《數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計（論文）》

數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u31571第1章引言 第1章引言1.1電氣傳動技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀電驅(qū)動技術(shù)以電機控制為控制對象，以微電子器件為核心，在自動控制理論的指導下，采用電力電子電力轉(zhuǎn)換裝置作為執(zhí)行器，形成電驅(qū)動控制系統(tǒng)。分為直流電機驅(qū)動（簡稱直流驅(qū)動），交流電機驅(qū)動（簡稱交流驅(qū)動），步進電機驅(qū)動（簡稱步進驅(qū)動），伺服電機驅(qū)動（簡稱伺服驅(qū)動）等。眾所周知，與交流調(diào)速系統(tǒng)相比，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的高速調(diào)節(jié)精度，調(diào)速范圍廣，轉(zhuǎn)換裝置控制簡單，長期以來主導速度控制傳動。在需要高速調(diào)節(jié)性能的情況下，通常使用DC電驅(qū)動。目前，新的電力驅(qū)動自動化技術(shù)將電能轉(zhuǎn)換為機械能，然后控制工作機按照給定的運動規(guī)律運行，并通過電動機的控制滿足特定要求，已廣泛應用于各個領(lǐng)域。國民經(jīng)濟。在超過三個十年，直流電機驅(qū)動器已發(fā)生了重大變化。首先，整流器被替換，和晶閘管整流器取代長時間直流發(fā)電機馬達組和汞整流器裝置使一個大的飛躍直流電驅(qū)動。與此同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化，小型化，高可靠性和低成本。上述技術(shù)的應用極大地提高了DC速度控制系統(tǒng)的性能指標和應用范圍已經(jīng)不斷擴大。直流調(diào)速技術(shù)得到了不斷的發(fā)展和成熟，完善，系列化和標準化。仍然難以在可逆脈沖寬度調(diào)節(jié)和高精度電驅(qū)動器的字段來替換。隨著直流電驅(qū)動技術(shù)的研究和應用已達到較為成熟的水平，應用相當普遍，尤其是全數(shù)字直流系統(tǒng)的出現(xiàn)，提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度和可靠性。因此，在速度調(diào)節(jié)要求高的下一階段，如軋機，海上鉆井平臺等，直流調(diào)速仍處于主要位置。早期的直流驅(qū)動控制系統(tǒng)由模擬分離裝置組成。由于模擬設(shè)備具有固有的缺點，例如溫度漂移和零漂移電壓，因此組成系統(tǒng)的設(shè)備很多，這使得模擬直流驅(qū)動系統(tǒng)的控制精度和可靠性很低。。隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，直流驅(qū)動系統(tǒng)已被微型計算機廣泛應用，實現(xiàn)全數(shù)字化控制。單片機基于數(shù)字信號工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強。因此，與模擬DC速度控制系統(tǒng)相比，全數(shù)字DC速度控制的準確性和可靠性大大提高。此外，通過系統(tǒng)總線全數(shù)字控制系統(tǒng)，可與管理計算機，過程計算機和遠程電子控制裝置進行交換，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動分級控制。因此，直流驅(qū)動控制由微機完全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進入一個新的階段。1.2微機控制電機的發(fā)展和現(xiàn)狀單片機，它出現(xiàn)在20世紀70年代，隨著大規(guī)模和大規(guī)模超大規(guī)模集成電路制造工藝的飛速發(fā)展，微型計算機的性能越來越高，價格越來越便宜。此外，電力電子技術(shù)的發(fā)展，導致在高功率電子器件的性能迅速改善。因此，可以使用微型計算機來更一般地控制電動機，并完成各種新穎的和高性能的控制策略，從而使馬達的各種潛在的能力得以充分利用，從而使電動機的性能能更好的滿足使用的要求，也可以制造。各種新型電機，易于控制給電機煥然一新。較簡單的馬達微電腦控制可以打開或關(guān)閉通過使用微型計算機控制繼電器或電子開關(guān)元件被接通。在各種機床和生產(chǎn)線，具有微型計算機可編程控制器現(xiàn)在廣泛用于按照一定的規(guī)則來控制各種馬達的運動。對于復雜的電機控制，則要用微機控制電機的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等等，使電機按給定的指令準確工作。通過微機控制，可使電機的性能有很大的提高。傳統(tǒng)的直流電機和交流電機各有優(yōu)缺點，直流電機調(diào)速性能好，但帶有機械換向器，有機械磨損及換向火花等問題；交流電機，不論是異步電機還是同步電機，結(jié)構(gòu)都比直流電機簡單，工作也比直流電機可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運行時，它們的速度不能方便而經(jīng)濟地調(diào)節(jié)。目前，廣泛應用于數(shù)控機床等自動化設(shè)備的數(shù)控位置伺服系統(tǒng)。為了提高性能，在先進的數(shù)控交流伺服系統(tǒng)中，己采用高速數(shù)字化處理芯片(DIGITALSIGNALPROCESSOR，簡稱DSP)，其指令執(zhí)行速度達到每秒數(shù)百兆以上，且具有適合于矩陣運算的指令。1.3電機微機控制系統(tǒng)的特點目前，許多馬達微機控制系統(tǒng)是數(shù)字部件和模擬元件構(gòu)成的混合動力系統(tǒng)，以及全數(shù)字控制系統(tǒng)是目前的發(fā)展方向。在微計算機的控制系統(tǒng)中，通常有兩個模擬信號和數(shù)字信號；有兩個連續(xù)信號和離散的信號。由于計算機的CPU只能識別和處理數(shù)字信號，也只能對其進行處理離散，并再次，必須始終有一個采樣過程，當計算機處理外部信息。電動機微機控制系統(tǒng)必須是一個采樣的控制系統(tǒng)。電機采用微機控制，還具有以下特點：（1）硬件是相對簡單的，并且許多功能可與芯片少量完成，它是易于推廣。（2）它可以在分時操作；微型計算機可以作為多個控制器來服務(wù)多個控制回路；它也可以控制多臺電機來完成更多的功能。（3）電腦的存儲器和判斷功能。該系統(tǒng)的控制模式是由軟件來確定。如果控制律被改變，所以一般沒有必要改變系統(tǒng)的硬件。它是只需要按照新的控制律編一個新程序；在任何時候，根據(jù)電動機的不同的狀態(tài)，選擇最有利的系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制策略，等；使系統(tǒng)具有很強的靈活性和適應性。（4）計算機的運算速度快，精度高。它有豐富的邏輯判斷功能和大容量的存儲單元，因此有可能實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，如采樣參數(shù)辨識優(yōu)化控制等現(xiàn)代控制理論所提供的控制算法，以達到較高的控制質(zhì)量。（5）數(shù)字量的運算不會出現(xiàn)模擬電路中所遇到的零點漂移問題，被控量可以很大，也可以很小，都較易保證足夠的控制精度。（6）所述的信息處理能力強，并且可以完成各種數(shù)據(jù)處理，和有用的信息和指令被提供給操作員的時間。正因為有上述優(yōu)點，電機微機控制的理論及應用發(fā)展得非常迅速，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)和普及。1.4本課題在實際應用方面的意義和價值電動機速度控制系統(tǒng)采用微電腦來實現(xiàn)數(shù)字控制，這是電驅(qū)動器發(fā)展的主要方向之一。由于中期至80年代末，世界各大電力公司都在爭相開發(fā)數(shù)字調(diào)速傳動裝置。目前直流調(diào)速已發(fā)展成為一個。技術(shù)水平高；功率器件采用晶閘管；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用功率相換向和相位控制。尤其是，使用微型計算機等先進技術(shù)，數(shù)碼DC轉(zhuǎn)換器具有精度高，出色的操控性能和較強的抗干擾能力，并已在國內(nèi)外得到廣泛應用。全數(shù)字直流調(diào)速裝置已經(jīng)顯示出強大的優(yōu)勢為最新的控制水平傳輸方法。全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)連續(xù)地引入，這提供了工程應用的優(yōu)越條件。現(xiàn)階段，國內(nèi)目前還沒有自主研發(fā)的全數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)，對此系統(tǒng)的需求一直依賴于進口，所以學習和研究先進的數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)，對國內(nèi)的研究有著重要的經(jīng)濟價值。第2章相關(guān)技術(shù)介紹2.1直流電動機的調(diào)速方法（1）調(diào)整電樞電源電壓U.改變電樞電壓主要降低了從額定電壓的電樞電壓，并從電動機額定速度到恒定轉(zhuǎn)矩速度控制方法的變化。此方法最好是用于需要在一定范圍內(nèi)的速度無級平滑的系統(tǒng)。在IA變化遇到一個小的時間常數(shù)，能快速響應，但需要大容量可調(diào)直流電源。（2）改變電動機的主磁通Φ。改變磁通量可實現(xiàn)無級平穩(wěn)調(diào)速，但僅減弱用于調(diào)速的磁通量（稱為弱磁調(diào)速），并從電機額定速度調(diào)節(jié)速度，這是一種恒定的功率調(diào)速方法。If變化時間遇到的時間常數(shù)遠大于Ia變化所遇到的時間常數(shù)，響應速度慢，但所需的電源容量很小。（3）改變電樞回路電阻R.電動機電樞電路的外部串電阻器的速度調(diào)節(jié)的方法是簡單，操作方便。然而，可以僅執(zhí)行步驟級調(diào)速，速度調(diào)節(jié)平滑性差，并且機械特性是柔軟；存在當無負載，和大量的電能是在速度調(diào)節(jié)電阻器消耗幾乎沒有調(diào)速效果。有在改變電阻調(diào)速，其很少目前使用的許多缺點，并且僅在傳輸系統(tǒng)中使用，其中一些起重機，吊機和電動火車的速度調(diào)節(jié)性能不高或低速運行時間不長。弱磁調(diào)速范圍并不大，并且它往往是與電壓調(diào)節(jié)調(diào)速結(jié)合使用，并且速度在一個小范圍中的額定轉(zhuǎn)速以上增加。對于需要在一定范圍內(nèi)無級平滑的調(diào)速系統(tǒng)中，最好是調(diào)節(jié)電樞電源電壓。因此，DC速度控制系統(tǒng)的自動控制往往是電壓調(diào)節(jié)的主速度。改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：（1）旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器單元。該單元是由一個交流電機和一個直流發(fā)電機，以獲得可調(diào)節(jié)的DC電壓的。（2）靜態(tài)可控整流器。一種可調(diào)諧直流電壓由一個靜態(tài)的，可控整流器產(chǎn)生，如汞弧整流器和晶閘管整流器。（3）DC斬波器或脈沖寬度調(diào)制的轉(zhuǎn)換器。動力由恒定直流電源或不受控的整流電源，使用DC斬波或脈沖寬度調(diào)制產(chǎn)生的可調(diào)DC平均電壓。2.2PWM的相關(guān)介紹脈沖寬度調(diào)制的全名：脈寬調(diào)制器被稱為PWM，由于其特殊的性能，往往在直流負載循環(huán)，燈調(diào)光或直流電動機調(diào)速用，HW-1020調(diào)速器，是用脈沖寬度調(diào)制的馬達由（PWM）的原理制成調(diào)速器和調(diào)速器PWM已廣泛應用于工業(yè)直流電動機的速度調(diào)節(jié)，工業(yè)輸送速度調(diào)節(jié)，照明和照明調(diào)整，計算機電源冷卻，直流風扇等自全控制電力電子器件問世以來，出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方法，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電機速度控制系統(tǒng)，稱為直流脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)制。速度系統(tǒng)。與VM系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面具有很大的優(yōu)勢：主電路簡單，需要較少的電力電子設(shè)備；開關(guān)頻率高，電流連續(xù)容易，諧波少，電機損耗小，發(fā)熱少；低速性能，高速精度，寬速度范圍，高達1：10000；如果結(jié)合快速響應電機，系統(tǒng)頻率帶寬，動態(tài)響應，動態(tài)抗干擾能力；電力電子開關(guān)裝置工作在開關(guān)??狀態(tài)下，傳導損耗小。當開關(guān)頻率合適時，開關(guān)損耗不大，因此器件效率高；當直流電源采用非控制整流時，電網(wǎng)的功率因數(shù)高于相控整流器的功率因數(shù)。因此，PWM速度控制系統(tǒng)的應用日益廣泛，特別是在中小容量高動態(tài)性能系統(tǒng)中，它已經(jīng)完全取代了V-M系統(tǒng)。第3章雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)簡介系統(tǒng)采用8位單片機89C52作為主控制器，設(shè)計了全數(shù)字脈寬調(diào)制（PWM）裝置和速度測量裝置，實現(xiàn)了全數(shù)字雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用高分辨率數(shù)字觸發(fā)器和高精度數(shù)字速度測量設(shè)備。系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。內(nèi)環(huán)是電流反饋和控制環(huán)路。外圈是電機速度反饋和控制回路。內(nèi)圈和外圈由89C52微機軟件調(diào)整，完成數(shù)字PI控制規(guī)律。圖3.1微機控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如可從圖3.1中可以看出，系統(tǒng)中兩個穩(wěn)壓器的速度和電流設(shè)置不會將它們的輸出加在一起作為PWM調(diào)制器控制電壓的單回路系統(tǒng)，但兩個穩(wěn)壓器是級聯(lián)的也就是說，速度調(diào)節(jié)器的輸出用作電流調(diào)節(jié)器的輸入，并且電流調(diào)節(jié)器的輸出用作PWM信號發(fā)生器的控制電壓。從閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)來看，電流調(diào)節(jié)器是內(nèi)部的，內(nèi)圈：速度調(diào)節(jié)器在外部并成為外圈：這形成了一個用于速度和電流的雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng)。為了獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能，兩個調(diào)節(jié)器通常都使用PI調(diào)節(jié)器。在這種雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器配置中，可以將電流適當?shù)貞糜谪摲答?，并且將速度降低到負反饋。由于靜態(tài)特性，單電流負反饋傾向于軟化靜態(tài)特性，但也存在包裹的速度反饋回路。如果速度調(diào)節(jié)器未飽和，則靜態(tài)特性是由電流負反饋引起的。速度調(diào)節(jié)器完全消除它，速度調(diào)節(jié)器使用PI調(diào)節(jié)器，使整個系統(tǒng)成為靜態(tài)控制系統(tǒng)，無靜電。從動態(tài)響應過程中，速度調(diào)節(jié)器在設(shè)定速度或啟動過程中迅速達到飽和狀態(tài)。此時，電流回路不起作用，系統(tǒng)成為恒流系統(tǒng)，如果速度偏差很大，則實現(xiàn)最短時間控制。在速度過度調(diào)節(jié)之后，速度PI起作用并且速度逐漸穩(wěn)定。以這種方式配置的雙閉環(huán)系統(tǒng)在“突然”瞬態(tài)過程期間呈現(xiàn)恒定電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并且在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)下表現(xiàn)出良好的動態(tài)質(zhì)量。除了高分辨率數(shù)字觸發(fā)器和高精度數(shù)字速度測量設(shè)備外，微電腦控制系統(tǒng)可以更好地滿足高性能工業(yè)傳動的要求。3.2雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計在該設(shè)計中，系統(tǒng)的主電路是晶閘管的三相不可控整流橋，其中整流的AC被轉(zhuǎn)換成DC并通過濾波器提供給DC電動機。直流電機額定功率185W，額定電壓220V，額定電流1.1A，額定勵磁電壓220V，額定勵磁電流小于0.16A，額定轉(zhuǎn)速1600R/min。檢測到的轉(zhuǎn)速的采樣數(shù)字轉(zhuǎn)速，即由微型計算機輸出并輸出到電動機的光電編碼器的脈沖數(shù)的值，以及通過微機計算得到的轉(zhuǎn)速。為了提高微機的運算速度，89C52微電腦采用12MHz的晶振頻率。整個系統(tǒng)的硬件原理（見附錄）。系統(tǒng)中每個硬件的功能和功能，會在下文做簡單介紹。3.3主要芯片的選擇3.3.1單片機的選擇在詳細的系統(tǒng)分析、實用性、經(jīng)濟性分析的基礎(chǔ)上，選用了MCS-51系列的89C52單片機，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3.2所示。圖3.2MCS-51單片機結(jié)構(gòu)框圖其主要特點是：.一個8位CPU；.128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器；.21個特殊功能寄存器；.4個8位并行I/0口，其中p0、p1為地址/數(shù)據(jù)線，可尋址64KBROM和64KBRAM；.一個可編程全雙工串行口；.具有5個中斷源，兩個優(yōu)先級；.兩個16位定時器；.一個片內(nèi)振蕩器/計數(shù)器；.一個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。3.3.28253可編程定時器/計數(shù)器芯片51單片機內(nèi)部只有兩個16位定時器/計數(shù)器。數(shù)字速度測量電路需要一個計數(shù)器，并選擇一個可擴展的8253芯片。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。圖3.38253邏輯結(jié)構(gòu)3.3.38279可編程鍵盤、顯示接口芯片8279芯片有40條引腳，由單一+5V供電。主要由以下幾個部分組成：(1)I/0控制和數(shù)據(jù)緩沖器；(2)控制和定時寄存器及定時控制部分；(3)掃描計數(shù)器；(4)回送緩沖器與鍵盤去抖動控制電路；(5)FIFO(先進先出)寄存器和狀態(tài)電路；(6)顯示器地址寄存器和顯示RAM。DB0~DB7：雙向數(shù)據(jù)總線。A0：命令狀態(tài)或數(shù)據(jù)選擇線。A0=1，表示從DB0~DB7線上傳送的是命令或狀態(tài)字：A0=0表示位數(shù)據(jù)。，為讀、寫信號線。IRQ：中斷請求線。SL0~SL7：掃描線。它可以執(zhí)行解碼掃描或代碼掃描，它需要使用4/16解碼器。RL0~RL7：回送線。有一個上拉電阻器的內(nèi)部，并從該品系獲得的鍵盤的回掃信號。OUTA0~OUTA3、OUTB0~OUTB3：顯示器刷新寄存器輸出，與掃描線同步。3.3.4A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809ADC0809是一個8位的逐次逼近A/d轉(zhuǎn)換器。帶有8個模擬輸入通道，有一個信道地址譯碼鎖存，并輸出具有三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器。啟動信號是在一個脈沖開始的形式。ADC0809的具有時鐘電路內(nèi)，所以CLK時鐘需要外部輸入。在FCLK允許從500kHz至1MHz的范圍內(nèi)，并且典型值為選擇640kHz。每個信道的轉(zhuǎn)換需要66-73個脈沖，大約100?110us。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示于圖3.4。圖3.4ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.4高精度數(shù)字測速電路速度檢測的準確性和快速性對電機調(diào)速控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能有很大影響。為了獲得在一個寬的速度范圍內(nèi)具有高精確度和快速的數(shù)字速度測量，這樣的設(shè)計使用具有每轉(zhuǎn)1024線作為速度傳感器的光電編碼器。所生成的速度脈沖頻率具有與電動機速度的固定的比例關(guān)系。的頻率信號是由M/T方法進行處理。3.4.1M/T法測速原理M/T法測速原理是在對光電編碼器輸出的測速脈沖數(shù)m1進行計數(shù)的同時，對時鐘脈沖的個數(shù)m2也進行計數(shù)。圖3.5M/T法測速原理圖速度測量時間Td由速度測量脈沖同步，即，圖3.7的硬件電路的Td等于整個m1脈沖周期。讓我們從圖3.5中的點a開始，計數(shù)器分別計數(shù)ml和m2，到達點b，估計速度測量時間Tc為up，微機發(fā)送停止計數(shù)命令，但因為Tc不一定等于整數(shù)來自輸出脈沖周期的代碼，計數(shù)器仍然計數(shù)時鐘脈沖。從時間點c開始，下一個速度脈沖上升沿（即，點c）以觸發(fā)數(shù)字速度測量硬件電路以停止時間計數(shù)器。因此，m2表示m1速度脈沖周期的時間。設(shè)時鐘頻率為f0，每次光電編碼器轉(zhuǎn)發(fā)P脈沖時，計算電機轉(zhuǎn)速的公式為：r/min（3.1）在本系統(tǒng)中，由于選用f0=2MHz，P=1024=，所以轉(zhuǎn)速計算公式有：r/min（3.2）為了在低速測量時能使測速器在相當短的Td時間內(nèi)任能包含較多個測速脈沖的高精度測速值，除了盡可能選擇較大P值的光電編碼器外，還可以利用光電編碼器輸出的相位上互差90的兩路矩形脈沖信號經(jīng)過4信頻電路后再送入計數(shù)器。這樣，轉(zhuǎn)速n的計算式應改為：r/min（3.3）3.4.2數(shù)字測速硬件電路數(shù)字速度測量硬件電路如圖3.6所示。8253的0和1計數(shù)器分別計數(shù)ml和m2，D觸發(fā)器F1用于使m2的計數(shù)與速度脈沖計數(shù)同步。由于8253是下降沿計數(shù)，變頻器G用于啟動速度測量和停止速度測量信號，89C52MCU的軟件輸出到P1.2端口，P1.3端口用于速度測量電路軟件輸出復位脈沖信號。圖3.6M/T法數(shù)字測速硬件電路為了實現(xiàn)ml和m2的同步計數(shù)，8253的計數(shù)器0和1在模式2下工作。在上電初始化進入該模式后，可以使用GATE級別監(jiān)視計數(shù)過程。當89C52MCU向P1輸出高電平時。在圖3.5的時間點s2端口，發(fā)出啟動速度測量信號，即GATE0設(shè)置為高電平，0速脈沖計數(shù)器立即從初始值開始計數(shù)，直到顯示為圖3.5。此時，低電平輸出到P1.2端口，即發(fā)出停止速度測量信號，迫使計數(shù)過程停止。因此，從速度起始點s到停止點b時間間隔，GATE0為高電平，則輸入到8253CLK端口的速度測量脈沖計數(shù)值為m1。在圖3.6中，時鐘計數(shù)器的GATE1連接到D觸發(fā)器輸出的Q端子。當P1.2端口輸出高電平以開始速度測量時，必須等待第一輸入速度檢測脈沖的上升沿進入D觸發(fā)器的觸發(fā)脈沖CP端，并且Q變?yōu)閍高電平，之后2MHz時鐘脈沖開始計數(shù)。這相當于圖3.5中的a點。類似地，當P1.2端口輸出低電平以停止速度測量時，時鐘脈沖將等到圖中的點c停止計數(shù)。此時，時鐘的計數(shù)值m2只是整個m1速度測量脈沖的時間間隔。3.5鍵盤/顯示接口圖4-7示出了8279在該圖的界面的方法，所述89C52被連接到一個88鍵盤和一個16位數(shù)字顯示。的8279的數(shù)據(jù)總線連接到的89C52的PO端口。8279鍵盤部分提供了與鑰匙鎖或N-鍵游模式64鍵的鍵盤矩陣。SL0~SL2選擇線由外部3-8譯碼器（74LS138）。列值從RL0~RL7進入8279，和這8條回線的信號由8279緩沖器中緩沖。如果一個鍵被按下時，所述陣列中的密鑰的地址，以及移位鍵（SHIFT）和控制鍵（CNTL）的狀態(tài)下，被饋送到FIFO8279的RAM中。該FIFO內(nèi)存可以存儲多達8個字符。當檢測到鍵被按壓，8279中斷請求變?yōu)楦唠娖?。同時，該IFO狀態(tài)字的變化，以反映存入FIFO中的字符數(shù)。A0~A3和B0~B3分別為段控制輸出（高電平有效），并且外部驅(qū)動器連接到所述LED的每個段。對于一個7段LED，A3為最高位和B0是最低位。SL0?SL3是位置控制輸出。由解碼器被驅(qū)動后，LED可控制16位的顯示。掃描速度是由內(nèi)部計時器測定。為了方便操作，滿足人們的使用習慣，8279采用傳感器陣列的操作為鍵盤輸入接口和撥號。更改系統(tǒng)使用的2x8陣列，各自是鍵的功能設(shè)置如下：0鍵：空密鑰；1鍵：確認鍵；第二項：顯示切換鍵；3~7項：加速度設(shè)定鍵；第八項：停車鍵；11~15項：減速設(shè)定鍵另一個是備用鍵。圖3.789C52與8279接口連接框圖3.6全數(shù)字PWM調(diào)制器在晶體管功率放大和電源電路中，脈沖寬度調(diào)制由于其低功耗和高效率而被廣泛使用。由模擬電路組成的PWM調(diào)制器通常由三角波（或鋸齒波）發(fā)生器和比較器組成，當控制信號是模擬信號時，它適用。目前，計算機控制正在逐步取代傳統(tǒng)的模擬控制，而用于后期控制的單片機如80C552通常在芯片上集成了一個PWM調(diào)制器。功能使用上述模擬PWM調(diào)制器時，可以與調(diào)制器連接，因為需要通過D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，這不僅不方便，通常需要零調(diào)整。根據(jù)控制系統(tǒng)的特點，我設(shè)計了一個數(shù)字PWM調(diào)制器，可以直接連接到計算機的輸出端口。該電路簡單，易于制造，成本低，無需調(diào)整，非常適合微電腦控制。這很合適。PWM調(diào)制器工作在高達100KHz，零輸出和滿載輸出。圖3.8全數(shù)字PWM調(diào)制器原理圖圖3.9PWM調(diào)制器波形圖現(xiàn)在的仿真實驗上的所有數(shù)字PWM調(diào)制器進行。這是圖3.10所示的PWM調(diào)制器輸出的模擬PWM信號，其正波形是一個周期中的恰好一個季度，在與實際相符。圖3.10全數(shù)字式PWM調(diào)制器仿真PWM信號3.7泵升電壓限制電路當脈沖寬度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電動機減速或停止時，存儲在電動機和負載傳遞部分中的動能將變?yōu)殡娔懿⑼ㄟ^PWM變換器反饋到DC電源。通常，DC電源由不可控制的整流器供電。不可能反饋電源，并且濾波電容器被充電以升高電源電壓，這被稱為"泵升電壓"。如果電容器要吸收所有反饋能量，則需要大量電容，或迫使泵升高電壓并損壞元件。不希望使用大量電容器（在容量為幾千瓦的速度控制系統(tǒng)中，電容必須至少為幾千微法），以大大增加調(diào)速器的尺寸和重量，以及分流電阻器Rpar，可以使用開關(guān)VTpar。泵浦電壓限制電路的組成如圖3.11所示。圖3.11泵升電壓限制電路當濾波電容器C的端電壓超過泵上升電壓的允許值時，VTpar導通，并且分流電路連接以消耗分流電阻器中的一部分反饋能量。對于較大的電力系統(tǒng)，為了提高效率，逆變器可以連接到分流電路以將一些能量返回到電網(wǎng)。電路如圖3.12所示。圖3.12泵升電壓限制能量回饋電路3.8本章小結(jié)本章詳細介紹了89C52單片機作為主控制器，脈寬調(diào)制觸發(fā)和速度測量與控制，實現(xiàn)全數(shù)字雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)，采用高分辨率數(shù)字觸發(fā)，高-精密數(shù)字速度測量裝置和高性能數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器，電流和速度反饋控制回路的控制器由微機實現(xiàn)，數(shù)字控制操作按照PI控制規(guī)律完成。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新穎，獨具匠心，與組件集成度高。它是一種新的全數(shù)字速度控制系統(tǒng)，其靜態(tài)和動態(tài)性能指標高于傳統(tǒng)的速度控制系統(tǒng)。為了防止系統(tǒng)受到電網(wǎng)電壓波動和頻率波動的影響并隔離來自電力線的傳導干擾，在電路中實現(xiàn)光隔離。為了使脈沖寬度速度控制系統(tǒng)的電動機減速或停止，由電動機和負載傳遞部分中存儲的能量產(chǎn)生的“泵電壓”使系統(tǒng)無法工作或損壞元件，以及泵浦電壓限制電路的設(shè)計使系統(tǒng)可靠性大大提高。第4章調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計為了使微機控制系統(tǒng)的各種硬件設(shè)備正常運行，有效地實現(xiàn)各控制鏈路的實時控制和管理，除了設(shè)計合理的硬件電路外，還需要高質(zhì)量的軟件支持。因此，在整個系統(tǒng)的設(shè)計中，電機微機的實時控制系統(tǒng)在裝配或其他高級語言中的應用是非常重要的。該系統(tǒng)用89C52單片機代替直流電機雙回路速度控制裝置中的電流和速度控制器。整個控制程序包括主程序，外部中斷服務(wù)程序，PI操作程序和各種輔助程序。程序總長度小于4K字節(jié)，運行時間小于3.33ms。4.1主程序設(shè)計圖4.1電機控制系統(tǒng)總體邏輯功能流程圖主程序，中斷程序和子程序是分開的。軟件根據(jù)實時要求分為兩類：一類是執(zhí)行軟件，具有較強的實時性，強調(diào)算法的效率，與硬件協(xié)作有關(guān)（如外部中斷應用），定時/計數(shù)器外部啟動，A/D或D/A轉(zhuǎn)換開始等）。例如，系統(tǒng)設(shè)計的定時系統(tǒng)，采樣測量，控制計算，控制輸出和其他執(zhí)行程序通常與硬件中的中斷觸發(fā)電路配合。這些執(zhí)行軟件通常構(gòu)成響應中斷服務(wù)和子程序調(diào)用。另一種類型是監(jiān)視（管理）軟件，它起組織和調(diào)度的作用，用于協(xié)調(diào)每個執(zhí)行模塊和操作員之間的關(guān)系。這些程序?qū)崟r性能要求較低，主要考慮整體協(xié)調(diào)，需要嚴格的邏輯，并盡量使操作員易于使用。監(jiān)控程序通常稱為后臺程序，一般是指軟件中的主程序及其調(diào)用的子程序，如系統(tǒng)上電初始化程序，鍵盤掃描程序，顯示程序，打印程序，也沒有配合硬件定時。執(zhí)行程序短，在執(zhí)行軟件（前臺）和監(jiān)視（后臺）軟件之間切換，通常是通過中斷和中斷返回。對于電機的微機控制系統(tǒng)，由于軟件的容量往往不是很大，主程序的主要功能是：上電初始化，設(shè)置堆棧指針，89C52和主芯片初始化，查詢傳感器狀態(tài)并根據(jù)找到的命令鍵設(shè)置相應的控制命令標志。檢測警報并等待外部中斷。系統(tǒng)軟件設(shè)計使用流程圖設(shè)計方法。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4.2及以下所示。圖4.2系統(tǒng)程序流程圖4.2數(shù)字電流調(diào)節(jié)器和數(shù)字轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的算法及軟件實現(xiàn)因為，系統(tǒng)采用計算機控制實現(xiàn)直流調(diào)速控制。最初由硬件完成的許多工作現(xiàn)在通過程序?qū)崿F(xiàn)。例如，在該系統(tǒng)中使用雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng)中的電流和速度鏈路的比例積分調(diào)整過程。實現(xiàn)這兩個環(huán)節(jié)的控制非常重要，對于大多數(shù)控制對象，基本都可以獲得令人滿意的控制效果。因此，人們經(jīng)常采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)算法，并根據(jù)經(jīng)驗和實驗在線調(diào)整參數(shù)，這種方法非常的靈活。隨著微機控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字PID算法可以很容易地校正，并且比模擬PID調(diào)節(jié)器的性能更完整。我們可以將離散（數(shù)值）型控制的近似計算公式得出：（4.1）式中ui第i個采樣時刻的輸出值；ei第i個采樣時刻的系統(tǒng)輸出偏差，也即PID調(diào)節(jié)器的輸入值；ei-1第i-1個采樣時刻的系統(tǒng)輸出偏差；u0開始進行PID控制時原始的控制值。在實際的電動機控制系統(tǒng)，所述控制量的輸出值u由組件或致動器的性能約束（如電源限制，放大器飽和度等）的限制，被限定在有限的范圍內(nèi)[UMAX，UMIN]即：（4.2）如果微型計算機通過由PID算法中得到的控制變量。在上述范圍內(nèi)，PID控制可以實現(xiàn)期望的效果。一旦超過上述范圍時，實際執(zhí)行的控制的量已不再是一個計算值，從而引起不期望的效果，其通常被稱為飽和效應。這種類型的現(xiàn)象特別容易發(fā)生當電機啟動，停止發(fā)生，并且當負載或設(shè)定點是突然的。在這里分析一下這類積分飽和作用對PID控制帶來的影響及其抑制。如果給定值ω突然從0變?yōu)棣?，則引起偏差的步驟，并且通過等式（5-1）中所示的PID算法計算控制量。如果超出范圍，則實際控制量只能取上限umax而不是計算值。此時，雖然系統(tǒng)輸出仍在上升，但由于控制量有限，其增長速度比沒有限制時慢，偏差e在正常時間內(nèi)保持較長時間，和公式（5-1）積分項具有較大的累積值。當輸出y超過給定值ω1時，開始出現(xiàn)負偏差，但由于積分項的累加值已經(jīng)很大，控制量u離開飽和區(qū)域需要相當長的一段時間，這將是使系統(tǒng)顯得明顯。過沖。這種飽和是由積分項引起的，因此稱為積分飽和。在實際的速度控制系統(tǒng)中，電樞電流具有執(zhí)行速度控制時的上限，所以有一個恒定的電流（電流上限）加速度下一個大的輸入信號，這需要的速度控制操作的非線性問題。特征。為了實現(xiàn)快速，無超調(diào)，無靜態(tài)調(diào)速性能，許多算法或控制策略，提出了在速度控制。公共控制思想是大信號輸入的恒定電流加速過程從穩(wěn)定運行分離。積分分離PID算法被采用，即，PID算法時使用的速度之間給出Ug的n和差EI轉(zhuǎn)速反饋úFN小于一定值ε，并且當ei為大于或等于到ε，不再執(zhí)行積分操作，和在旋轉(zhuǎn)速度的飽和度的過沖被減小。為了克服積分飽和效應，該設(shè)計使用校正算法進行積分分離。該方法的本質(zhì)是：當設(shè)定值與控制量之間產(chǎn)生的偏差較大時，我們可以取消積分作用以避免積分飽和同時保證系統(tǒng)穩(wěn)定。當受控量與設(shè)定值比較接近時，添加積分作用以消除靜態(tài)差異。該方法在開始時不整合并累積積分直到偏差的絕對值|e|小于預定閾值。以這種方式，一方面，它在開始時防止過度控制，另一方面，即使發(fā)生飽和，也可以快速地退出積分的積分值，并且可以減少系統(tǒng)超量。圖5-3積分分離法的速度PI調(diào)節(jié)器算法流程圖速度PI調(diào)節(jié)器子程序：charvPID(unsignedcharr，unsignedchary)/*速度PID，r為給定量，y為反饋量*/{staticsignedcharek_1，k，ui_1，Ii；//定義靜態(tài)變量ek_1暫存上次//e(k-1)值，k用計算}Σekautosignedcharek，u_i；ek=r-y；//計算eku_i=Kp*ek+Kd*(ek-ek_1)；if(abs(ek)<=VPRE){Ii=Ki*k；//計算積分項u_i=Kp*ek+Ki*k+Kd*(ek-ek_1)；}else{u_i=Kp*ek+Ki*k+Kd*(ek-ek_1)；}if(u_i>uMAX){u_i=uMAX；}elseif(u_i<=uMIN){u_i=uMIN；}returnu_i；}電流PI調(diào)節(jié)器子程序：chariPI(unsignedcharr，unsignedchary)/*速度PID，r為給定量，y為反饋量*/{staticsignedcharek_1，k，Ii；//定義靜態(tài)變量ek_1暫存上次//e(k-1)值，k用計算}Σekautosignedcharek，i_i；ek=r-y；//計算eki_i=IKp*ek+IKd*(ek-ek_1)；if(abs(ek)<=VPRE){Ii=IKi*k；//計算積分項i_i=IKp*ek+IKi*k+IKd*(ek-ek_1)；}else{i_i=IKp*ek+IKi*k+IKd*(ek-ek_1)；}if(i_i>iMAX){i_i=iMAX；}elseif(i_i<=iMIN){i_i=iMIN；}returni_i：}第5章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真5.1系統(tǒng)的數(shù)學建模上述設(shè)計的速度控制系統(tǒng)被手動選擇的參數(shù)?；緟?shù)如下：直流電動機，220V，120A，1000R/分鐘，過載容許多個λ=1.4；晶閘管放大率ks=30；總電樞回路電阻R=0.4Ω；時間常數(shù)T=0.023s，TM=0.2S，速度濾波器鏈路的時間常數(shù)Ton表示0.01S。整體框架結(jié)構(gòu)和速度以及電流的雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng)的功能模塊的組合物示于圖5.1。其中：所述內(nèi)環(huán)表示當前回路；外圈表示速度循環(huán)。整體框架結(jié)構(gòu)和速度以及電流的雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng)的功能模塊的組合物示于圖5.1。其中：所述內(nèi)環(huán)表示當前回路；外圈表示速度循環(huán)。圖5.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)對于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計是從內(nèi)環(huán)到電流環(huán)。在實際系統(tǒng)中，電流過沖受到嚴格限制，因此當前周期應由后續(xù)性能決定?；诿總€鏈路傳遞函數(shù)的電流環(huán)仿真的數(shù)學模型如圖5.2所示。圖5.2電流環(huán)的仿真建模基于速度和電流雙閉直流調(diào)速系統(tǒng)各鏈路雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng)總體模型如圖5.3所示。圖5.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)整體建模5.2基于Simulink的電流環(huán)仿真研究本次的仿真主要是為了研究，在不同的條件下，電流超調(diào)量和上升時間會出現(xiàn)什么變化，所以設(shè)置的阻尼系數(shù)ζ分別為0.25，0.39，0.50，0.69和1.0，在不同的阻尼系數(shù)下運行電流環(huán)，得到仿真模型，如圖5.4~5.8所示。橫坐標表示時間，單位為s；縱坐標表示當前，單位為A。圖5.4，當ζ=0.25時，波形電流無超調(diào)，上升時間長，σ=0，上升時間為0.042s。圖5.4當ζ=0.25時的仿真波形圖5.5，當ζ=0.39時，有微小的電流超調(diào)量，上升時間較長，σ=0.15%，上升時間為0.022s。圖5.5當ζ=0.39時的仿真波形圖5.6，當ζ=0.50時，有部分超調(diào)量，上升時間較短。σ=4.3%，上升時間約為0.012s。圖5.6當ζ=0.50時的電流仿真波形圖5.7，當ζ=0.69時，超調(diào)量比較大，上升時間短，σ=9.5%，上升時間大約為0.008s。圖5.7當ζ=0.69時電流的仿真波形圖5.8，當ζ=1.0時，超調(diào)量大，上升時間短，σ=16.3%，上升時間約為0.006s。圖5.8當ζ=1.0時電流的仿真波形結(jié)果表明：在電流環(huán)的運行中，ζ取值小時，超調(diào)量小，上升時間大；ζ取值越大，超調(diào)量越大，上升時間減小。綜上所述，當取ζ=0.50時，系統(tǒng)的性能最為優(yōu)良，超調(diào)量和上升時間都比較合適。5.3基于Simulink的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真綜上可知，當ζ=0.50時電流環(huán)的性能最優(yōu)，因此在接下來的建模中不再變動電流環(huán)的參數(shù)。5.3.1系統(tǒng)在空載運行時的仿真分析系統(tǒng)停轉(zhuǎn)，重新給出電壓10V，開始在空載運行系統(tǒng)，從而并獲得仿真波形（圖5.9）。橫軸表示時間（s），縱軸表示轉(zhuǎn)速（r/分鐘）?？梢钥闯龅氖?，當系統(tǒng)給出10V的電壓時，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)速為1000R/分鐘，這與所選擇的馬達參數(shù)完全一致的穩(wěn)定。改變給定電壓，并觀察波形的變化。速度超量是小于10％，滿足設(shè)計要求。在5V和3V的電壓模擬的波形示于圖5.10和圖5.11。圖5.9當給定電壓為10V時的仿真波形圖5.10當給定5V時的仿真波形圖5.11當給定為3V時的仿真波形可以看出的是，速度和電流的雙閉環(huán)直流速度控制系統(tǒng)的電動機的速度將根據(jù)給定的電壓穩(wěn)定地變化：給定的電壓越小，較小的穩(wěn)定速度。當給出10V，電機在額定速度運行。5.3.2系統(tǒng)在額定負載運行時的仿真分析重新對系統(tǒng)施加負載，確定系統(tǒng)工作電流等于額定電流，即120A，開始運行，觀察模擬結(jié)果。觀察圖5.12。當系統(tǒng)處于額定負載時，雖然上升時間較長，但仍將達到1000r/min的額定速度。圖5.12處于額定負載運行時的仿真波形5.3.3系統(tǒng)抗擾性能測試該系統(tǒng)是在10V的給定的電壓，當負載電流是在3秒突然增加時，額定負載被添加，并且觀察到模擬波形。在3秒，突然加120A的負載電流。從圖5.13中可以看出，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。盡管該系統(tǒng)具有速度在3秒小的波動突然的負載，使其迅速恢復的1000R/分鐘的穩(wěn)定額定轉(zhuǎn)速。沒有為設(shè)計速度無靜差的要求。圖5.13在3s時突加額定負載總結(jié)在本文中，筆者深入的研究了PWM相關(guān)的理論和直流電動機的調(diào)速方法。從直流速度控制系統(tǒng)的原理出發(fā)，設(shè)計了雙閉環(huán)直流可逆PWM速度控制系統(tǒng)。現(xiàn)代電機控制的發(fā)展要求，一方面要提高性能，降低損耗，降低成本。在另一方面，也有不斷的技術(shù)指標和要求苛刻的特殊應用系統(tǒng)的要求。為了保證設(shè)計的符合要求，最后使用了MATLAB進行了電動機模型的仿真，確定了電動機的性能符合設(shè)計要求，此次研究，筆者有以下幾個方面的收獲：1.學習與掌握了直流電機的調(diào)速方法，了解了PWM的相關(guān)知識2.掌握了用C語言及其編程。3.掌握了MATLAB的應用。參考文獻[1]田亞娟.基于Powersystems的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J].制造業(yè)自動化，2018，40(11)：50-53.[2]楊旭，姜銀光，彭開香，etal.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)補償控制器的在線優(yōu)化設(shè)計[J].中國電機工程學報，2017(08)：261-270.[3]呂成龍，李軍紅，郭鳳梅，etal.智能小車雙閉環(huán)模糊PID直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應用，2017(16).[4]朱賢勇，萬曉慧.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與Matlab驗證[J].內(nèi)燃機與配件，2018，272(20)：51-54.[5]王學福，董玉林.基于dsPIC30F6010的直流電動機控制系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新與應用，2017(20).[6]陳智，王貴鋒.模糊PID算法的雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)[J].電子科技，2017(7).[7]邢永陳，蔣光峰.基于V-M系統(tǒng)的直流雙閉環(huán)調(diào)速裝置設(shè)計[J].工業(yè)設(shè)計，2017(8)：146-147.[8]唐海洋.中小功率直流傳動系統(tǒng)的研究[D].[9]孟憲騰.基于DSP的異步電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與實驗[D].[10]唐小珠，劉濤.基于ＤＳＰ的全數(shù)字化無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2018.[11]李民，李之乾，狄愛景，etal.基于工程設(shè)計方法的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計和仿真分析[J].電子測試，2017(17)：48-49.[12]郭昊坤.基于MATLAB的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計與仿真[J].自動化應用，2017(9)：55-56.[13]張鐳，謝瑋，姜珊.基于模糊控制的雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2018，v.26；No.236(05)：92-95+107.[14]林森.基于DSP控制直流電機雙閉環(huán)調(diào)速的研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017(19)：185-185.[15]上官兵.基于微機數(shù)字控制的礦用提升機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2017(5)：235-237.[16]蔡海亮，萬鋼勇，武和雷，etal.高精度數(shù)控直流電壓源的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].測控技術(shù)，2017(12)：76-80.[17]張赟.基于Buck變換器的小容量直流調(diào)速系統(tǒng)的研究[D].[18]宋連慶，袁世博，韓興會.基于DSP無刷直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程，2018，46(3).[19]韋曉航，李勇.基于ARM的礦用蓄電池機車調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