1、西南科技大学本科生毕业论文1摘 要本文介绍的是用一台 26KW 的直流电动机，8051 单片机构成的数字化直流调速系统。特点是用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件设备。最后进行软件编程、调试以及计算机仿真。实时控制结果表明，本数字化直流调速系统实现了电流和转速双闭环的恒速调节，并具有结构简单，控制精度高，成本低，易推广等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，从而能够实际的应用到生产生活中，满足现代化生产的需要。近年来由于微型机的快速发展，国外交直流系统数字化已经达到实用阶段。由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移
2、的影响。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。所以微机数字控制系统在各个方面的性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛。关键词：单片机，双闭环，直流调速系统，数字方式西南科技大学本科生毕业论文2目 录摘 要 .1引 言 .4第 1 章 直流电机的发展及设计背景 .4第 2 章 系统方案选择和总体结构设计 .52.1 调速方案的选择 .52.1.1 系统控制对象的确定 .52.1.2 电动机供电方案的选择 .52.2 总体结构设计 .62.2.1 系统结构选择 .62.2.2 系统的工作原理 .8第 3 章 主电路设计与参数
3、计算 .93.1 整流变压器的设计 .93.1.1 变压器二次侧电压 U2 的计算 .93.1.2 一次、二次相电流 I1、 I2 的计算 .93.2 晶闸管元件的选择 .103.2.1 晶闸管的额定电压 .103.2.2 晶闸管的额定电流 .103.3 直流调速系统的保护 .113.3.1 过电压保护 .113.3.2 电流保护 .133.3.3 平波电抗器的计算 .143.4 励磁电路元件的选择 .153.5 主电路及保护电路原理图 .15第 4 章 控制电路与单片机系统设计 .164.1 晶闸管触发控制电路设计 .164.1.1 晶闸管触发方法 .164.1.2 控制算法 .174.1.
4、4 脉冲分配表 .184.2 单片机系统设计 .18西南科技大学本科生毕业论文34.2.1 80C31 单片机简介 .194.2.2 单片机系统基本结构 .194.2.3 电流测量和速度给定值输入 .204.2.4 速度测量 .204.2.5 晶闸管控制 .22第 5 章 调节器的设计 .245.1 对象的数学模型 .245.2 电流调节器的设计及采样周期的选择 .255.2.1 电流调节器的设计 .265.2.2 电流环的稳定性分析 .275.3 转速调节器的设计及采样周期的选择 .275.3.1 速度调节器的设计 .28第 6 章 控制系统软件设计 .316.1 系统主程序设计流程图 .3
5、16.2 数字 PI 调节器程序设计 .326.3 数字滤波器程序设计 .336.4 中断处理程序设计 .356.4.1 电流环中断服务程序的设计 .356.4.2 速度环中断服务程序的设计 .386.4.3 其它中断处理程序设计 .39第 7 章 系统 MATLAB 仿真 .417.1 系统的建模与参数设置 .417.2 系统仿真结果的输出及结果分析 .42总结 .43参考文献 .46西南科技大学本科生毕业论文4引 言本论文介绍的是用一台 26KW 的直流电动机，8051 单片机构成的数字化直流调速系统。特点是用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件设备。最后进行软件编
6、程、调试以及计算机仿真。实时控制结果表明，本数字化直流调速系统实现了电流和转速双闭环的恒速调节，并具有结构简单，控制精度高，成本低，易推广等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，从而能够实际的应用到生产生活中，满足现代化生产的需要。主要内容是系统的设计以及这个设计的总体结构。主电路的设计，和一系列的论证。有没有想到的地方请阅读的老师提出，我会在以后的学习工作中进一步的改进自己的想法和设计思路。西南科技大学本科生毕业论文5第 1 章 直流电机的发展及设计背景在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机
7、、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机，大体上可分为 3 类：几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。适用范围：直流调速器在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医疗设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛
8、应用。我认为设计一个直流电机调速系统，不论是从学习还是实践的角度，对一名机电一体化专业的大学生都会产生积极地作用，有利于提高学习热情。西南科技大学本科生毕业论文6第 2 章 系统方案选择和总体结构设计2.1 调速方案的选择2.1.1 系统控制对象的确定本次设计选用的电动机型号 Z2-32 型，额定功率 1.1KW，额定电压 230V，额定电流 6.58A,额定转速 1000r/min, 励磁电压 220V,运转方式连续。2.1.2 电动机供电方案的选择变压器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。
9、旋转变流机组简称 G-M 系统，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。静止可控整流器又称 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 Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用 PWM 受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选 V-M 系统。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 Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性
10、能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全西南科技大学本科生毕业论文7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。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、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。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。2.2 总体结构设计2.2.1 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
11、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，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（
12、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。采用转速电流双闭西南科技大学本科生毕业论文8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 Idm 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
13、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。综上所述，本系统用一台单片机及外部扩展设备代替原模拟系统中速度调节器、电流调节器、触发器、逻辑切换单元、电压记忆环节、锁零单元和电流自适应调节器等，从而使直流调速系统实现全数字化。其硬件结构如图 2-1 所示。图 2-1 单片机控制的直流调速系统结构图西南科技大学本科生毕业论文92.2.2 系统的工作原理在此单片机控制的直流调速系统中，速度给定、速度反馈和电流反馈信号是通过模拟光电隔离器、A/D 转换器送入计算机，计算机按照已定的控制算法计算产生双脉冲，经并行口、数字光电隔离器、功率放大器送到晶闸管的
14、控制级，以控制晶闸管输出整流电压的大小，平稳的调节电动机的速度。晶闸管正反组切换由数字逻辑切换单元来完成。西南科技大学本科生毕业论文10第 3 章 主电路设计与参数计算电动机的额定电压为 230V，为保证供电质量，应采用三相减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，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用 D/Y 联结。3.1 整流变压器的设计3.1.1 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。选择过大又会造成延迟角 加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。根据设计要求，采用公式： BAUd2.1由表查得 A=2.34；取 =0.9； 角考虑 10裕量，则 B=cos=0.985, VU13985.034.21取 U2=120V。电压比 K=U1/U2=380/120=3.17。3.1.2 一次、二次相电流 I1、I2 的计算由表查得 K I1=0.816, KI2=0.816考虑变压器励磁电流得： AKdII 69.17.35860105.
