1、目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 12系統(tǒng)方案論證 12.1 PWM控制使用在直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì) 1單片機(jī)控制使用在直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì) 13系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2單片機(jī)控制PWM1流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理 23.2 PWM技術(shù)基本原理 34調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì) 3電流環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì) 3轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì) 55系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 7主電路設(shè)計(jì) 7驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 8檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 8數(shù)字控制器設(shè)計(jì) 96調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 9主程序 10初始化子程序 10中斷服務(wù)子程序 106.4 PI算法子程序 11設(shè)計(jì)體會(huì) 13參考文獻(xiàn) 14單片機(jī)控制PWM流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)i設(shè)計(jì)任務(wù)與要求轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最為廣

2、泛的直流調(diào)速系統(tǒng)。本次設(shè) 計(jì)需要根據(jù)已知參數(shù)及性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)控制 PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使其 具備基本的運(yùn)行可能性和可操作性，具體包括主電路設(shè)計(jì)、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)、控制回路設(shè)計(jì) 以及控制程序的編寫。2系統(tǒng)方案論證PWM控制使用在直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)使用PWM控制方法，與晶閘管可控整流方法比較，性能上有以下 特點(diǎn)。1由于開(kāi)關(guān)頻率高，所以系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾性能強(qiáng)。新開(kāi)發(fā)的 MOSFET開(kāi)關(guān)頻率可到達(dá)幾十kHz,IGBT開(kāi)關(guān)頻率也可到達(dá)30kHz。并且電樞電流僅依賴 于電動(dòng)機(jī)本身的電感就能連續(xù)，不需要增加飽和電抗器，減少了電動(dòng)機(jī)損耗。2電動(dòng)機(jī)低速時(shí)電

3、流脈動(dòng)小，即轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍大，特別是雙極式 PWM變換器，最大調(diào)速比可達(dá)1 : 20 000。當(dāng)直流電源采用不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù) 比相控整流器高。3主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，MOSFET與IGBT都開(kāi)發(fā)有多種驅(qū)動(dòng)集成模塊；并且由于功率器件 工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，而使功率電路功耗小，其功率可到達(dá)90%以上。單片機(jī)控制使用在直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)基于單片機(jī)控制的數(shù)字直流調(diào)速數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)相比較有很多優(yōu)勢(shì)，主 要包括以下幾方面。1數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高、制作成本低、不受器件溫度漂移的影響。且系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、可靠性高，可以提高控制能力。2數(shù)字控制系統(tǒng)的控制軟件能夠進(jìn)行

4、邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào) 節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律。另外，數(shù)字控制系統(tǒng)擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制 PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖 1所 示。3圖1單片機(jī)控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖圖1中，UR:三相橋式整流器，ASR:轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，ACR:電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，UPW: PWM波生成電路，GD:驅(qū)動(dòng)電路，UPEW:橋式可逆電力電子變換器，A/D:模/數(shù)轉(zhuǎn)換 器，TA:霍爾電流傳感器，F(xiàn)BS:光電碼盤測(cè)速器。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流的無(wú)靜差以及轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，整個(gè)系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)速

5、、電流雙閉環(huán)的 控制結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器，從而引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 電流負(fù)反饋。兩者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用 電流調(diào)節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓，最后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)橋式可逆電力電子變換 器UPEW。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在內(nèi)部，構(gòu)成了內(nèi)環(huán)，從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú) 靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，而且電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，所以電流環(huán)按典I型系統(tǒng) 設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外部，從成了外環(huán)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差以及獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)， 所以轉(zhuǎn)速環(huán)按典U型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)環(huán)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的 給定，電流、轉(zhuǎn)速的反饋

6、量經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后也送入單片機(jī)中進(jìn)行處理，最終形成了單片機(jī) 控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。PWM技術(shù)基本原理PWM控制系統(tǒng)是通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上脈動(dòng)直流電的 占空比”來(lái)改變平均電壓的 大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電樞電壓的平均值為： Umgp Vcc, p稱為占空比，其值由固 定頻率調(diào)節(jié)脈沖寬度的方法來(lái)調(diào)節(jié)。4調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)主要采用工程設(shè)計(jì)法。按照多環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則， 采取先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)張。因此在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，首先設(shè)計(jì)電 流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。單 片機(jī)控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際

7、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示。廠1圖2單片機(jī)控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)首先將電流環(huán)從整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中取出，得到近似的電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示。圖3電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)框圖由于電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性的，而且設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量i 5%，因此可校正成典I型系統(tǒng)，所以電流調(diào)節(jié)器 ACR采用PI型的，其傳遞函數(shù)可以寫成下式：Wacr(S)K( iS 1)iS式中Ki-電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)i-電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)。對(duì)電流環(huán)作近似處理，可得出電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖，如圖4所示。*!, ld(S)Ui (s)/J 応十圖4電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖電動(dòng)機(jī)電樞電流的額定值In 18.5A,所以電樞允許

8、的最大電流Idm 1.5*18.5 27.75 A, 所以電樞電流的范圍為27.7527.75A，而A/D轉(zhuǎn)換為8位的二進(jìn)制數(shù)碼，因此得出電流反饋回路的反饋系數(shù)：255/(27.75 ( 27.75)255/55.54.6A 1因?yàn)檎麟娐凡捎玫氖侨鄻蚴秸麟娐罚哉餮b置滯后時(shí)間常數(shù)Ts為三相橋式整流電路的平均失控時(shí)間Ts 0.0017s，而電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi為：Toi 0.002s，通過(guò)小 時(shí)間常數(shù)近似處理得出電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和 T i Ts Toi 0.0037s，因此可以計(jì)算出電流 調(diào)節(jié)器各參數(shù)。電流調(diào)節(jié)器各參數(shù)計(jì)算：電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：i Ti 0.03s。電流環(huán)開(kāi)環(huán)增

9、益：要求5%，應(yīng)取KiT i 0.5，因此Ki0.5t匹 135s 10.0037s于是，ACR的比例系數(shù)為KiKi iRKs135*0.03*0.50.264*4.61.667校驗(yàn)近似條件:電流環(huán)截止頻率:ciKi135s 1PWM變換器傳遞函數(shù)近似條件ci滿足近似條件。忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件ciJ/TJi滿足近似條件。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件,1/TsToi180.8s1ci滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以到達(dá)的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為5%，滿足設(shè)計(jì)要求。前面已經(jīng)計(jì)算出了電流調(diào)節(jié)環(huán)的參數(shù)，要對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，首先計(jì)算出電流環(huán) 的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)，通過(guò)近似條件的處理可

10、以得出電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為下式。ld(s)1/U；(s)1 s/ Kl用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖3中的電流環(huán)后，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示圖5轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由前面調(diào)速系統(tǒng)的原理可知，轉(zhuǎn)速的控制是無(wú)靜差的，而且設(shè)計(jì)要求空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)速超調(diào)量n 10%，因此可校正成典u型系統(tǒng)，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR也采用PI型的，其傳遞函數(shù)可以寫成下式：Wasr(S)Kn( nS 1)式中Kn-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)n -轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)。對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)作近似處理，可得出轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖，如圖6所示。*Un (s)/ atKn( T nS+1)n(s)S2(T 刀 nS+1)圖6轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

11、各參數(shù)計(jì)算：電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：1/ Ki 2T i 0.0074s。轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：Ton 0.01s。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：T n 1/ KI Ton 0.0174s。按照跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h 5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為hT n 0.087s從而求出轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益(h 1)/(2h2T2n)396.4s最后可求出ASR的比例系數(shù)為Kn nCeTm /R 7.424檢驗(yàn)近似條件:轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率:cnKn n 34.4868s。電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為.Ki/T3.37scn滿足近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為cn/Ki /Ton38.73s滿足近似條件當(dāng)h 5時(shí)，n 37.

12、6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求，由于以上是按線性處理的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，所以應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。所以超調(diào)量為n 2(-)(z)t 卩 1.68% 10%Cbn Tm5系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)硬件電路主要包含有：以三相橋式整流器為主的主電路，PWM功率放大驅(qū)動(dòng)電路，電流、速度檢測(cè)電路以及以 51單片機(jī)為核心的數(shù)字控制器等幾個(gè)單元電路 組成，各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)如下。主回路的設(shè)計(jì)主要是：三相交流電源經(jīng)三相橋式整流變換為電壓恒定的直流電源，然 后經(jīng)過(guò)直流PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓，最后供應(yīng)直流電動(dòng)機(jī)使用。整個(gè)主回路的 構(gòu)成如下圖。其中，從圖7中可以看

13、出，采用的是電壓源型逆變器，直流環(huán)節(jié)采用大電容C1來(lái)濾波，從而使得輸出的直流電壓波形比較平直，在理想的情況下可視為內(nèi)阻為零的恒壓源。 由于電容C1的容量很大，當(dāng)突加電源后，后造成短路，從而形成比較大的充電電流，會(huì) 減少整流二極管的壽命，嚴(yán)重的可能燒毀，因此在電路中加入了限流電阻 R1,加入電源以 后為了防止限流電阻R1在運(yùn)行中造成不必要的損耗，可在限流電阻R1兩端并入延時(shí)開(kāi)關(guān) K，將其短路即可。圖7主回路電路圖從上述原理可知，產(chǎn)生高壓側(cè)燜雞驅(qū)動(dòng)電壓的前提是低壓側(cè)必須要有開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，因此本系統(tǒng)采用的是雙極性脈寬調(diào)制功率放大器。PWM驅(qū)動(dòng)原理圖如圖 8所示。因?yàn)閂T1VT4是作為開(kāi)關(guān)用的大功率晶體

14、管，只工作在截止和飽和狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)VT1、VT4導(dǎo)通，反轉(zhuǎn)則VT2、VT3導(dǎo)通。而D4、D5、D9、D10則為續(xù)流二極管，主要起到保 護(hù)作用，防止VT1VT4被反向擊穿。因?yàn)榭刂苹芈肥侨蹼姡骰芈穮s是強(qiáng)電，因此在檢測(cè)回路主要包括電流、電壓、速度的檢測(cè)，其中電流、電壓的檢測(cè)須由A/D轉(zhuǎn)換通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字量再送入單片機(jī)中進(jìn)行相應(yīng)的處理，轉(zhuǎn)速檢測(cè)直接使用數(shù)字測(cè)速。電流檢測(cè) 電路的主要組成部分包括霍爾電流傳感器TACSM100LA，A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。轉(zhuǎn) 速測(cè)量電路則由施密特整形電路以及裝在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的光電編碼盤組成，因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn) 速與電脈沖的頻率成固定的比例關(guān)系，因此將光電編碼盤輸出

15、的電脈沖經(jīng)施密特整形電路整為標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，再送入單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷，然后利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)計(jì)數(shù)器 作為計(jì)數(shù)器來(lái)不斷重復(fù)的捕捉相鄰兩次速度脈沖，最后從兩次觸發(fā)的時(shí)間差算出轉(zhuǎn)速。數(shù)字控制器設(shè)計(jì)數(shù)字控制器是整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的核心，AT89S52單片機(jī)測(cè)試數(shù)字控制器的核心。前面已 經(jīng)計(jì)算出電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)，因此可以得到兩者的傳遞函數(shù)，一次可以先按模擬系 統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后采用離散化，就可以得到數(shù)字控制器的散發(fā)，也就是模擬調(diào) 節(jié)器數(shù)字化。數(shù)字控制器采用 PI調(diào)節(jié)算法，將測(cè)得的電流、轉(zhuǎn)速的數(shù)字量送入單片機(jī)中， 通過(guò)測(cè)得的轉(zhuǎn)速與預(yù)置轉(zhuǎn)速相比得到差值，然后單片機(jī)通過(guò)對(duì)差值進(jìn)行PI運(yùn)算得出控制

16、量，再通過(guò)10 口輸出四路PWM控制信號(hào)，最終到達(dá)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖9所示。整個(gè)系統(tǒng)的總電路圖見(jiàn)附錄15VCC jtx1717prr18P31U1 Pl 0(T2)(ADQJPO DPl 1(T2EX)(ADl)Pn 1Fl,2CAD2)P0.2 Pl.3(AD3)P0.3PI 4(AP4)pn 4 Pl 5174OSDCADWO.Pl 6CMISO)(AD6)P0.5PI 7(SC：K)(An7)pn 7 PIXINTn(A8)P2.a P3 J(IbTTO)(AP)P2.1(AI0)P2 2P3.5(T1)(All)P2.3&

17、#39; P34(T0)(A12)F14CA13)P2 5' EA(VFP)(A14)P2 t5(A15JP2.7 XT AL I XTAL2VCCGND-RST(R_XD)P3 0lTXD)P3.1 P3.7(PD)ALE/PROG-P3.6(WR)PSE353221茁252丘2728VCC4D T20® Iu_圖9單片機(jī)最小系統(tǒng)6調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律是利用軟件實(shí)現(xiàn)的，所有的硬件須由軟件來(lái)實(shí)施管理，通過(guò)軟硬 件的相互結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的軟件有主程序、初始化子程序、中斷服 務(wù)子程序和pi算法子程序組成。主程序設(shè)計(jì)成循環(huán)形

18、式，將預(yù)置的轉(zhuǎn)速與實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)速相比較，得到一個(gè)差值，然 后將差值進(jìn)行PI運(yùn)算得到電流調(diào)節(jié)器的輸入值，再將輸入值與實(shí)際測(cè)得的電流值相比較， 又得到一個(gè)差值，最后將差值進(jìn)行 PI運(yùn)算得到控制值，最后利用控制值改變輸出的 PWM 信號(hào)的占空比，最終到達(dá)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。主程序框圖如圖10所示。圖10主程序框圖初始化子程序的功能主要是完成器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化 等。初始化子程序框圖如圖11所示。中斷服務(wù)子程序的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，用來(lái)完成實(shí)時(shí)性強(qiáng)的功能。例如PWM控制信號(hào)的生成、狀態(tài)檢測(cè)以及數(shù)字PI調(diào)節(jié)等。中斷服務(wù)子程序主要包括了轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序、電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序。系統(tǒng)初始化參數(shù)及變 量初始化圖11初始化子程序框圖圖12轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序后，首先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，再計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速，完成轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié), 最后啟動(dòng)轉(zhuǎn)速檢測(cè)，為下一步調(diào)節(jié)做準(zhǔn)備。中斷服務(wù)完成以后須恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，從而使得被中 斷的上一級(jí)程序正確可靠的運(yùn)行，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖如圖12所示。電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序主要完成電流 PI調(diào)節(jié)和PWM控制信號(hào)的生成功能，然后啟 動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，為下一步調(diào)節(jié)做準(zhǔn)備。中斷服務(wù)完成以后須恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，從而使得被中斷的上 一級(jí)程序正確可靠的運(yùn)行，電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程