自动控制系统课程设计报告.docx

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1、自动控制系统课程设计报告 课程设计 课程自动控制系统课程设计班级 姓名 学号 目录 一、数字式直流脉宽调速系统概述 (3) 二、设计指标及计算 (3) a)电机的参数整定 (3) b)电流反馈系数和转速反馈系数. 错误！未定义书签。 c)ACR的计算 (3) d)ASR的计算 (5) 三、Simulink仿真 (7) a)ACR的仿真 (7) b)ASR的仿真 (8) 四、硬件设计 (9) a)系统总框图 (9) b)三相整流桥 (10) c)H桥驱动电路 (10) d)控制电路设计 (10) 五、软件设计 (12) a)主流程图 (12) b)按键读取程序 (12) c)12864显示程序

2、(12) d)A/D转换 (12) e)故障检测（外部中断） (13) f)PWM输出 (13) g)数字测速 (13) h)PID调节流程图 (13) 六、具体C语言程序 (14) a)主程序，包含显示、按键扫描、脉冲测速、外部中断。 (14) b)AD转换子程序 (17) c)PWM调速子程序 (18) d)PID程序 (18) 七、总结 (19) 一、 数字式直流脉宽调速系统概述 直流电动机因其可以方便地通过改变电枢电压和励磁电流实现宽范围的调速而得到广泛的应用调节电枢串联电阻来改变电枢上的电压，是最经典的直流电机调速方法，有相当部分的电能消耗在所串联电阻上，很不经济。80年代，以晶闸管

3、为功率开关器件的斩波调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广但晶闸管斩波调速器不足之处是晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现换流电容和电感增加了装置的成本，也增加了换流损耗；电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低；此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高(一般在300Hz 以下)，电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重。因此直流斩波调速呼唤快速自关断器件。于是90年代出现了以IGBT 为代表，具有自关断能力并可在高速下工作的功率器件作为开关元件的PWM 直流调速系统成为更为先进的直流调速方案2。 随着电力电子技术的

4、发展和新型电力电子器件的不断涌现，直流PWM 驱动技术近年来发展更加迅速，由其构成的调速系统也已成为现代调速系统的佼佼者，受到越来越多电气控制技术人员的重视。传统的PWM 直流传动系统常采用的主功率元件一般为功率晶体管(GTR)，随着驱动对象的日益复杂和系统性能及可靠性的逐步提高，采用场控器件- - 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的逐渐增多，这里就是采用IGBT 作为主电路的控制元件。 基于STC12C5A08S2控制的双闭环直流调速系统电路。主要由电机转速、电流检测电路；转速、电流双闭环单片机PI 数字调节器；功率调节电路；直流电机；保护电路等组成，系统硬件主要由STC12C5A08S2单片

5、机、电机驱动芯片、光电编码器、键盘、12864显示电路等构成。实现显示、命令输入、过压过流保护及软件PI 调节功能。STC12C5A08S2单片机具有丰富的软硬件资源和较强的抗干扰能力，具有四个高速输入输出口，内含A D 转换，PWM 发生器。 二、 设计指标及计算 电机的参数整定 直流电动机参数：P N =19kW ，n N =1900r/min ，U N =220V ，I N =110A ，R a =0.23，R=0.8，T l =0.02s ，T m =0.35s ，U nm =U im =U ctm =15V ，电枢电源采用直流脉宽调制电源供电，系统过载能力1.8，调速范围25，电流超

6、调量%5%i ，空载起动到额定转速时的%20%n ，转速、电流无静差。主电路电力电子器件开关频率f =2kHz 。 设Toi=0.002s ，Ton=0.01s ，Ks=50s 一.ACR 的计算 1. 确定时间常数 整流装置滞后时间常数：s 0005.01 = f T s 电流滤波时间常数： 0.002oi T s = 电流环小时间常数之和：s T T T oi s i 0025.0=+= 2. 选择电流调节器结构 根据设计要求i 5，并保证稳态电流无差，可按典型I 型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型电流调节器。查看表3-2的典型I 型系统动态抗扰性能，各项指

7、标都是可以接受的。 3. 计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数： s T l i 02.0= 电流环开环增益：要求i 5时，查相关表，应取5.0T K i =I ，此时，阻尼系数=0.707，超调量 %3.4%=i 。因此，12000025 .05.05.0-=s T K i I 于是，ACR 的比例系数为：46.014 .0508 .002.0200=?= S i I i K R K K 4. 检验近似条件： 电流环截止频率：1200-=s KI w ci （1）检验PWM 装置传递函数的近似条件ci s w s T ?=-1 7.6660005.031 31，满足近似条件。 （2）检

8、验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 ci l m W s T T ?=3.333002 .0005.01 31131，满足近似条件 5：计算调节器电阻和电容 按所用运算放大器取 R 0=40K ,各电阻和电容值计算如下： =?=K K R K R i i 4.184046.00 ,取18K F F R C i i i 11.118000 02 .0= = ,取F 1.1 F F R T C oi oi 2.01040002 .0443 0=?= ,取F 2.0 按照上述参数，电流环可达到的动态跟随性能指标为 %5%3.4=-113.940025 .0200 3 1 3 1 满足简化条件

9、（2）转速环时间常数近似处理条件cn on I w T K =1.4701 .0200 31 31 满足近似条件 5计算调节器电阻和电容 取R0=40K 则 =?=K K R K R n n 1224406.300 K 1224取 F F R C n n n 06.01000 1224075 .0?= = F 06.0取 F F R T C on on 140000 01 .0440?= F 1取 6:校核转速超调量， 当h=5时 % 20%6.37=n 不能满足设计要求，应以ASR 退饱和情况重新计算超调量 设理想空载起动时负载系数Z=0,已知 s T s T r V R n A I R n

10、 m e N dN 015.0,35.0,min/.1.0c min,/1900,110,8.08.1=，当h=5时，查表知 性的额定稳态速降为 而调速系统开环机械特%2.81/max =?b C C m n N b b b n T T n n z C C n n C C * *?-?=?=)(2)( max max 调速系统开环机械特性的额定稳态速降 min /8801 .08.0110r Ce R I n N N =?= ? min /1900r n n N =*转速为基准值，对应为额定 % 20%8.535 .0015.0190088018%2.812=?=n 满足设计要求 三、Simu

11、link仿真 a)ACR的仿真 图1 ACR电流环的s mulink仿真模型 i 图2给定电压6V的仿真结果 b)ASR的仿真 图3转速环的仿真模型 图4转速环给定电压4V空载起动波形图 图5给定电压6V 初始负载50、3秒加负载到100 四、 硬件设计 a) 系统总框图 图6 系统总框图 b)三相整流桥 整流桥就是将数个整流管封在一个壳内，构成一个完整的整流电路。当功率进一步增加或由于其他原因要求多相整流时三相整流电路就被提了出来。三相整流桥分为三相全波整流桥（全桥）和三相半波整流桥（半桥）两种。这里选用三相全波整流桥，全桥是将连接好的桥式整流电路的6个整流二极管（和一个电容器）封装在一起，

12、组成一个桥式、全波整流电路。 电路图如下： c)H桥驱动电路 d)控制电路设计 i.芯片采用STC12C5A08S2，芯片工作电压5.5V-3.3V，拥有8K的FLASH ROM用 于存储用户程序，以及1280字节的RAM，内部集成2路PWM发生器，8路 10位精度A/D转换。 ii.晶振采用12M晶振。复位电路采用上电复位及按键复位。 iii.键盘设计 键盘使用4个独立按键，占用4个单片机IO口，P1.4、P1.5、P1.6、P1.7。分别为开始停止、加速、减速、正反转。 iv.显示设计 显示采用12864液晶显示屏。使用并行数据方式与单片机进行通信。 实际连接使用P0作为并行数据端口，P2

13、.0P2.5作为控制端口。 v.反馈量的获取 首先通过运放将电压、电流、温度模拟量转化为5V以内的电压模拟量，然后直接接到单片机的A/D引脚上。这里选取单片机的P1.0、P1.1、P1.2口作为A/D 接口，分别用作电压检测、电流检测和温度检测。 电压检测采用CHV-25P霍尔电压传感器，测量电机两端的电压，然后转换成0到5V的模拟量，连接到单片机的片内AD引脚上。电流检测采用串联小电阻的方法，同样使用CHV-25P霍尔电压传感器测量电阻两端的电压值，也转换成0到5V 的模拟量，然后求出电流值。 vi.故障检测 由于没有故障检测的相关设备，这里的检测直接用外部中断来模拟。 vii.PWM输出接口 直接使用12单片机内的PCA(可编程计数器阵列)，来产生不同占空比的PWM 控制电机的速度。 viii.数字测速接口 数字测速采用光电编码器测速的方式。转速检测能直接输出整形后的脉冲，所以考虑使用单片机的定时器和计数器来完成测速。脉冲接口连接到单片机的定时器1的出入管脚。