基于单片机直流调速系统的设计(共19页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上湖南电器职业技术学院毕业设计 课题学生专业班级时间目 录摘要.(03)关键字.(03)第一章 论绪. (04)1.1直流调速系统发展概况.(04)1.2 国内外发展概况. (04)第二章 系统设计.(6)2.1 直流电机调速原理.(6)2.2电流调节器设计. .(8)2.3转速调节器的设计.(11)2.4单片机控制的直流调速系统. .(13)第三章 结论.(16)附录.(17)参考文献.(19) 摘要近年来由于微型机的快速发展,国外交直流系统数字化已经达到实用阶段。由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高,制作成本低,且不受器件温度漂移的影响。其控制软
2、件能够进行逻辑判断和复杂运算,可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。所以微机数字控制系统在各个方面的性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛。 本文介绍的是单片机构成的数字化直流调速系统。特点是用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件设备。最后进行软件编程、调试以及计算机仿真。实时控制结果表明,本数字化直流调速系统实现了电流和转速双闭环的恒速调节,并具有结构简单,控制精度高,成本低,易推广等特点,而且各项性能指标优于模拟直流调速系统从而能够实际的应用到生产生活中,满足现代化生产的需要。关键字:单片机 双闭环直流调速系统 第一章 论绪1.1
3、直流调速系统发展概况 在现代工业中,电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中,随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长,越来越多的生产机械要求能实现自动调速。 在可调速传动系统中,按照传动电动机的类型来分,可分为两大类:直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点,但主要缺点为调速较为困难。相比之下,直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点,但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速,因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。 直流调速系统的发展得力
4、于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使 直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制,形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统,并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。 1964年A.Schonung和H.stemmle
5、r首先提出把PWM技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。进入70年代以来,体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化,把电机控制推上了一个崭新的阶段,以微处理器为核心的数字控制(简称微机数字控制)成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM常取代数模转换器(DAC)用于功率输出控制,其中,直流电机的速度控制是最常见的应用。通常PWM配合桥式驱动电路实现直流电机调速,非常简单,且调速范围大。在直流电动机的控制中,主要使用定频调宽法。 目前,电机调速控制模块主要有以下三种: (1)、采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压,从而达到调
6、速的目的; (2)、采用继电器对直流电机的开或关进行控制,通过开关的切换对电机的速度进行调整; (3)、采用由IGBT管组成的H型PWM电路。用单片机控制IGBT管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。1.2 国内外发展概况1.2.1 国内发展概况 我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来,晶闸管直流调速系统开始得到迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的 0.4200KW晶闸管直流调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产。 目前,全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发,提出了许多关于直流调速系统的控制算法: (1)、直流电动机及直流调速系统的参数辩
7、识的方法。该方法据系统或环节的输入输出特性,应用最小二乘法,即可获得系统环节的内部参数。所获得的参数具有较高的精度,方法简便易行。 (2)、直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理,针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器,取代常规的PI调节器,成功解决了转速超调问题,能使系统获得优良的动态和静态性能,而且设计方法简单,控制器容易实现。 (3)、单神经元自适应智能控制的方法。该方法针对直流传动系统的特点,提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、动态性能,而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性。 (4)、模糊控制方法。该方法对模糊控
8、制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经1.5kw电机实验证明,模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起 动和恒速运行控制,并能获得理想的控制曲线。 上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面,国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。1.2.2 国外发展概况 随着各种微处理器的出现和发展,国外对直流电机的数字控制调速系统的研究也在不断发展和完善,尤其80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现,为了提高调速系统的性能,研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究,提出了内模控制算法、I-P控制器取代PI调节器的方法、自适应和模糊P
9、ID算法等等。 目前,国外主要的电气公司,如瑞典ABB公司,德国西门子公司、AEG公司,日本三菱公司、东芝公司、美国GE公司等,均已开发出数字式直流调装置,有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。如西门子公司生产的SIMOREG-K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置,其结构紧凑,用于直流电机电枢和励磁供电,完成调速任务。设计电流范围为15A至1200A,并可通过并联SITOR可控硅单元进行扩展。根据不同的应用场合,可选择单象限或四象限运行的装置,装置本身带有参数设定单元,不需要其它任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现
10、,可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。 1.2.3 总结 随着生产技术的发展,对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求,这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。系统设计2.1 直流调速器的原理一. 什么是直流调速器? 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备,由于直流电动机具有低转速大力矩的特, 是交流电动机无法取代的,因此调节直流电动机速度的设备-直流调速器,具有广阔的应用天地。二. 直流调速工作原理 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备,上端和交流电源连接下端和直流电动机连接,直流调速器将交流电转换成
11、两路输出直流电源,一路输入直流电机励磁(定子),一路输入给直流电机电枢(转子),直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机的转速。同时直流电动机给转速器一个反馈电流,调速器根据反馈电流来判断直流电动机的转速情况,必要时修正电枢电压输出,以此来再次调节电机的转速。 三. 直流电机的调速方案 直流电机的调速方案一般有下列三种 1. 改变电枢电压;2. 改变激磁绕组电压;3. 改变电枢回路电阻。四. 直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理 在直流调速系统中,开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流,通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。在开关放大器中,常采用晶体管作为开关器件,晶体
12、管如同开关一样,总是处在接通和断开的状态。在晶体管处在接通时,其上的压降可以略去;当晶体管处在断开时,其上的压降很大,但是电流为零,所以不论晶体管导通还是关断,输出晶体管中的功耗都是很小的。一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄,这样的放大器被称为脉冲调制放大器。 PWM脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得获得所需要波形(含形状和幅值)的技术。 根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有八类方法:相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、非线性控制PWM,谐振软开关PWM、矢量控
13、制PWM、直接转矩控制PWM、空间电压矢量控制PWM。 利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制原理图及输入输出电压波形如图2-1、图2-2所示。当开关管MOSFET的栅极输入高电平时,开关管导通,直流电动机电枢绕组两端由电压。秒后,栅极输入变为低电平,开关管截止,电动机电枢两端电压为0。秒后,栅极输入重新变为高电平,开关管的动作重复前面的过程。五. 单闭环直流调速系统的组成 只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压,达到调节电动机转速的目的,称为开环调速系统。但开环直流调速系统具有局限性:(1)、通过控制可调直流电源的输入信号,可以连续调节直流电动机的电枢电压,实现
14、直流电动机的平滑无极调速,但是,在启动或大范围阶跃升速时,电枢电流可能远远超过电机额定电流,可能会损坏电动机,也会使直流可调电源因过流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。(2)、开环系统的额定速降一般都比较大,使得开环系统的调速范围D都很小,对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降,以增大调速范围。(3)、开环系统对于负载扰动是有静差的。必须采用闭环反馈控制消除扰动静差 为克服其缺点,提高系统的控制质量,必须采用带有负反馈的闭环系统,方框图如图2-3所示。在闭环系统中,把系统输出量通过检测装置(传感器)引向系统的输入端,与系统的输入量进
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