優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)精品]基于MCS-51系列單片機(jī)控制PWM的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

1摘要本文主要研究了利用MCS-51系列單片機(jī)控制PWM信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法。文章中采用了專(zhuān)門(mén)的芯片組成了PWM信號(hào)的發(fā)生系統(tǒng)，并且對(duì)PWM信號(hào)的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過(guò)軟件編程對(duì)PWM信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制其輸入信號(hào)波形等均作了詳細(xì)的闡述。此外，本文中還采用了芯片IR2112S作為直流電機(jī)正轉(zhuǎn)調(diào)速功率放大電路的驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)完成了在主電路中對(duì)直流電機(jī)的控制。另外，本系統(tǒng)中使用了光電編碼器對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)濾波電路后，將測(cè)量值送到A/D轉(zhuǎn)換器，并且最終作為反饋值輸入到單片機(jī)進(jìn)行PI運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)速度的控制。在軟件方面，文章中詳細(xì)介紹了PI運(yùn)算程序，單片機(jī)產(chǎn)生PWM波形的程序，初始化程序等的編寫(xiě)思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn)，M法數(shù)字測(cè)速及動(dòng)態(tài)LED顯示程序設(shè)計(jì)，A/D轉(zhuǎn)換程序及動(dòng)態(tài)掃描LED顯示程序和故障檢測(cè)程序及流程圖。關(guān)鍵詞：PWM信號(hào)直流調(diào)速雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)前言本文主要研究了利用MCS-51系列單片機(jī)，通過(guò)PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和2自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒(méi)有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。本文就是利用這種控制方式來(lái)改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。文章中采用了專(zhuān)門(mén)的芯片組成了PWM信號(hào)的發(fā)生系統(tǒng)，然后通過(guò)放大來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。利用編碼器測(cè)得電機(jī)速度，經(jīng)過(guò)濾波電路得到直流電壓信號(hào)，把電壓信號(hào)輸入給A/D轉(zhuǎn)換芯片最后反饋給單片機(jī)，在內(nèi)部進(jìn)行PI運(yùn)算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。第一章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)第一節(jié)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1.1.1系統(tǒng)方案選擇與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的質(zhì)量。根據(jù)電機(jī)的型號(hào)及參數(shù)選擇最優(yōu)方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運(yùn)行。本系統(tǒng)采用直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，調(diào)速范圍0-1500r/min,電流過(guò)載倍數(shù)為1.5倍，速度控制精度為0.1%（額定轉(zhuǎn)速時(shí)）。1、系統(tǒng)控制對(duì)象的確定本次設(shè)計(jì)選用直流電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)直流電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)PN=15kW、UN=440V、IN=39.3A、nN=1510r/min，電流過(guò)載倍數(shù)=1.5。電樞回路總電阻為R=Ra+Rrec=0.806，系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.76s，電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.0167s，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.270V*min/r。2、電動(dòng)機(jī)供電方案選擇3變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡(jiǎn)稱(chēng)G-M系統(tǒng)，用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流靜止可控整流器又稱(chēng)V-M系電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用PWM，用恒定直流或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。與VM系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：一、主電路線路簡(jiǎn)單，需要的功率器件少；二、開(kāi)端頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較?。喝?、低速性能好，穩(wěn)速精度該，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：10000左右；四、若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；五、功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，道通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高；六、直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流高。本設(shè)計(jì)應(yīng)脈寬調(diào)速要求，采用直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。3、晶體管PWM功率放大器方案選擇方案一單極性控制方式，這種控制方式的特點(diǎn)是在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開(kāi)關(guān)頻率互補(bǔ)開(kāi)關(guān)，保證可以得到理想的正弦輸出電壓：另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開(kāi)關(guān)損耗。但又不是固定其中一個(gè)橋臂始終為低頻(輸出基頻)，另一個(gè)橋臂始終為高頻(載波頻率)，而是每半個(gè)輸出電壓周期切換工作，即同一個(gè)橋臂在前半個(gè)周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個(gè)橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對(duì)于選用同樣的功率管時(shí)，使其使用壽命均衡，對(duì)增加可靠性有利。方案二雙極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是4個(gè)功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，雙極性控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：1）電流一定連續(xù)；2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，可以消除靜摩擦死區(qū)；44）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1：20000左右；5）低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于器件的可靠導(dǎo)。本設(shè)計(jì)選用雙極性控制的橋式可逆PWM變換器。1.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理隨著調(diào)速系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，傳統(tǒng)的采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)節(jié)，又能較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)只能滿足一般生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速要求。為了提高生產(chǎn)率，要求盡量縮短起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間，最好的辦法是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（即動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使系統(tǒng)盡最大可能加速起動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低，進(jìn)入轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)上述要求，其唯一的途徑就是采用電流負(fù)反饋控制方法，即采用速度、電流雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在電流控制回路中設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)器，專(zhuān)門(mén)用于調(diào)節(jié)電流量，從而在調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制。雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)中采用了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)現(xiàn)串級(jí)連接。圖11.1為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。圖中兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級(jí)連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的