优秀毕业设计精品全数字直流电机双闭环调速系统设计

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1、全数字直流双闭环调速系统的设计摘要近年来，自动化控制系统在各行业中得到了广泛的应用和发展，而直流调速系统作为电力拖动系统的主要方式之一，在现代化生产中起着十分重要的作用。随着微电子技术的不断发展，计算机在调速系统中的应用使控制系统得到简化，体积减小，可靠性提高，而且各种经典和智能算法也都分别在调速系统中得到了灵活的应用，以此来达到最优控制效果。以单片机为控制核心的数字直流调速系统有着许多优点：由于速度给定和测速采用了数字化，能够在很宽的范围内高精度测速，所以扩大了调速的范围，提高了测速控制系统的精度；由于硬件的高度集成化，所以使得零部件数量大大减少；由于很多功能都是由软件实现的，使硬件得以简化

2、，因此故障率小；单片机以数字信号工作，控制方法灵活便捷，抗干扰能力较强。本论文在直流调速系统理论研究的基础上，以80C196KC单片机为控制核心，对双闭环直流调速系统中的转速调节器采了用PID控制算法、电流调节器采用了PI算法，设计了一套全数字直流电机双闭环调速系统。并且介绍了直流电机调速系统的功能和特性，分析了双闭环PID控制的调速系统的数学模型，确定了电流环和转速环的比例和积分系数。此外，本次设计采用了数字式速度给定和数字式测速方法，大大提高了速度控制的精度。 关键词：直流电动机；调速；PID 控制；双闭环Design of Digital Double Closed-loop DC Sp

3、eed Regulation SystemAbstractIn recent years，autocontrol system has been widely used and developed in every walk of life.The DC speed regulation,as the artery in the area of electic drive system acts the main effect in mordernization.With the development of the microelectritcity,the use of the compu

4、ter in speed regulation system simplies the system,reduces the volume,increases the reliability.The Optimum Control is achieved by the use of both classical methods and intelligent methods. The digital speed control system for DC motor,which use Chip Microcontroller(SCM) as its processor has many me

5、rits.The speed giving and speed measuring adopt digital method,the system can measure the speed accuracy within a wide range,which expans the speed control scope and enhances its precession;the hardware is highly integrated,the number of the parts is sharply minimized;as most functions are carried o

6、ut by software,the rate of malfunction is low.Moreover,as SCM works with digital signal,its control is flexible and its ability to anti-interference is very high.The paper is based on the theory of DC speed regulation.In this paper， a 80C196KC SCM is used as the processor for the speed control syste

7、m of DC motor. The kind of speed controller is PID and that of current controller is PI. It is also discussed in this paper how to analyze the math model of double- close- loop speed control system by analyzing the functions and characteristics of the speed controlling system for DC motor，and find o

8、ut the proportion and integral factors of the current and voltage loop. Moreover，the system adopted digital speed measuring method to enhance the accuracy of speed control. Key words：DC motor;Speed regulation; PID control; Double-closed-loop目录1 绪论11.1 引言11.2 课题的背景21.3 课题研究的目的和实际意义22 直流调速系统理论研究和方案确定4

9、2.1 调速方案的选择42.1.1 电动机型号的选择42.1.2 直流调速系统的控制方法的选择42.1.3 电动机供电方案的选择52.2 调速系统的性能指标52.2.1 调速系统的稳态指标52.2.2 调速系统的动态性能指标72.3 2总体结构设计72.3.1 系统结构选择73 数字直流电机调速系统的数字PID控制103.1 PID调节器的基本原理103.2 PID调节器的数字化设计113.3 位置式PID算法123.4 调速单元PI参数的整定153.4.1 直流电动机的数学模型153.4.2 转速、电流双闭环调速系统的分析173.4.3 比例、积分系数初值的确定184 主电路的设计与参数计算

10、194.1 变压器的设计194.1.1 变压器二次侧电压U2的计算194.1.2 一次、二次侧相电流I1、I2的计算204.1.3 变压器容量的计算204.2 晶闸管型号的选择204.2.1 晶闸管的额定电压214.2.2 晶闸管的额定电流214.3 直流调速系统的保护214.3.1 过电压保护和限制214.3.2 过电流保护和限制234.4 主电路及保护电路图235 数字直流调速系统的硬件设计255.1 控制模块255.2 同步信号电路265.3 触发脉冲输出电路295.4 显示模块305.4.1 LCD液晶显示简介305.4.2 LCD接口设计335.5 速度给定电路335.6 监控电路的

11、设计345.6.1 MAX813L芯片及其引脚345.6.2 硬件电路图365.7 通信接口设计365.7.1 RS-232C通信接口标准375.7.2 串口通信电路375.8 脉冲信号反馈模块386 数字直流调速系统的软件设计406.1 采样周期T的选择406.2 主程序的设计406.3 数字测速的软件设计416.4 显示模块的软件设计456.5 触发脉冲的软件设计457 总结与展望487.1 工作总结487.2 研究展望49致谢50参考文献51附录521 绪论1.1 引言按照拖动的电动机的类型来划分，自动调速系统可以分为直流调速系统和交流调速系统两大类。由于直流电动机的电压、电流和磁通的耦

12、合较弱，使直流电动机具有良好的运行性能和控制特性，能够在大范围内平滑调速，启动、制动性能良好，其在20世纪70年代以来一直在高精度，大调速范围的传动领域内占据主导地位。虽然交流调速技术的飞速发展，交流感应电动机结构简单，坚固耐用，成本低，制造维修容易，在一些场合，交流调速系统得到了广泛的应用。但是在要求高起、制动转矩，快速响应和较宽速度调节范围的电气传动领域中，仍然采用直流电动机作为调速系统的执行电机。由于直流电动机具有良好的机械特性和调速特性，调速平滑，方便，易于在大范围内进行平滑调速，过载能力较大，能够承受频繁的冲击负载，可以实现无级快速制动和反转，能够满足工业生产过程中的特殊运行要求，因

13、此直流调速系统至今仍然被广泛用于自动控制要求较高的生产过程，仍然是调速系统的主要形式。在传统的直流调速系统中，控制回路全部采用模拟电子器件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽然一定程度上满足了生产过程的要求，但是因为在使用中易受外界干扰影响，线路复杂、通用性差，而且容易老化，控制系统的效果受到器件性能、温度等不确定因素的影响，致使系统的运行特性也随之变化，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，可靠性较差。随着微电子技术、微处理器的出现和运算速度的提高以及计算机控制技术的发展电机调速系统由原来的以模拟量反馈、模拟调速器为核心的连续调速系统发展到以数字量处理为主，以微处理器为基础的数字调速系统，即从

14、过去的模拟控制向模拟和数字混合控制发展，最后实现全数字化。数字化调速系统是指用微机处理器代替以往的模拟调速器，它具有体积小、实现方便等优点，不仅是一般的PID控制，就是复杂的矢量控制、非线性鲁棒控制、模糊控制等方法都可以通过编程实现，这给设计和构造调速系统带来了许多便利。数字化调速系统通过数字控制器和数字触发器实现对系统调速控制，从而达到预期的控制精度和要求。调速系统的控制方案是依靠软件程序来实现，软件的模块化结构可以实时增加、更改、删减应用程序，当时及系统变化时也可以彻底更新，软件控制的这种灵活性大大增强了控制器对被控对象的适应能力，使各种新的控制策略和控制方法得到实现。1.2 课题的背景

15、我国从上世纪60年代研制出第一只晶闸管以来，晶闸管直流调速系统得到了快速的发展和广泛的应用。晶闸管整流装置逐渐取代了水银整流装置，使直流电力拖动完成了一次巨大的飞跃。同时，控制电路已经实现高度集成化、小型化，可靠性及低成本，以上技术的应用，使得直流调速系统的性能指标大幅度提升，应用范围不断地扩大，直流调速系统得到较大的发展。随着微型计算机技术、电力电子技术、自动控制理论的发展，电力电子器件、超大规模集成电路和传感器的出现，电力拖动控制系统不断向前发展。微机的应用使电力拖动系统变得数字化、智能化，极大地推动了电力拖动的进步。世界上许多国家都开发出了数字式调速装置，当前直流调速技术已经发展到一个很

16、高的水平：功率元件采用可控硅，控制方式采用换相、相位控制等。特别是采用微处理器和其他先进技术，数字式直流调速系统具有越来越具有优良的控制性能，较高的精度和较强的抗干扰能力，在国内外得到了广泛的应用。直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。在轧钢机、冶金、金属切削机床和造纸机、高层电梯等需要高性能的可控电力拖动领域中得到了广泛的应用。目前，国内外一些主要电气公司，已经研制出全数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模块化的应用产品供各生产企业和科研单位选用。1.3 课题研究的目的和实际意义数字化和智能化已被公认为运动控制系统的主要发展方向，在直流电机调

17、速系统中的应用也已成为发展趋势。直流调速系统是指人为地或自动地调节直流电动机的转速，以满足控制系统性能的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，使电动机的运转速度发生变化。电机调速通常通过给定环节,中间放大环节,校正环节，反馈环节和保护环节等来实现。随着微电子技术，微处理器以及计算机软件的发展，使调速控制的各种功能几乎全部可通过微处理机，借助软件来实现,实现全数字化。在数字化系统中，除具有常规的调速功能外，还具有故障报警，诊断及数据采集和显示等功能，同时，数字系统通常具有较强的通信能力和较强的抗干扰能力。国外一些电气公司都有成系列的与模拟调速系统相

18、对应的全数字交、直流调速装置产品可供选用，新开发的调速系统几乎全是数字式的。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化、智能化，标准化程度高，制作成本低，结构简单，可靠性高，操作和维护较为方便，电机运行的动态性能较高，精度也达到了一定的要求。直流电动机具有良好的调速特性，可以平滑调速，调速范围广，操作方便；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可以实现频繁的无级快速起、制动和反转，因而能够满足生产过程中自动控制系统等各种不同场合的需要。由于微机具有较高的性价比，因此在工业生产过程和设备控制中得到了广泛的应用。近年来，尽管交流调速技术得到了飞速发展，但由于直流电机良好的起、制动性能，在矿井卷扬机、轧钢

19、机、金属切削机床、造纸机和高层电梯等需要在较大范围内平滑调速的电力拖动领域中得到广泛的应用。现阶段，我国在具有完全自主知识产权的全数字化调速装置的研发水平上还落后于发达国家，而且进口的控制器价格昂贵，因此，学习和研究国外先进的控制器，具有重大的经济价值和实际意义。根据目前的发展趋势，展望未来，全数字直流调速系统必将向高性能、高精度的方向发展，朝着调试手段更加先进，控制、通讯功能更丰富的方向迈进，尤其是它的控制精度和平滑性还可以得到进一步的提高。2 直流调速系统理论研究和方案确定本设计的主电路供电方案采用晶闸管三相全控桥整流电路，控制电路由软件实现系统的功能，取代传统的双闭环调速系统。本系统采用

20、了单片机及外部扩展设备代替模拟调速系统中速度调节器、电流调节器、触发器、锁零单元和电流自适应调节器等器件，从而使直流调速系统实现全数字化。2.1 调速方案的选择调速方案的优劣直接关系到系统调速的效果，因此必须根据电机的型号及参数选择最优设计方案，以确保系统能够正常，稳定地运行，取得良好的效果。2.1.1 电动机型号的选择本次设计选用的电动机型号Z2-32型，额定功率4.2KW，额定电压110V，额定电流46A，额定转速1500r/min， 励磁电压220V。 2.1.2 直流调速系统的控制方法的选择直流电动机转速的表达式如下：（r/min） （2-1）式（2-1）中：U电枢电压（V）；电枢电流

21、（A）;电枢电路总电阻（）；由式（2-1）可知，调节直流电机转速n的控制方法有以下三种：（1）调节电枢电压U。调压调速属于恒转矩调速方法，动态响应快，适应于要求大范围内的无级平滑调速系统。（2）减弱磁通调速。此种方法使电动机从额定转速向上变速，属于恒功率调速方法，动态响应慢，调速范围小。（3）改变电枢回路电阻R。此法属于有级调速，平滑性差，机械特性软，效率低。改变电枢回路电阻的方法缺点很多，目前较少采用；弱磁调速调节范围不大，往往与调压调速配合使用。因此，调速系统以调压调速为主，本设计采用调压调速方式。变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢电压主要有三种方式：旋转变流机组，静止变流装置

22、，PWM脉宽调制变换器(或称直流斩波器)。（1）旋转变流机组简称G-M系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其系统较为复杂、体积大、效率低、维护不便。（2）静止变流装置，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流电压，采用静止变流装置又称V-M系统。通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变，从而实现平滑调速，且控制作用的快速性能好，提高系统动态性能。（3）脉宽调制交换器采用PWM，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压，因受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。 本设计根

23、据技术要求和特点选用V-M系统 。2.1.3 电动机供电方案的选择在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑到使电路简单、经济且满足性能要求，因此选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。晶闸管可控整流装置无噪声、响应快、重量轻、投资省，而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。2.2 调速

24、系统的性能指标2.2.1 调速系统的稳态指标调速系统稳态运行时的性能指标称为稳态性能指标，它有调速范围D和静差率s两个指标。（1）调速范围D生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D表示，即 （2-2）其中和一般指电机在额定负载时的转速，对于少数轻载的机械，也可以用实际负载时的转速。（2）静差率s当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定负载时所对应的转速降落与理想空载转速之比，称为静差率s，表示为： （2-3） 显然，静差率是用来衡量调速系统负载变化时转速的稳定程度，而且调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，只有同时提示才有意义。一个系统的调速范围，是

25、指在最低转速是还能满足静差率要求下的转速可调范围。调压调速系统中调速范围、静差率与额定速降之间有以下关系。在调压调速中，常以电机额定转速为最高转速，若在额定负载时转速降为，则该系统的静差率应是最低转速时的静差率，即 （2-4）于是，而调速范围为： （2-5）将代入上式得 （2-6）对于同一调速系统，它的特性硬度或值是一定的，因此，由上式（2-6）可见，如果对静差率要求越严，即要求s越小时，系统能够允许的调速范围也越小。2.2.2 调速系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标可分为跟随性能指标和抗扰性能指标两种。（一）随性能指标（1）上升时间在典型阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态

26、值所经过的时间。（2）超调量 输出量超过稳态值的最大偏差与稳态值之比 （2-7）（3）调节时间 响应曲线到达并不再超出允许误差带所需要的最短时间，允许误差带=稳态值。（二）抗扰性能指标（1）动态降落 最大动态降落与原稳态值之比。（2）恢复时间 从阶跃扰动开始，到响应曲线到达并不再超出允许误差带所需的最短时间间隔段称为恢复时间。2.3 2总体结构设计全面比较单闭环和双闭环调速系统，把握系统要求实现的功能，选择最适合设计要求的虚拟控制电路。根据系统实际，选择转速电流双闭环调速系统。电机转速通过光电脉冲转换器的计数，再直接连到单片机。交流侧电流通过电流互感器的作用，经采样，A/D转换连到单片机。2.

27、3.1 系统结构选择若采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，

28、使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于I

29、dm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。其硬件结构如图2-1所示图2-1 系统的总体框图3 数字直流电机调速系统的数字PID控制单片机控制的操作功能包括从控制对象中获取各种信息，执行反映控制规律的控制算法，把计算结果以一定的形式传送到行机构或显示报警装置，实现操作人员-控制台-单片机系统之间的联系等。其中，最主要的任务是执行控制算法。系统构成后，控制规律是反映单片机控制系统性能的核心。

30、随着控制理论和单片机水平的不断发展，单片机控制系统的功能日益增强，适用的控制规律也越来越多，如PID调节、史密斯(Smith)预估控制、最优控制、基于状态空间模型的设计方法和基于输入输出模型的设计方法等。PID控制式工业控制过程中应用最为广泛的一种控制方式。在本系统中，采用了PID控制算法。PID控制器具有简单而固定的控制形式，可以在很管得范围内保持较好的鲁棒性，三种不同形式的控制作用组合起来跟随被控对象的变化，可以减小动态误差。它是一种基于负反馈的控制方法，不仅在模拟调节器得到了广泛应用，而且更适合于单片机控制系统。PID具有结构简单，参数的物理意义明确，动态特性和静态特性较好的优点。在控制

31、理论不断发展的今天，常规PID控制器仍然是过程控制中应用最广泛、最基本的一种控制器，3.1 PID调节器的基本原理控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图3-1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图3-1 模拟PID控制原理框图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) （3-1） 将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e（t），偏差一

32、旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用度强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。3.2 PID调节器的数字化设计在连续控制系统中，模拟调节器的PID控制规律为： （3-2） 或写成传递函数形式 （3-3） 式中 -比例系数；-积分时间系数；-微分时间常数。将上式离散化为数字PID，只要将式中各项分别离散化就可以了，即为： （3-4） （3-5） （3-6）

33、（3-7） 其中，T为采样周期。在上面离散化的过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将e（kT）简化表示为e（k），将上式（3-4）、（3-5）、（3-6）、(3-7)代入式（3-2）中，可得离散的PID表达式为 （3-8）或 （3-9）上式中，k是采样序号k=0、1、2.;是k次采样时刻的输出值；是第k次采样时刻输入的偏差值；是k-1次采样时刻输入的偏差值：是积分系数，;是微分系数，.3.3 位置式PID算法在单片机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。由于本文的PID控制算法的输出量要控制晶

34、闸管的输出电压，此类对象适合用位置式PID控制算法，所以下面主要介绍位置式PID控制算法。由于单片机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式 (3-2)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按照模拟PID算法的算式(3-2)，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可以作如下近似变换； (3-4) 式中T-采样周期。显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)，即省去T。将式(3-4)代入(3-2)，可得离散的PID表达式为 （3-5） 或 （3-6）式中k

35、-采样序号，k = 0，1，2u(k)-第k次采样时刻的单片机输出值；e(k)-第k次采样时刻输入的偏差值；e(k - 1)-第k-1次采样时刻输入的偏差值；-积分系数，=T/；-微分系数，=/T；由z变换的性质式（3-6）的z变换式为 （3-7）由式（3-7）便可得到数字PID控制器的z传递函数为 （3-8）或者 （3-9）由于单片机输出的u(k)直接去控制执行机构：晶闸管u(k)的值和晶闸管的输出电压值是一一对应的，所以通常称式(3-5)或(3-6)为位置式PID控制算法。图3-2给出了位置式PID控制系统示意图。图3-2 位置式PID控制系统原理图3.4 调速单元PI参数的整定本系统选用

36、的控制对象为直流电动机，基本参数为：额定功率为=4.2kW，额定电压为=110V，额定电流=46A，额定转速为=1500rpm，电枢内阻为R=0.32，电磁时间常数为Td=0.0469s，电势常数=0.063 5，机电时间常数=l.ls，三相桥式晶闸管整流器的滞后时间为=0.0017s，放大倍数为=20，速度反馈系数=0.0104，速度反馈滤波时间常数为0.022s，电流反馈系数， =0.054V/A3.4.1 直流电动机的数学模型在电力拖动自动控制系统中，直流电动机通常以电枢电压作为输入量，以电动机转速作为输出量。假设电机补偿良好，不计电枢反应、祸流效应和磁滞等因素带来的影响，并设励磁电流恒

37、定，得直流电机数学模型为： （3-10）式中-电枢电压；-电枢回路电感；-电枢电流；-电枢回路总电阻；-由电机结构决定的电势系数，单位为n-电动机转速。根据刚体的转动定律，电动机轴上的运动方程式为 （3-11）式中J-电动机轴上(包括负载折算过来的) n-电动机转速； M-电动机轴的电磁力矩：-电动机轴的负载力矩。当磁通不变时，有 （3-12）式中-电机的转矩常数，单位为整理得到直流电机的微分方程 （3-13）式中-电枢回路的电磁时间常数， ； -机电时间常数，；- 电力拖动系统整个运动部分折算到电动机轴上的转动惯量：n-电动机转速。进而，我们可得直流电动机的电压和转速间的传递函数为： （3-

38、14）根据式（3-14）可以看出直流电动机可以近似认为具有两个惯性环节的系统。3.4.2 转速、电流双闭环调速系统的分析该系统为转速电流双闭环调速系统，动态结构图如图3-3所示。图3-3双闭环系统的动态结构图其中转速外环与电流内环均采取PI控制。对于电流闭环，PI调节器的传递函数可以表示为 （3-15）式中-电流调节器放大倍数；-调节器时间常数。 对于速度闭环，PI调节器的传递函数可以表示为 （3-16） 式中-调节器比例系数；-调节器时间常数。对于晶闸管整流器，它本身是一个时滞环节，传递函数可以表示为 （3-17）式中-管整流器放大倍数；-闸管整流器时间常数。考虑到一般比起系统其它部分的时间

39、常数往往小很多，可以将该时滞环节近似为惯性环节处理，传递函数为 （3-18） 3.4.3 比例、积分系数初值的确定（1）电流调节器参数的选择由于电流的响应过程比转速响应过程快得多，所以可以不考虑反电势的影响，反电势支路相当于断开。取，=0.0469， 使用PI调节器将电流环校正为典型I型系统。为了满足电流超调量。5%，取电流环开环放大倍数为电流调节器的放大倍数为（2）转速调节器的参数选择，取，即中频宽h=5，使PI调节器将转速环校正为典型II型系统，以提高系统的跟随行和抗干扰性。此时转速环开环放大倍数为转速调节器的放大倍数为4 主电路的设计与参数计算电动机的额定电压为110V，为保证供电质量，

40、应采用三相降压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响和三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。4.1 变压器的设计工业供电电压为AC 380V，而电动机的额定电压为110V，所以必须通过降压变压器使之达到系统供电要求。本设计采用的是直流电动机，故还要通过整流电路使之转换成连续的直流电压。4.1.1 变压器二次侧电压U2的计算U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压，选择过高又会造成延迟角加大，整流元件的承受电压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即： （4-1） 式中A-理想情况下，=0时整流电压与二次电压之比，即；B-延迟角为时输出电压与之比，即电

41、网波动系数；11.2考虑各种因数的安全系数；表查可得 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=0.985则 , 取=120V。电压比K=U1/U2=380/120=3.17。4.1.2 一次、二次侧相电流I1、I2的计算查表可得 KI1=0.816， KI2=0.8164.1.3 变压器容量的计算S1=m1U1I1；S2=m2U2I2；S=1/2(S1+S2)；式中m1、m2 -次侧与二次侧绕组的相数；S1=m1U1I1=338012.43=14.1702 KVAS2=m2U2I2=312037.536=13.51296 KVAS=1/2(S1+S2)=1/2（14.1702+13.

42、51296）=13.84158 KVA4.2 晶闸管型号的选择整流电路采用晶闸管全控桥电路。由于晶闸管的单向导电性，不允许电流反向，对过电压过电流敏感，在低速运行时，导通角很小等缺点。结合课题提供的参数，选择适当型号的晶闸管十分重要。4.2.1 晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即=（23），整流电路形式为三相全控桥，而 ，则，取 800V4.2.2 晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使晶闸管允许通过的额定电流有效值大于实际流过的电流最大有效值 ，即，考虑（1.52）倍的裕量。式中K -电流计算系数。

43、此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备，电流裕量可适当选的大些。由表查得 K=0.368，考虑1.52倍的裕量，取49A故选晶闸管的型号为KP49-8。4.3 直流调速系统的保护晶闸管有换相方便，无噪音等优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。采取正确的保护措施是晶闸管装置可靠地运行的必要条件。4.3.1 过电压保护和限制（一）凡是超过晶闸管正常工作时承受的最大峰值电压的情况都算过电压，产生过电压的原因是电路中电感元

44、件积聚的能量骤然释放或者是外界侵入的大亮点和累积。按照过电压保护的部位来分，有交流侧保护、直流侧保护和元件保护。不能从根本上消除过电压的根源，只能设法将过电压的幅值抑制到安全限度之内，这是过电压保护的基本思想。抑制过电压的方法不外乎三种：用非线性元件限制过电压的幅度；用电阻消耗产生过电压的能量；用储能元件吸收产生过电压的能量。实用中常视需要在电路的不同部位选用不同的方法，或者在同一部位同时用两种不同保护方法。以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。（1） 交流侧过电压保护：本设计采用阻容保护，如图4-1所示。图4-1 交流侧保护电路S=13.841

45、58KVA，U2=120V C6S/2= 61213842/1202=69.2 F选取70F的铝电解电容器。R2.32/S=2.31202/13.84158103 =9.37选取电阻为ZB1-10的电阻。（2）直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。=（）=（ ）110V=V选MY31-230/5型压敏电阻。允许偏差+10（253V）。（3）晶闸管及整流二极管两端的过电压保护抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端

46、工作电压峰值 的1.11.15倍。得 C=0.1F，R=100。选R为0.2F的CZJD-2型金属化纸介质电容器。=fC10=500.210-6120210-6=0.4510-6W选R为20普通金属膜电阻器，RJ-0.5。（二）电压上升率du/dt：正相电压上升率较大时，会使晶闸管误导通。因此作用于晶闸管的正相电压上升率应有一定的限制。造成电压上升率过大的原因一般有两点：由电网侵入的过电压；由于晶闸管换相时相当于线电压短路，换相结束后线电压有升高，每一次换相都可能造成过大。限制过大可在电源输入端串联电感和在晶闸管每个桥臂上串联电感，利用电感的滤波特性，使其降低。4.3.2 过电流保护和限制（一

47、）由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流，温度就会急剧上升，可能会把PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的主要原因有以下几种：负载端过载或者短路；牧歌晶闸管被击穿短路，造成其它元件的过电流;触发电路不正常或受干扰，使晶闸管误导通，引起过电流。晶闸管过电流的保护的常用措施有快速熔断器和硒堆保护等。快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。交流侧快速熔断器的选择由I2=37.536A 选取RLS-10快速熔断器，熔体额定电流40A。（二）电流上升率di/dt：导通时电流上升率太大，则可能引起门极附近过热，

48、造成晶闸管损坏。因此对晶闸管的电流上升率必须有所限制。产生电流上升率过大的原因一般有：晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然向晶闸管放电；交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电；直流侧负载突然短路等。所以为了防止饱和，在每个桥臂上串联一个30H的电感。4.4 主电路及保护电路图系统的主电路是晶闸管三相全控桥和直流电动机，保护电路采用了阻容吸收电路和快速熔断器进行保护。图4-2 主电路5 数字直流调速系统的硬件设计一般典型的直流数字调速系统主要包括控制模块、同步信号电路、测速脉冲信号、速度反馈模块、电流反馈电路、显示电路、触发脉冲输出驱动模块等部分。基于MCS-96系列80C196KC

49、单片机的控制系统硬件功能总体框图如图5-1所示。图5-1 基于80C196KC的直流电动机数字控制系统硬件结构框图5.1 控制模块系统中的控制模块主要负责完成数字PI算法的实现，电压、电流A/D转换与高速I/O扫描等功能是整个数字控制系统的核心，一般采用高性能的单片机构成。单片机集成了模数转换（A/D）、高速输入口（HSI）、高速输出口（HSO）等外围电路，能够降低硬件结构的复杂程度，提高系统的稳定性。控制模块部分由80C196KC单片机和外部程序存储器构成。80C196KC单片机是Intel公司推出的一款高性能的CHMOS 16位单片机，在其内部“嵌入”了以往被认为是“外围”设备的多种电路，

50、包括：时钟发生器、多功能I/O口、A/D转换器、PWM输出口、串行口、定时/计数器、监视定时器、高速输入输出器、外设事务服务器等。80C196KC的主要技术特点如下：（1）16K字节片内EPROM；（2）448字节寄存器阵列；（3）寄存器-寄存器结构；（4）5个8位I/0口；（5）全双工串行口；（6）16位监视定时器；（7）4个16位软件定时器；（8）可动态配置的八位或十六位总线宽度；（9）PWM(脉宽调制)输出；（10）HSI/HSO(高速输入输出口)；（11）10/8位具有采样保持的A/D转换器；（12）28个中断源，18个中断向量；（13）可以采用16MHz的晶振。可以看出，80C196

51、KC不但具有丰富的硬件资源，而且运行速度也大为提高。同样使用12MHz的晶振，80C196KC的运算速度要比8096提高1/3，使用16MHz的晶振，将比使用12MHZ晶振的8096快1/2(因为8096最快只能使用12MHz晶振)。此外，80C196KC的六个HSO通道正好可以输出六个触发晶闸管的脉冲，因此我们选用它来构成数字直流电源的控制模块。5.2 同步信号电路同步信号电路是数字直流电机调速系统的一个重要的电路。同步信号电路的主要任务是为数字触发脉冲输出提供一个同步信号作为相位基准。根据该基准，通过单片机计算得出移相触发时间，进而确定触发角对应的触发脉冲形成时刻。并通过触发脉冲输出电路将

52、触发脉冲分配输出。同步信号的获取方法有下面两种：（1）同步信号获取方法一是用图5-2所示电路中最后一个异或门输出的脉冲送到单片机的外部中断引脚，实现每3.3ms中断一次。下面介绍具体方法。图5-2 同步信号电路图图中，同步变压器与主变压器一样接成Y/Y-12接法，同步电压先由二级RC滤波电路滤除电源干扰，并通过调整R值实现30o移相，使三个相同步电压分别与晶闸管电源三相线电压保持同相位。三个同步电压分别经电压比较器LM339变为S1， S2， S3，三个方波信号，若以“1”表示高电平，以60o为单位时间，则S1， S2， S3的波形在电源一个正弦波周期(6个相带)内分别组成6种态：001-10

53、1-100-110-010-011，80C196KC通过P1口读入S1，S2， S3的状态，就可以分析判断当前应该触发的相应主电路的晶闸管触发脉冲的组号。为了便于软件处理，电源状态用字码表示，例如S1， S2， S3为011，则电源状态字码值S1， S2， S3为3. 对于晶闸管三相全控桥电路，一个周波有6个自然换向区。进入每个换向区(60o相带)要同时触发两个晶闸管，并按一定的顺序，每隔60o依次发出脉冲触发晶闸管。因此，要使单片机的触发操作具有与电源严格同步的时序，还得由硬件产生与三相电源自然换向点同步的申请中断的同步脉冲序列信号，这个同步脉冲序列的间隔是60o，它可以在主电路线电压的每个

54、自然换相点通过80C196KC的外部中断引脚EXTINTI向CPU申请中断，结合前述读入的S1，S2，S3状态字码值，实现同步认相判断，可准确地确定当前的自然换向区应该输出哪个脚的脉冲。这个同步中断信号可以利用己经产生的S1，S2，S3信号得到。只要将三个方波信号异或，可以产生一个边沿与线电压自然换向点对齐的方波信号，该信号再经过一个RC电路和异或门处理，或者用一个74LS123单稳态触发器，即可得到一定脉宽的同步中断信号。由同步电路产生的这些有关电压的波形如图5-3（2）同步信号获取方法二与方法一基本相似，把电压比较器后面的异或门电路都去掉即可。该方法用S1， S2， S3输出的脉冲信号作为

55、同步信号。软件用查询方式：单片机每读到S1， S2， S3有跳变，就去触发相应的晶闸管。单片机根据读到的不同的S1， S2， S3的值，来决定该触发哪一个管子，触发顺序如表5-1所示。图5-3 同步电压波形图表5-1 晶闸管触发顺序表S1111000S1011110S3100011被触发晶闸管1#2#3#4#5#6#5.3 触发脉冲输出电路触发脉冲输出驱动模块的作用是将由控制模块中HSO输出的移相触发脉冲经过功率放大器放大，再经过脉冲变压器隔离，变成可以直接触发晶闸管的门极信号，加到主回路的晶闸管门极上。图5-4是单片机与六路晶闸管触发电路的连线图，SCR1为第一路晶闸管触发电路，具体电路见图

56、5-5，其余五路与第一路相同。晶闸管的触发可以采用宽脉冲触发和双窄脉冲触发两种方式。用宽脉冲触发，触发可靠性高，适用面宽，但容易使脉冲变压器饱和，因此要求脉冲变压器的铁心体积比较大；用双窄脉冲电路触发晶闸管，虽然脉冲次数比宽脉冲触发多一倍，但是可以减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁心体积。单片机HSO通道的输出脉冲经光耦隔离，驱动达林顿管来控制脉冲变压器。脉冲变压器的输出分别接晶闸管的门极和阴极，控制晶闸管的开通和关断。图5-4 同步触发结构框图图5-5 晶闸管触发电路5.4 显示模块显示模块主要完成控制参数、运行数据的实时显示，有的控制器还支持操作人员通过显示界面对参数、程序的修改，可以作为一种简单的人机接口使用。一般显示模块采用简易按钮和显示屏构成，与控制器之间通过串行接口等方式连接。5.4.1 LCD液晶显示简介液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。本系统采用深圳市天助科技有限公司的液晶显示器FM-1602，它是字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，这里采用常用的2行16个字的1602液晶模块 ，外型尺寸：122*44，黄绿屏，LED背光，IC：KS0076。（1）