ，因此取 Toi =2ms=0.002s。3) 電流環小時間常數之和 T，按小時間常數近似處理，取 T = Ts + Toi = 0.0037 s 2、選擇電流調節器結構 (4.1)根據設計要求靜差率 s 5%，并保證穩態電流無差，可按典型 I 系統設計電 流調節器。電流環控制對象是雙慣性的，因此可用電流型 PI 調節器。其傳遞函數 K ( s + 1) WACR ( s

21、 ) = i i (4.2) is 電流調節控制對象傳遞函數 K s / R 4.224 W1 ( s ) = = (1 + Ts s )(1 + Tl s ) (1 + 0.0017 s )(1 + 0.017 s ) 由工程整定方法可知，電流環為隨動系統，故可知 KI K W ACR ( s ) *W1 ( s ) = = s (Ts + 1) s (Ts + 1)(4.3)由整定方法知道 i = T =0.017sK I * Ts = K I *0.0017=0.5 可得 K I =294.2Ki = K IR i Ks=294.2*1*0.017/(0.096*44)=1.1791.1

22、79(0.017 s + 1) 0.017 s則電流調節器的傳遞函數為W ACR ( s ) = (4.5)4.3 轉速環的設計轉速調節器的結構選擇 PI 型，因為轉速換為外環，抗外界擾動能力比較強。 轉速環控制對象為內環的閉環傳遞函數，即慣性環節，設調節器傳遞函數為W ASR ( s ) = K n ( n s + 1) ns(4.6)其被控對象傳遞函數W2 ( s ) =R / CeTm s ( s / K I + 1) =0.01158 *1 / 0.05 0.1925 * 0.075s ( s / 294.12 + 1)(4.7) (4.8)W2 ( s) =由題可知抗擾系統的WASR

23、 (s) *W2 (s) =3.14667 s( s / 294.12 + 1)0.121Kn K = 2 2 0.144 n s (s / 294.12 + 1) s (Ts + 1) K N = 0.121K n /(0.144 n )(4.9) (4.10)由工程方法可知h=5 n =h/ K I =5/294.2=0.017sK N = (h + 1) /(2h 2 / K I2 ) K N =10386所以 K n =10386*0.017*.0144/0.121=21.08 即轉速調節器傳函為W ASR ( s ) = 21.08(0.017 s + 1) 0.017 s (4.1

24、1)4.4 閉環動態結構框圖設計雙閉環直流調速系統的轉速環在電流環之外，控制電動機的轉速，輸出作為 電流環的給定值，實現轉速無靜差。電流環控制電動機的電流，輸出整流觸發裝置的觸發電壓，可以通過調節電流快速調節轉矩，以實現快速加減速。兩個控制 器均采用 PI 調節器，雙閉環的直流調速系統動態結構框圖如下圖 4.1 所示。圖 4.2 雙閉環直流調速系統動態結構框圖4.5 程序設計雙閉環直流調速系統的程序由主程序、 中斷采樣程序和鍵盤顯示子程序構成。 中斷采樣程序主要完成電流的采樣和轉速的采樣；鍵盤顯示子程序主要完成給定 和轉速顯示；主程序主要完成電流偏差和轉速偏差的 PID 調節、輸出限幅及輸出

25、值 D/A 轉換。 4.2 為中斷采樣程序， 4.3 為鍵盤顯示子程序， 4.3 為主程序。圖 4.2 中斷采樣程序圖 4.3 鍵盤顯示子程序圖 4.3 主程序close all;clear all;clc;N=33;wc=pi/3;N1=fix(wc/(2*pi/N);N2=N-2*N1-1;A=zeros(1,N1+1),ones(1,N2),zeros(1,N1); A(N1+2)=0.3904;A(N-N1)=0.3904;theta=-pi*0:N-1*(N-1)/N;H=A.*exp(j*theta); h=real(ifft(H);v=1:

26、N;subplot(2,2,1),plot(v ,A,'k*');title('頻率樣本');ylabel('H(k)');axis(0,fix(N*1.1),-0.1,1.1);subplot(2,2,2),stem(v ,h,'k');title('脈沖響應');ylabel('h(n)');axis(0,fix(N*1.1),min(h)*1.1,max(h)*1.1);M=500;nx=1:N;w=linspace(0,pi,M);X=h*exp(-j*nx'*w

27、);subplot(2,2,3),plot(w./pi,abs(X),'k');xlabel('omega/pi');ylabel('Hd(w)');title('幅度響應');axis(0,1,-0.1,1.3);subplot(2,2,4),plot(w./pi,20*log10(abs(X),'k');title('幅度響應'),xlabel('omega/pi');ylabel('dB');axis(0,1,-80,10);第5章 系統測試與分析/實驗數據及分析雙閉環直流調速系統采用轉速環和電流環串級調節電動機轉速，在設計過程 中采用了 MATLAB 軟件仿真，仿真結果表明，雙閉環系統可以實現轉速無靜差， 并且調速性能好，能實現短時間加減速，抗外界電壓、負載干擾能力強。雙閉環 直流調速系統仿真結果如下所示，圖 5.1 為設定轉速 1000r/min 的仿真曲線，圖 5.2 為設定轉速 100r/min 的仿真曲線，并記錄相關仿真數據如下表 5.1仿真曲線數據表。圖 5.1 轉速 1000r/min 的仿真曲線圖 5.2 轉速 100r/min 的仿真曲線表