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微型计算机控制技术课程设计---双闭环直流电动机数字调速系统设计.doc
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微型计算机控制技术课程设计---双闭环直流电动机数字调速系统设计.doc
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双闭环直流电动机数字调速系统设计
摘 要
本文主要研究了利用 MCS-51 系列单片机控制 PWM 信号从而实现对直流电机转速
进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了 PWM 信号的发生系统,并且对
PWM 信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对 PWM 信号占空比进行调节,
从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外,本文中还采用了芯片
IR2112S 作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块来完成了在主电路中对
直流电机的控制。另外,本系统中使用了光电编码器对直流电机的转速进行测量,
经过滤波电路后,将测量值送到 A/D 转换器,并且最终作为反馈值输入到单片机
进行 PI 运算,从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面,文章中详细介
绍了 PI 运算程序,单片机产生 PWM 波形的程序,初始化程序等的编写思路和具
体的程序实现,M 法数字测速及动态 LED 显示程序设计,A/D 转换程序及动态扫
描 LED 显示程序和故障检测程序及流程图。
关键词: PWM 信号 直流调速 双闭环 PI 调节
前 言
本文主要研究了利用 MCS-51 系列单片机,通过 PWM 方式控制直流电机调速的方
法。
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。PWM
控制技术就是以该结论为理论基础,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等
的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲
的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。
PWM 控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在
上世纪 80 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪 80 年代,随着全控型电力电
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子器件的出现和迅速发展,PWM 控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、
微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论、非
线性系统控制思想的应用,PWM 控制技术获得了空前的发展。到目前为止,已经
出现了多种 PWM 控制技术。
PWM 控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广
泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了
学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 PWM
控制技术发展的主要方向之一。
本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章
中采用了专门的芯片组成了 PWM 信号的发生系统,然后通过放大来驱动电机。利
用编码器测得电机速度,经过滤波电路得到直流电压信号,把电压信号输入给 A/D
转换芯片最后反馈给单片机,在内部进行 PI 运算,输出控制量完成闭环控制,
实现电机的调速控制。
第一章 系统硬件电路设计
第一节 系统总体设计
1.1.1 系统方案选择及总体结构设计
调速方案的优劣直接关系到系统调速的质量。根据电机的型号及参数选择最优方
案,以确保系统能够正常,稳定地运行。本系统采用直流双闭环调速系统,使系
统达到稳态无静差,调速范围 0-1500r/min,电流过载倍数为 1.5 倍,速度控制精
度为 0.1%(额定转速时)。
主要技术数据和设计要求
1、 系统控制对象的确定
主要技术数据:
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直流电动机(对象)的主要技术参数如下:
直流电机型号:Z2-41 型 Ped=3kW Ued=220V Ied=17.3A ned=1500r/min
电枢回路总电阻 R=2.50Ω
电动机回路电磁时间常数 TL=0.017s
电动机机电时间常数 TM=0.076s
电动机电势常数 Ce=0.1352V/r·min
晶闸管装置放大倍数 Ks=53
晶闸管整流电路滞后时间 Ts=0.0017s
主要技术指标:速度调节范围 0-1500 r/min,速度控制精度 0.1%(额定转速
时),电流过
载倍数为 1.5 倍。
主要要求:直流电动机的控制电源采用晶闸管装置,在其输入电压为 0-5 伏
是可以输出
0-264 伏电压,为电机提供最大 25 安培输出电流。速度检测采用光电编码器(光
电脉冲信号发生器),且假定其输出的 A、B 两相脉冲经光电隔离辨向后获得每转
1024 个脉冲的角度分辨率和方向信号。电流传感器采用霍尔电流传感器,其原副
边电流比为 1000:1,额定电流为 50 安培。采用双闭环环(速度环和电流环)控
制方式。计算机则要求采用 51 内核的单片机实现控制。
2、 电动机供电方案选择
变电压调速是直流调速系统用的主要方法,调节电枢供电电压所需的可控制电源
通常有 3 种:旋转电流机组,静止可控整流器,直流斩波器和脉宽调制变换器。
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,但其设备多、体积大、
费用高、效率低、维护不便。用静止的可控整流器,例如,晶闸管可控整流器,
以获得可调直流静止可控整流器又称 V-M 系电压。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 Ud,从而实现平滑调速,且控制作用快速
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性能好,提高系统动态性能。直流斩波器和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。及 V—M 系统相比,PWM 系统在很多方面有较大的优越性:
一、 主电路线路简单,需要的功率器件少;
二、 开端频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗及发热都较小:
三、 低速性能好,稳速精度该,调速范围宽,可达 1:10000 左右;
四、 若及快速响应的电动机配合,则系统频带宽,动态响应快,动态抗
扰能力强;
五、 功率开关器件工作在开关状态,道通损耗小,当开关频率适当时,
开关损耗也不大,因而装置效率高;
六、 直流电源采用不控整流时,电网功率因数比相控整流高。
本设计应脉宽调速要求,采用直流 PWM 调速系统。
3、 晶体管 PWM 功率放大器方案选择
方案一 单极性控制方式,这种控制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以
较高的开关频率互补开关,保证可以得到理想的正弦输出电压:另两只功率管以
较低的输出电压基波频率工作,从而在很大程度上减小了开关损耗。但又不是固
定其中一个桥臂始终为低频(输出基频),另一个桥臂始终为高频(载波频率),而
是每半个输出电压周期切换工作,即同一个桥臂在前半个周期工作在低频,而在
后半周则工作在高频,这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡,对于选用同
样的功率管时,使其使用寿命均衡,对增加可靠性有利。
方案二 双极性调制方式的特点是 4 个功率管都工作在较高频率(载波频率),
双极性控制的桥式可逆 PWM 变换器有以下优点:
1) 电流一定连续;
2) 可使电机在四象限运行;
3) 电机停止时有微振电流,可以消除静摩擦死区;
4) 低速平稳性好,系统的调速范围可达 1:20000 左右;
5) 低速时,每个开关器件的驱动脉冲仍较宽,有利于器件的可靠导。
本设计选用双极性控制的桥式可逆 PWM 变换器。
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1.1.2 双闭环直流调速系统电路原理
随着调速系统的不断发展和应用,传统的采用 PI 调节器的单闭环调速系统既能
实现转速的无静差调节,又能较快的动态响应只能满足一般生产机械的调速要求。
为了提高生产率,要求尽量缩短起动、制动、反转过渡过程的时间,最好的办法
是在过渡过程中始终保持电流(即动态转矩)为允许的最大值,使系统尽最大可
能加速起动,达到稳态转速后,又让电流立即降低,进入转矩及负载相平衡的稳
态运行。要实现上述要求,其唯一的途径就是采用电流负反馈控制方法,即采用
速度、电流双闭环的调速系统来实现。在电流控制回路中设置一个调节器,专门
用于调节电流量,从而在调速系统中设置了转速和电流两个调节器,形成转速、
电流双闭环调速控制。双闭环调速控制系统中采用了两个调节器,分别调节转速
和电流,二者之间实现串级连接。
图 1-1.1 为转速、电流双闭环直流调速系统的原理图。图中两个调节器 ASR 和
ACR 分别为转速调节器和电流调节器,二者串级连接,即把转速调节器的输出作
为电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。
电流环在内,称之为内环;转速环在外,称之为外环。
两个调节器输出都带有限幅,ASR 的输出限幅什 U
im
决定了电流调节器 ACR 的给定
电压最大值 U
im
,对就电机的最大电流;电流调节器 ACR 输出限幅电压 U
cm
限制了
整流器输出最大电压值,限最小触发角 α。
图 1-1.1 双闭环直流调速系统电路原理图
1.1.3 双闭环直流调速系统动态数学模型
双闭环直流调速系统动态结构图如图 1-1.2 所示。图中
ASR
( )W s
和
ACR
( )W s
分别表示
转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用 PI 调节器,则有
(1-1)
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