優(yōu)秀畢業(yè)設計精品]基于MCS-51系列單片機控制PWM的雙閉環(huán)直流調速系統設計.docVIP

1摘要本文主要研究了利用MCS-51系列單片機控制PWM信號從而實現對直流電機轉速進行控制的方法。文章中采用了專門的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系統，并且對PWM信號的原理、產生方法以及如何通過軟件編程對PWM信號占空比進行調節(jié)，從而控制其輸入信號波形等均作了詳細的闡述。此外，本文中還采用了芯片IR2112S作為直流電機正轉調速功率放大電路的驅動模塊來完成了在主電路中對直流電機的控制。另外，本系統中使用了光電編碼器對直流電機的轉速進行測量，經過濾波電路后，將測量值送到A/D轉換器，并且最終作為反饋值輸入到單片機進行PI運算，從而實現了對直流電機速度的控制。在軟件方面，文章中詳細介紹了PI運算程序，單片機產生PWM波形的程序，初始化程序等的編寫思路和具體的程序實現，M法數字測速及動態(tài)LED顯示程序設計，A/D轉換程序及動態(tài)掃描LED顯示程序和故障檢測程序及流程圖。關鍵詞：PWM信號直流調速雙閉環(huán)PI調節(jié)前言本文主要研究了利用MCS-51系列單片機，通過PWM方式控制直流電機調速的方法。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，其效果基本相同。PWM控制技術就是以該結論為理論基礎，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，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提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀80年代以前一直未能實現。直到進入上世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現和迅速發(fā)展，PWM控制技術才真正得到應用。隨著電力電子技術、微電子技術和2自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現代控制理論、非線性系統控制思想的應用，PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已經出現了多種PWM控制技術。PWM控制技術以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發(fā)展已經沒有了學科之間的界限，結合現代控制理論思想或實現無諧振軟開關技術將會成為PWM控制技術發(fā)展的主要方向之一。本文就是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實現直流電機速度的控制。文章中采用了專門的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系統，然后通過放大來驅動電機。利用編碼器測得電機速度，經過濾波電路得到直流電壓信號，把電壓信號輸入給A/D轉換芯片最后反饋給單片機，在內部進行PI運算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實現電機的調速控制。第一章系統硬件電路設計第一節(jié)系統總體設計1.1.1系統方案選擇與總體結構設計調速方案的優(yōu)劣直接關系到系統調速的質量。根據電機的型號及參數選擇最優(yōu)方案，以確保系統能夠正常，穩(wěn)定地運行。本系統采用直流雙閉環(huán)調速系統，使系統達到穩(wěn)態(tài)無靜差，調速范圍0-1500r/min,電流過載倍數為1.5倍，速度控制精度為0.1%（額定轉速時）。1、系統控制對象的確定本次設計選用直流電動機的額定參數直流電動機的額定參數PN=15kW、UN=440V、IN=39.3A、nN=1510r/min，電流過載倍數=1.5。電樞回路總電阻為R=Ra+Rrec=0.806，系統機電時間常數Tm=0.76s，電磁時間常數Tl=0.0167s，電動勢系數Ce=0.270V*min/r。2、電動機供電方案選擇3變電壓調速是直流調速系統用的主要方法，調節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉電流機組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調制變換器。旋轉變流機組簡稱G-M系統，用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。適用于調速要求不高，要求可逆運行的系統，但其設備多、體積大、費用高、效率低、維護不便。用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調直流靜止可控整流器又稱V-M系電壓。通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud，從而實現平滑調速，且控制作用快速性能好，提高系統動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調制交換器采用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制變換器產生可變的平均電壓。與VM系統相比，PWM系統在很多方面有較大的優(yōu)越性：一、主電路線路簡單，需要的功率器件少；二、開端頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小：三、低速性能好，穩(wěn)速精度該，調速范圍寬，可達1：10000左右；四、若與快速響應的電動機配合，則系統頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；五、功率開關器件工作在開關狀態(tài)，道通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率高；六、直流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流高。本設計應脈寬調速要求，采用直流PWM調速系統。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是在一個開關周期內兩只功率管以較高的開關頻率互補開關，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關損耗。但又不是固定其中一個橋臂始終為低頻(輸出基頻)，另一個橋臂始終為高頻(載波頻率)，而是每半個輸出電壓周期切換工作，即同一個橋臂在前半個周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對于選用同樣的功率管時，使其使用壽命均衡，對增加可靠性有利。方案二雙極性調制方式的特點是4個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：1）電流一定連續(xù)；2）可使電機在四象限運行；3）電機停止時有微振電流，可以消除靜摩擦死區(qū)；44）低速平穩(wěn)性好，系統的調速范圍可達1：20000左右；5）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于器件的可靠導。本設計選用雙極性控制的橋式可逆PWM變換器。1.1.2雙閉環(huán)直流調速系統電路原理隨著調速系統的不斷發(fā)展和應用，傳統的采用PI調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統既能實現轉速的無靜差調節(jié)，又能較快的動態(tài)響應只能滿足一般生產機械的調速要求。為了提高生產率，要求盡量縮短起動、制動、反轉過渡過程的時間，最好的辦法是在過渡過程中始終保持電流（即動態(tài)轉矩）為允許的最大值，使系統盡最大可能加速起動，達到穩(wěn)態(tài)轉速后，又讓電流立即降低，進入轉矩與負載相平衡的穩(wěn)態(tài)運行。要實現上述要求，其唯一的途徑就是采用電流負反饋控制方法，即采用速度、電流雙閉環(huán)的調速系統來實現。在電流控制回路中設置一個調節(jié)器，專門用于調節(jié)電流量，從而在調速系統中設置了轉速和電流兩個調節(jié)器，形成轉速、電流雙閉環(huán)調速控制。雙閉環(huán)調速控制系統中采用了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實現串級連接。圖11.1為轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統的原理圖。圖中兩個調節(jié)器ASR和ACR分別為轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器，二者串級連接，即把轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的