1、基于單片機(jī)（89C51）的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)摘要：該文介紹89C51單片機(jī)在直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)方法、硬件結(jié)構(gòu)等。本系統(tǒng)采用霍爾元器件測量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，用89C51單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，用DAC0832芯片實(shí)現(xiàn)輸出模擬電壓值來控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。1前言直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算廣大器、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，而且系統(tǒng)非常不靈活、

2、調(diào)試?yán)щy，阻礙了坦洲電動(dòng)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(dòng)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)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。2.轉(zhuǎn)速的測量原理 轉(zhuǎn)速是工程上一個(gè)常用的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速常以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來表示。其單位為r/min。轉(zhuǎn)速的測量方法很多，由于轉(zhuǎn)速是以單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)來衡量的，因此采用霍爾元器件測量轉(zhuǎn)速是較為常用的一種測量方法。霍爾器件是具有半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加

3、外加磁場B，在沿l方向的兩個(gè)端面加以外電場，則有一定的電流經(jīng)過。由于電子在磁場中運(yùn)動(dòng)，所以將受到一個(gè)洛侖磁力，其大小為：fl=pVB式中“fl洛化磁力，q載流子電荷，V載流子運(yùn)動(dòng)速度，B磁感應(yīng)強(qiáng)度。這樣使電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個(gè)側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個(gè)側(cè)面間的電位差UH稱為霍爾電壓。霍爾電壓大小為：UH=RHIB/d（mV）式中：RH霍爾常數(shù)，d元件厚度，B磁感應(yīng)強(qiáng)度，I控制電流設(shè)KH= RH /d,則UN=KHIB（mV）KH為霍爾器件的靈敏系數(shù)（mV/mA/T）,它表示該霍爾元件在磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制輸出霍爾電動(dòng)勢的大小。應(yīng)注意，當(dāng)

4、電磁感應(yīng)強(qiáng)度B反向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場強(qiáng)度而變化，根據(jù)這一原理，可以將一塊永久磁鋼固定在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個(gè)霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響，故輸出脈沖信號(hào)，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。3 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 通過自制5V電源來確保工作電壓正常，由霍爾元件及外圍器件組成的測速電路將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，送至單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T1，由T1測出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與設(shè)定值比較形成偏差。根據(jù)比較結(jié)果，使DAC0832輸出控制

5、電壓增大或減小。功放電路將DAC0832輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換成具有一定輸出功率的電動(dòng)機(jī)控制電壓。4 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1、編程思路：控制系統(tǒng)程序的功能是用89C51單片機(jī)的T0、T1測出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與給定值進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，使DAC0832芯片的輸出控制電壓增大或減小。30H單元存放實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值是否相等的標(biāo)志。“1”表示相等，“0”表示不相等。40H單元存放送入DAC0832芯片的數(shù)字控制電壓。7FFFH為DAC0832地址。2、系統(tǒng)流程圖如圖3所示：5 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與施加于電動(dòng)機(jī)兩端的電壓大小有關(guān)。本系統(tǒng)用DAC0832控制輸出

6、到直流電動(dòng)機(jī)的電壓的方法來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值時(shí)，DAC0832芯片輸出電壓減小，從而使電動(dòng)機(jī)以設(shè)定的速度恒速旋轉(zhuǎn)。我們采用比例調(diào)節(jié)器算法。控制規(guī)律：Y=KP e(t)+KIe(t)dt式中：Y一比例調(diào)節(jié)器輸出，K 比例系數(shù)，K 一積 分系數(shù) e(t)一調(diào)節(jié)器的輸入，一般為偏差值。 系統(tǒng)采用了比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱 PI調(diào)節(jié)器，使 系統(tǒng)在擾動(dòng)的作用下，通過 PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)器作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到靜態(tài)無差，從而實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)無差。無靜差調(diào)速系統(tǒng)中，比例積分調(diào)節(jié)器的比例部分使動(dòng) 態(tài)響應(yīng)比較快(無滯后)，積分部分使系統(tǒng)消除靜差。6.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成  &#

7、160; 調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，圖中符號(hào)的意義分別為：ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ACR-電流調(diào)節(jié)器；TG-測速發(fā)電機(jī)；TA-電流互感器；UPE-電力電子變換器U*n；-轉(zhuǎn)速給定電壓；Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓；U*i-電流給定電壓；Ui-電流反饋電壓。7. 電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)    經(jīng)過測量計(jì)算，確定系統(tǒng)的基本參數(shù)如下：直流電動(dòng)機(jī)：Un=220V，1.16A，1500rmin，Ce=0.15，=1.3晶閘管裝置放大倍數(shù)：Ks=63.3電樞回路總電阻：R=41.14 時(shí)間常數(shù)：Tm=0.04sTL=0.028s電流反饋系數(shù)：=3.

8、3Inom=3.31.5=2.188轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=2.51500=0.0017穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：靜差率小于5，D>103.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì)7.1.1 確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)：三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s。電流濾波時(shí)間常數(shù)：    由于主回路的電流是脈動(dòng)直流，為了能取得電流的平均值，可采用多次采樣取平均值等數(shù)字濾波方法，但考慮到系統(tǒng)的CPU時(shí)序安排緊張，決定采用加硬件濾波環(huán)節(jié)的辦法，但其時(shí)間常數(shù)應(yīng)該取得小一些，取電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) 按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 7.1.2 選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 電流環(huán)按I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函

9、數(shù)為：7.1.3 計(jì)算各調(diào)節(jié)器參數(shù)： ACR超前時(shí)間常數(shù)： 。電流開環(huán)增益：按I5，應(yīng)取，因此：則ACR的比例系數(shù)為：7.1.4 校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率Wci=KI=178.57S晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件Wci13Ts現(xiàn)在，滿足近似條件。忽略反電動(dòng)勢對(duì)電流環(huán)影響的條件 現(xiàn)在，滿足近似條件。小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 現(xiàn)在， ，滿足近似條件。7.1.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容模擬式電流調(diào)節(jié)器電路如右圖：圖中： 電流給定電壓電流負(fù)反饋電壓電力電子變換器的控制電壓按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值計(jì)算如下: 取40 取0.75 取0.2按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：，滿足設(shè)計(jì)要求

10、。7.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì) 7.2.1 確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton外加轉(zhuǎn)速濾波環(huán)節(jié)，取轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)按小時(shí)間常數(shù)處理，取：7.2.2 選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)，ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為7.2.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為： 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：于是，ASR的比例系數(shù)為：7.2.4 驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：現(xiàn)在 滿足簡化條件。小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：現(xiàn)在： ，滿足近似條件。5 計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路如下圖； 圖中： 為轉(zhuǎn)速給定電壓 為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電

11、壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓 取，則 取470 取0.2 取18. 采樣周期選擇及PI控制算法8.1 采樣周期選擇    根據(jù)采樣定理，必須使采樣頻率Ws2Wmax，以便采樣后的離散信號(hào)不會(huì)失真，ws=2(1Ts)，為采樣角頻率； wmax=2fma為信號(hào)最高角頻率。按采樣定理可以確定采樣周期的上限值：TsWmax；    實(shí)際應(yīng)用中，常按一定的原則，結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)來選擇采樣周期Ts:TminTsTmax。    在一般情況下，可以令采樣周期， 或用采樣角頻率Ws(410)Wc，Wc為控制系統(tǒng)的截

12、止頻率。由雙閉環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)知：8.2 PI控制算法 當(dāng)輸入誤差函數(shù)e (t)，輸出函數(shù)是u (t)時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的傳函： ；則，u (t)和e (t)關(guān)系的時(shí)域表達(dá)式可寫成：其中，KP=KPI，為比例系數(shù)； 為積分系數(shù)。將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為：9. MATLAB仿真建模與波形分析     電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器仿真模型分別采用I型和型系統(tǒng)，所用數(shù)據(jù)為按工程方法計(jì)算的參數(shù)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)略作調(diào)整，MATLAB仿真波形如圖4所示。 從圖4中可以看出，由于負(fù)載增大，使電樞電流出現(xiàn)一個(gè)小的數(shù)值增大的波動(dòng)后，達(dá)到新的負(fù)載電流狀態(tài)的穩(wěn)定值，這個(gè)穩(wěn)定值與負(fù)載增加前相

13、比，數(shù)值變大。     由圖5和圖6得：突然給定電壓U*n時(shí)，Un很小，所以Un很大，ASR很快飽和，輸出為最大值，電樞電流線形增加，當(dāng)r>n*時(shí)，Un>U*n那么Un變極性，ASR退飽和，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋投入運(yùn)行，直到n=n*。綜上所述，起動(dòng)電流根據(jù)電機(jī)起動(dòng)波形，可以看到速度與電流之間的關(guān)系與理論情況基本相同。 10. 實(shí)驗(yàn)波形及分析(1) 電機(jī)突加最大給定時(shí)，轉(zhuǎn)速波形如圖7。由于測速發(fā)電機(jī)性能的影響，使得超調(diào)現(xiàn)象不明顯。由圖7可知，轉(zhuǎn)速起動(dòng)波形與SIMULINK仿真所得波形一致，達(dá)到了預(yù)期的效果。(2) 電樞電流波形     電樞電流波形在突加給定時(shí)，在雙閉環(huán)的作用下迅速上升，迫使電動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)，然后迅速回落直到等于負(fù)載電流。    在圖8，因?yàn)闇y速發(fā)電機(jī)性能和晶閘管驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)死區(qū)電壓的影響，使得電樞電流沒有恒流階段。但波形與SIMULINK仿真所得波形趨勢一致，達(dá)到了預(yù)期的效果。11.結(jié)論本設(shè)計(jì)為“基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)”，由單片