1、 1 武汉工程大学邮电 与信息工程学院 毕业设计（ 论 文）说明书 论文题目 直流电机转速控制系统的任务研究书 学 号 6301010126 学生姓名 甄攀 专业班级 电机自动化 01 指导教师 陈向诗瑶 总评成绩 2016 年 4月 19 日 2 摘 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
2、广泛。 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。 关键词 ： 单片机 双闭环 直流调速系统 数字方式 3 目录 第 1 章 绪论 1 第二章 方案论证 .3 第三章 直流调速控制系统 .5 3.1 单片机部分的组成 .5 3
3、.1.1 时钟电路 .7 3.1.2 复位电路 .8 3.1.3 存储器 .8 3.1.4 外部中断源 .9 3.1.5 定时器 /计数器 .11 3.2 单片机的扩展 .12 3.2.1 程序存储器的扩展 .13 3.2.2 数据存储器的扩展 .14 3.2.38279 可编程键盘 /显示器 16 3.2.4 模拟量与数字量的转换 .24 3.2.5 采样和保持 .28 第四章 PID 的控制算法 .32 4.1PID 控制规律及其基本作用 .32 4.2 控制算法的实现 .33 第五章直流调速系统的主电路设计 .36 5.1 直流电动机的调速方法 .36 5.2 整流电路 .37 5.3
4、触发电路 .38 第六章 软件设计 42 7.2 系统仿真结果的输出及结果分析 .40 第七章系统的抗干扰技术 46 第八章直流调速系统的保护 49 总结 .51 辞谢 .53 参考文献 . 4 5 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
5、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，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
6、较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，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
7、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6 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
8、，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 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
9、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。 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 2.2.2 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
10、的控制级，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。 7 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。一般可按下式计算，即： )( c os 22m inm a x2 NshT
11、d IICUAnUUU式中 Udmax -整流电路输出电压最大值； nUT -主电路电流回路 n 个晶闸管正向压降； C - 线路接线方式系数； Usk -变压器的短路比，对 10 100KVA， Usk =0.05 0.1； I2/I2N-变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。 在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即： BAUU d2.112 式中 A-理想情况下， =0时整流电压 Ud0 与二次电压 U2 之比，即 A=Ud0/U2； B-延迟角为时输出电压 Ud 与 Ud0之比 ，即 B=Ud/Ud0； 电网波动系数； 11.2 考虑各种因数的安全系数； 根据设计要求，采用
12、公式： BAUU d2.112 由表查得 A=2.34；取 =0.9；角考虑 10裕量，则 B=cos =0.985 VU 133111985.09.034.2 2302.112 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 KI1=0.816, KI2=0.816 考虑变压器励磁电流得： 8 AK dIIKI 69.117.3 58.68 1 6.0105.11 AdIIKI 37.558.68 1 6.022 3.1.3 变压器容量的计算 S1=m1U1I1； S2=m2U2I2； S=1/2(S1+
13、S2)； 式中 m1、 m2 -一次侧与二次侧绕组的相数； 由表查得 m1=3， m2=3 S1=m1U1I1=3 380 1.69=1.9266 KVA S2=m2U2I2=3 120 5.37=1.9332 KVA S=1/2(S1+S2)=1/2（ 1.9266+1.9332） =1.9299 KVA 3.2 晶闸管元件的选择 3.2.1 晶闸管的额定电压 晶闸管实际承受的最大峰值电压 UTm，乘以（ 2 3）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 UTN，即 UTN=（ 2 3） UTm 整流电路形式为三相全控桥，查表得 26UTmU ，则 VUUU TmTN 82.
14、88188.58712063263232 2 取 VUTN 700 3.2.2 晶闸管的额定电流 选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值 TNI 大于实际流过管子电流最大有效值 TI ，即 TNI =1.57 )(AVTI TI 或 )(AVTI 57.1TI = 57.1TI ddII =KdI 考虑（ 1.5 2）倍的裕 量 )(AVTI =（ 1.5 2） KdI 式中 K=TI /（ 1.57 dI ） -电流计算系数。 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。 9
15、 关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。 由表查得 K=0.368，考虑 1.52 倍的裕量 dAVT KII 25.1 A84.463.3 58.6368.025.1 取 AAVTI 5 。故选晶闸管的型号为 75pK 。 3.3 直流调速系统的保护 晶闸管有换相方便，无噪音的优点。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。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。 3.3.1 过电压保护 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 错误 !未找到引用源。
16、错误 !未指定书签。 阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻 R 和电容 C 进行保护。 对于三相电路，和的值可按下表换算。 变压器接法 单相 三相、二次联结 三相二次联结 阻容装置接法 与变压器二次侧并联 Y 联结 D 联结 Y 联结 D 联结 电容 1/3C 3C C 电阻 3R 1/3R R 本系统采用 D-Y 连接。 S=1.9299KVA， U2=120V Iem取值：当 S=110KVA 时，对应的 Iem=41，所以 Iem 取 3。 C31 6IemS/U22=31 6 3 34 103/1202=14.17F 耐压 1.5Um=1.5 120 2 =254.6V 选取 20F 的
17、铝电解电容器。 shU 选取： S=110KVA， shU =15，所以 shU =3 R31 2.3 U22/SemshIU=31 2.3 1202/1.9299 103 83 =9.37 IC=2 fCUC 10-6=2 50 40 10-6 120 10-6=1.5 10-6A PR (3-4)IC2R=(3-4) （ 1.5 10-6） 2 9.37=（ 6.33-8.43） 10-13W 选取电阻为 ZB1-10 的电阻。 错误 !未找到引用源。 压敏电阻的计算 10 U1MA=1.3 2 U=1.3 2 120=220.6V 流通量取 5KVA。 选 MY31-220/5 型压敏电
18、阻。允许偏差 +10（ 242V）。 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，并且会造成 dtdi/ 加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。 U1MA=（ 1.8-2.2） UDC=(1.8-2.2) 230=414-460V 选 MY31-440/5 型压敏电阻。允许偏差 +10（ 484V） 。 3）闸管及整流二极管两端的过电压保护 查下表： 阻容保护的数值一般根据经验选定 晶闸管额定电流/ A 10 20 50 100 200 500 1000 电容 / F 0.1 0.
19、15 0.2 0.25 0.5 1 2 电阻 / 100 80 40 20 10 5 2 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工作电压峰值 mU 的 1.1 1.15 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。 PR=fCUm2 10-6=50 0.2 10-6 ( 2 120)2 10-6=0.45 10-6W 选 R 为 20普通金属膜电阻器， RJ-0.5。 3.3.2 电流保护 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
20、侧和直接与晶闸管串联。 1） 交流侧快速熔断器的选择 I2=5.37A 选取 RLS-10 快速熔断器，熔体额定电流 6A。 2） 晶闸管串连的快速熔断器的选择 I=I2=5.37A， IT=3I=337.5=3.11A 选取 RLS-10 快速熔断器，熔体额定电流 4A。 3）电压和电流上升率 的限制 电压上升率 dtdu/ ：正相电压上升率 dtdu/ 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 dtdu/ 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 dtdu/ 过大。 限制 dtdu/ 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 dtdu/ 降低。
