1、 沈阳化工大学本科毕业论文题 目：直流电动机双闭环系统软件设计摘要近年来，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
2、都是由软件实现的，使硬件得以简化，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AbstractIn recent y
3、ears, automation control system in all a wide range of applications and development, and dc speed control system as the main way of electric drive system in one of the modern production plays a very important role. With the development of the microelectronics, the use of the computer in speed regula
4、tion system simplified 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 Microcomputer(SCM) as its processor has many merits. The speed g
5、iving and speed measuring adopt digital method, the system can measure the speed accuracy within a wide range, which expand 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 out by softw
6、are, 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 system of DC motor. The kind of speed contr
7、oller 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 out the proportion and integral factors
8、 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-loop4目 录第一章 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 .2第二章 直流调速系统理论研究和方案确定 .42.1 调速方案的选择 .42.1.1
9、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 .62.3 总体结构设计 .72.3.1 系统结构选择 .8第三章 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 .133.4 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
10、数初值的确定 .185第四章 主电路的设计与参数计算 .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、I 2的计算 .204.1.3 变压器容量的计算 .204.2 晶闸管型号的选择 .214.2.1 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 .224.3.1 过电压保护和 限制 .22dtu4.3.2 过电流保护和 限制 .24ti4.4 主电路及保护电路图 .24第五章 数字直流调速系统的软件设计 .265.1 采样周期 T 的选择 .265.2 主程序的设计 .265.3
11、 数字测速的软件设计 .285.4 显示模块的软件设计 .315.5 触发脉冲的软件设计 .31第六章 总结与展望 .346.1 工作总结 .346.2 研究展望 .35致谢 .36参考文献 .36沈阳化工大学学士学位论文 第一章 绪论1第一章 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。在要求高起、制动转矩，快速响应和较宽速度调
12、节范围的电气传动领域中，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
13、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
14、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，沈阳化工大学学士学位论文 第一章 绪论2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，
15、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
16、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。沈
17、阳化工大学学士学位论文 第一章 绪论3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
18、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
19、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。沈阳化工大学学士学位论文 第二章 直流调速系统理论研究和方案确定 4第二章 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
20、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 ）eaCRIUn式（2-1）中：U电枢电压（V） ；电枢电流（A） ；aI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：调节电枢电压 U。调压调速属于恒转矩调速方法，动态响
21、应快，适应于要求沈阳化工大学学士学位论文 第二章 直流调速系统理论研究和方案确定 5大范围内的无级平滑调速系统。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。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，PWM 脉宽调制变换器 (或称直流斩波器)。旋转变流机组简称 G-M 系统，用交流电
22、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。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。dU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dU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
