1、单片机控制直流双闭环调速系统设计1 设计目的 与要求1.1 设计目的本次课程设计的目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手设计直流电机双闭环调速系统设计，使学生加深控制技术知识的认识。课程设计的主要任务是设计一个用单片机控制的直流调速系统，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。本次课程设计是为运动控制系统课程而开设的综合实践教学环节，是对以前学的传感与检测技术 、 自动控制原理 、 仪表与过程控制系统 、 计算机控制技术等前期课堂学习内容的综合应用，使学生加深对过去已修课程知识的理解，运用本课程所学的基本理论和方法，同时综合计算机
2、控制技术，传感与检测技术，解决运动控制领域的实际问题，为学生今后从事控制领域的工和学习作打下坚实的基础。 ，它能使我们更可能早的接触到生产过程领域的知识，因此本次此课程在教学计划中具有重要的地位和作用。1.2 设计要求运用所学的知识，设计一个用单片机控制的直流双闭环调速系统，可以实现对电机速度进行精确控制。要求利用单片机进行控制，控制系统采用双闭环，即转速环和电流环，实现调速系统的最优控制，不仅可以实现对速度稳、快、准的控制，而且由于有电流环的存在，同时起到过电流的保护作用。电机参数：Pn=2.2kw，Un=220V，In=17A，Nn=1480r/min，Ce=0.136v/min/r他励电
3、压：220V要求完成的主要任务: （1） 、空载启动转速超调量 10%（2） 、完成总体系统设计和数字系统设计（3） 、完成单元电路和总电路设计2.控制系统分析2.1 系统的组成目前的对于直流电机而言，采用转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直流调速系统。虽然 PI 单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果系统对动态性能要求较高，单闭环控制系统在正常情况下不能满足要求。图 1 理想快速启动过程电流和转速波形在直流电机启动过程中，理想情况下，我们一般要求电流的大小的如题 1 所示，为了实现在允许条件下的最快启动，要获得一段使电流保持为最大值 的恒
4、流过程。按照dmI反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程，且电流环能起到过电流保护作用。所以，我们的目标是：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。为了起到速度调节和过电流保护，故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别在系统中起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）连接，如图 2 所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器
5、 UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就组成了转速、电流双闭环调速系统。图 2 转速、电流双闭环直流调速系统2.2 系统的控制原理图 3 直流双闭环调速系统电路原理图一般情况下，为满足要求，转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节器，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 ACR 调节器，专门用于调节电流量，而在转速环采用 ASR 调节器，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 3 为直流双闭环直流调速系统的原理图
6、。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 Uim 决定了电流调节器 ACR 的给定电压最大值 Uim，对就电机的最大电流；电流调节器 ACR 输出限幅电压Ucm 限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角 。图 4 双闭环直流调速系统动态结构图双闭环直流调速系统动态结构图如图 4 所示。图中 和 分别表示转速调ASR()WsCR()s节器和电流调节器的传递函数。如果采用
7、PI 调节器，则有(1)nASR1()sWK(2)iCR()s为了引出电流反馈，在电动机的动态框图中必须把电枢电流 显露出来。dI2.3 系统参数计算根据设计要求 =10，并保证稳态电流无差，可按典型 I 型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI 型电流调节器，其传递函数为:(3)Ki 电流调节器的比例系数；i R1C 电流调节器的超前时间常数 电流调节器超前时间常数： =0.03s 电流环开环增益：要求 时，查表，取liT 10i因此 =0.5/0.0037 =135.1 .50TKi IiI.5/0K1s1于是，ACR 的比例系数为 013.5.0431.RsiIi
8、 sKi)1(3.系统各单元选择与设计 3.1 电动机供电方案与晶体管放大器方案选择（1）电动机供电方案一般情况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
9、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，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。与 VM 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；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、若与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
10、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。（2）晶体管 PWM 功率放大器方案选择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。故本设计选用双极性控制的桥式可逆 PWM 变换器。3.2 电流调节器的设计在图 5 中电流内环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这给设计工作带来麻烦。在
11、一般情况下，系统的电磁时间常数 远小于机电时间常数 ，因此，转速的变化lTmT往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即 。这样，在按动态性能设计电流环时，0E可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就算说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图 7 所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：（4）式中 电流环开环频率特性的截止频率。ci图 5 忽略反电动势的动态影响时的电流环动态结构框图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图
12、 6 所示。()iUs图 6 等效成单位负反馈系统的电流环动态结构框图最后，由于 和 一般都比 小的多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性sToilT环节，其时间常数为：isoiT13cimlT（5） 则电流环结构框图最终可以简化成如图 7 所示。简化的近似条件是（6）图 7 小惯性环节近似处理的电流环动态结构框图（1）电流调节器结构的选择首先考虑把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，可以得到理想的堵转特性，由图 8 可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动
13、的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统。图 8 的表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型型系统，显然应采用 PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成：（8）式中 电流调节器的比例系数；iK电流调节器的超前时间常数。i为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择ilT则电流环的动态结构框图便成图 8 所示的典型形式，其中：（9）(1)iACRKsWisKR13cisoiT图 8 校正成典型型系统的电流环动态结构框图（2）电流调节器的参数计算确定时间常数：1）整流装置滞后时间常数 。通过表 1 可得出，三相桥式电路的平均失控时间sT。0.7s
14、Ts2）电流滤波时间常数 。根据初始条件有 。oi 0.2oiTs3）电流环小时间常数之和 。按小时间常数近似处理，取 。iT 0.37isoiTs表 1 各种整流电路的失控时间（ ）5fHZ整流电路形式 最大失控时间 max()s平均失控时间 ()sm单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式、六相半波20106.673.331053.331.674）电磁时间常数 。已知电枢回路电感 ，则：lT15LmH（3）选择电流调节器结构根据设计要求 ，并保证稳态电压无差，按典型型系统设计电流调节器。电5%i流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI 型电流调节器，其传递函数：（10）检查对电源电压的抗扰
15、性能： ，参照表 2 的典型型系0.378.1liTs统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。表 2 典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系0.3.l sr()iACRKsW（4） 计算电流调节器参数电流反馈系数 。10.5.0/NVIA电流调节器超前时间常数： 。.3ilTs电流开环增益：要求 时，按表 3，取 ，因此%i0.5iKT于是，ACR 的比例系数为：表 3 典型型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系 KT0.25 0.39 0.50 0.69 1.0阻尼比 1.0 0.8 0.707 0.6 0.5超调量 0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3%上升时间 rt6.
16、6T4.7T3.3 2.4T峰值时间 p8.3 6.2 4.7 3.6相角稳定裕度 76.3 69.9 65.5 59.2 51.8截止频率 c0.243/T0.367/0.455/T0.569/0.786/T校验近似条件电流环截止频率： 135.ciKs1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件。10.5.7iKs13.0.534iisR196.0.17cis sT11340.820.8.3ciml ss3）电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。（5）电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式 PI 型电流调节器原理图如图 9 所示。图中 为电流iU给的电压， 为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压 。dI c根据运算放大器的电路原理，可以导出： 0iiKRii图 9 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型电流调节器3.3 转速调节器的设计（1）转速环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环的一个环节，由图 9 可知，电流环的闭环传递函数为()cliWs（11）11180.30.7.2cisoi sTs014oioiTC2(1)() 1()/1Iidcli ii IIKsTIssUsK
