目 录
摘要……………………………………………………………………………………3 前言……………………………………………………………………………………4 第一章 系统硬件电路的设计………………………………………………………5 第一节 系统方案选择与总体设计…………………………………………………5 1.1.1 调速方案的选择……………………………………………………………5 1.1.2 双闭环直流调速系统电路原图……………………………………………6 1.1.3 双闭环直流调速系统动态数学模型 ………………………………………6 1.1.4 数字控制双闭环直流调速系统方图………………………………………7 1.1.5 数字式双闭环直流调速系统硬件图………………………………………8 1.1.6 8051单片机简介……………………………………………………………9 第二节 主电路设计与参数计算…………………………………………………10 1.2.1 整流变压器的计算与设计…………………………………………………10 1.2.2 开关器件IGBT参数计算与选择…………………………………………11 1.2.3 电阻电容的选择……………………………………………………………11 1.2.4 整流功率二极管的选择……………………………………………………11 1.2.5 平波电抗器的选择与计算…………………………………………………11 1.2.6 快速熔断器的选择与计算…………………………………………………11 第三节 调节器的选择与计算……………………………………………………12 1.3.1 确定电流调节器时间常数…………………………………………………12 1.3.2 电流调节器结构的选择……………………………………………………12 1.3.3 电流调节器参数计算………………………………………………………13 1.3.4 确定转速调节器时间常数…………………………………………………13 1.3.5 转速调节器结构的选择……………………………………………………13 1.3.6 转速调节器参数计算………………………………………………………14 第四节 PWM信号发生电计………………………………………………………14 1.4.1 PWM的基本原理…………………………………………………………14 1.4.2 PWM信号发生电路设计…………………………………………………15 1.4.3 PWM发生电路主要芯片工作原理………………………………………16 第五节 功率驱动模块及光耦隔离设计…………………………………………17 1.5.1 功率驱动模块………………………………………………………………17 1.5.2 光电耦合隔离………………………………………………………………18 第六节 A/D转换及芯片选择………………………………………………………19 1.6.1 芯片ADC0809介绍…………………………………………………………19 1.6.2 ADC0809引脚及其功能表…………………………………………………19 第七节 测速环节设计……………………………………………………………20 1.7.1 旋转编码器的原理及选择…………………………………………………20 1.7.2 M法测速的实现……………………………………………………………21 第八节 键盘显示单元……………………………………………………………21 第二章 系统软件程序的设计……………………………………………………22 第一节 主程序设计………………………………………………………………23 第二节 PI控制子程序设计………………………………………………………24 第三节 M法数字测速程序………………………………………………………26
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基于单片机的双闭环直流调速系统
第四节 故障保护程序设计………………………………………………………28 第二章 系统MATLAB仿真…………………………………………………………32 第一节 系统建模与参数设置……………………………………………………32 3.1.1 直流电机的数学模型………………………………………………………32 3.1.2 转速电流双闭环调速系统的数学模型…………………………………32 3.1.3 建立仿真模型………………………………………………………………33 第二节 仿真结果…………………………………………………………………33 结论…………………………………………………………………………………35 结束语………………………………………………………………………………36 参考文献……………………………………………………………………………37
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基于单片机的双闭环直流调速系统
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，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。
关键词： PWM信号 直流调速 双闭环 PI运算
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基于单片机的双闭环直流调速系统
前 言
本系统利用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。
本系统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。
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基于单片机的双闭环直流调速系统
第一章 系统硬件电路设计
第一节 系统总体设计
1.1.1 系统方案选择与总体结构设计
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）。 1、 系统控制对象的确定
本次设计选用直流电动机的额定参数直流电动机的额定参数PN=11kW、UN=230V、IN=47.8A、nN=1450 r/min，电枢回路电枢绕组电感La=2.8mH，电流过载倍数λ=1.5。电枢回路总电阻可取为R=Ra+Rrec=1.8Ω，系统机电时间常数Tm=0.2015s，电磁时间常数Tl=0.00278s，电动势系数Ce=0.1290V*min/r。 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
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基于单片机的双闭环直流调速系统
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。
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，进入转矩与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
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基于单片机的双闭环直流调速系统
双闭环直流调速系统动态结构图如图1-1.2所示。图中
WASR(s)和
WACR(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
WASR(s)Kn
WACR(s)Kins1ns
is1is
Id
显露出来。
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
图1-1.2 双闭环直流调速系统动态结构图
1.1.4 数字控制双闭环直流调速系统方框图
根据设计要求，本系统设计为全数字式控制方式，因此要求微型计算机完成：电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算，以及与它们相应的反馈信号的采样和数字信号处理。
本系统采用霍尔元件作为检测电动机电枢电流的传感器,其电流容量为50A,转换比例为1000：1。霍尔元件检测得到的弱电流信号经转换、滤波、放大后,变成与电枢电流成比例的0~5V的直流电压信号,再经A/D转换电路,将模拟电压转换成数字量,输入微型计算机。本系统选用光电脉冲信号发生器作为速度反馈的测量元件,光电脉冲信号发生器将电动机转子的角位移量转换成脉冲序列,通过计数器定时计数即可得到电动机转速的数字式反馈量。本系统由微型计算机来实现整个系统的控制,用全数字方式来取代传统的模拟控制方式,不仅提高了系统的可靠性、灵活性,而且还为整个系统的多功能、智能化提供了必要条件。 经上述考虑,本系统组成的方框图如图1-1.3所示。
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位置给定 数字式+ -位置控数字式速度控+ 数字式电流控A/D转换 PWM功率放大器 数字式PWM信号发生器 数字式速度测量计数器 信号转换滤波放大 . 霍尔元件 M 位置可逆计数器 光电隔离倍频变向 PG 图1-1.3 数字式双闭环直流调速系统方框图
1.1.5 数字式双闭环直流调速系统硬件结构图
数字式双闭环直流调速系统硬件结构图如图1-1.4所示
图1-1.4 数字式双闭环直流调速系统硬件结构图
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1.1.6 8051单片机简介
本系统要求微型计算机完成电流环、速度环和位置环的控制算法运算以及相应的反馈信号数字化测量和采样,接收和处理上位微型计算机送给伺服系统的指令,采集伺服系统的有关信息并反馈到上位微型计算机等。其中,电流环控制要求微型计算机有很快的响应速度,其采样频率比较高。另外,为了保证足够的控制精度和运算速度,对微型计算机字长和指令功能也有更高的要求。本系统选用我们比较熟悉的8051作为微型计算机。
1．8051单片机的基本组成
8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示：
图1-1.5 8051单片机基本组成
2．CPU及8个部件的作用功能介绍如下
中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。
内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。
特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80H—FFH。
内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。
并行I/O口：8051芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入输出。
串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。
定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。
中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。
振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。
3．8051单片机引脚图
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1-1.6 8051单片机引脚图
第二节 主电路的设计及参数计算
由于给定直流电动机的额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相降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Δ/Y联结。
1.2.1 整流变压器的计算与设计
变压器二次侧电压：U2的确定原则是要保证在电动机的整个起动过程中，整流装置都能够提供要求的最大电流值1.5*Idnom，忽略IGBT压降和换相重叠压降后可列出下列公式：
电动机Ce=0.1290
Udm=2.34*U2>Ce*Nn+Idm
考虑到电网电压波动，取波动系数为0 .95，则有:
U2=(Ce*Nn+Idm*R)/2.34=(0.129*1450+1.5*47.8*1.8)/(0.95*2.34)= 142.2V
整流器视在功率：
Sn=3u2I2=3*142.2*1.5*47.8=30.59 KVA
I1SN3u1，变压器一次侧电压一般由供电电源决定取 u=220V
1
故
I1=Sn/(3*U1)=30.59*1000/(3*220)=46.34 A
故变压器应选择220V/150V视在功率为35KVA
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1.2.2 开关器件IGBT参数计算与选择
反向最大电压：
U=1.3Uc=1.3*296.01=384.8V I=1.5Id=1.5*47.8=71.7A
选取西门子的BSM75GB60DLC型IGBT,耐压600V，电流75A，工作极限温度80oC。
1.2.3电阻、电容的选择
由限流电阻计算公式：
R0= Ud02/Pe=257.4*257.4/11000=6.0Ω
滤波电容器由经验公式求得：
C1=C2=4uF/V* Ud0=4*257.4=1029.6uF
并联电阻一般取56-100kΩ,则有：
R1=R2=56kΩ
吸收电阻：
Rb=2.5Uc/1.5IdN=15.48Ω，
所以，滤波电容器采用两个1100uF/300V标称的铝电解电容串联。 电阻取R0=6.0Ω,R1=R2=56 kΩ,Rb=16Ω
1.2.4 整流功率二极管的选择：
选择功率二极管的耐压值：
U=(2-3)Um=(2-3)*sqr(3)*110=380-520V
通态电流值：
Ita=（1.5-2）Ivt=(1.5-2)*47.8/sqr(3)/1.57=26.31-35.16A
选取功率二极管数据为：600V/50A
1.2.5 平波电抗器的选择及计算
平波电抗器：平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。
平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。 对于三相桥式整流电路：（参考课程设计一数据）
L=0.693U2/Idmin
又因为一般Idmin为电动机额定电流的5%~10%，这里去10%。In=47.8A 因此： L=0.693×U2/4.78 又因为U2=142.2V
所以： L=0.693*142.2/4.78=20.62Mh
1.2.6 快速熔断器的选择及计算
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基于单片机的双闭环直流调速系统
熔断器作用： 当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，可能损坏电路中的某些重要器件或贵重器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若安置了熔断器，那么，熔断器就会在电流异常升高到一定的高度和一定的时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。
快速熔断器的额定电流的计算如下：
Itn=π*Ita/2 (A)
其中Ita为晶闸管的额定通态平均电流，即为35.16A。 因此： Itn=55.2A。
快速熔断器的额定电压Utn可用下列公式计算：
Utn≧Kut*Uv /1.4 Uv =U2=142.2V；
Kut为元件电压计算系数,查表得2.45。 因此： Utn≧248.85V
所以应选用的熔断器为：RT0—100 型。
第三节 调节器的选择与计算
反馈系数的确定：电枢电流是双极性的，A/D转换的结果为10位二进制数 转速反馈系数： α= 1V.min/r
电流反馈系数： β= U*im/Idm=1023/(71.7*2)=14.4/A
1.3.1 确定电流调节器时间常数
1） 整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s。
2） 电流滤波时间常数 Toi:取Toi=0.5ms=0.0005s。
3） 电流环小时间常数之T∑i近似处理，取T∑i =Ts+Toi=0.0022s。 4） 电枢回路电磁时间常数Tl
Tl＝L/R＝0.781/52.3＝0.0167s
5） 电力拖动系统时间常数Tm
Tm=40ms＝0.04s
6) Ks=Uc-(-Uc)/fpwm=2*296.01/(100*1000)=0.00592
1.3.2电流调节器结构的选择
根据设计要求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
WACR（S）=Ki（τis +1）/τis
Ki-------电流调节器的比例系数； τi------电流调节器的超前时间常数。 检查对电源电压的抗干扰性能：
Tl /T∑I =0.0167s/0.0022s=7.6,参照教材中表2-3的典型型系统动态抗扰性能， 各项指标都是可以接受的。
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基于单片机的双闭环直流调速系统
图1-3.1 电流环等效近似处理后校正成为典型I系统框图
1.3.3电流调节器参数计算
电流调节器超前时间常数：
τi=Tl=0.0167s 电流环开环增益： 要求σi≤5％时,查表得KIT∑i=0.5,因此 KI=0.5/0.0022s=227.3s-1 于是，ACR的比例系数为：
Ki=KIτiR/Ksβ=227.3×0.00278×1.8/(0.00592×14.4)＝13.34
电流环采样角频率：
Wsi=10Wci=2273s-1
电流环采样时间：
Ti=1/(Wsi/2pi)=0.028s
1.3.4 确定转速调节器时间常数
1）电流环等效时间常数1/KI 已知KIT∑i=0.5，则
1/KI＝2T∑i＝2×0.0022s＝0.0044s
2）转速时间常数Ton。取Ton=0.001s
3）转速小时间常数 T∑n。按小时间常数近似处理，取
T∑n＝1/KI＋Ton＝0.0054s
1.3.5 转速调节器结构的选择
转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型II系统，系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
图1-3.2转速环等效近似处理后校正成为典型II系统框图 ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：
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WASR（s）= Kn（τns +1）/τns
Kn-------转速调节器的比例系数； τn------转速调节器的超前时间常数。
1.3.6 转速调节器参数计算
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为
τn=hT∑n=5×0.0044s=0.027s
转速开环增益：
KN=(h+1)/2h2T∑n2=6/(2×52×0.00542)=4115.2s-2
ASR的比例系数为：
Kn=(h+1)βCeTm/2hαRT∑n=6×14.4×0.1290×0.2015 /( 2×5×1×1.8×0.0054)=23.10
转速环采样角频率：
Wsn=10Wcn=1111.1s-1
电流环采样时间：
Tn=1/(Wsn/2pi)=0.00565s
第四节 PWM信号发生电路设计
1.4.1 PWM的基本原理
PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。 如下图所示：
图1-4.1 PWM原理波形
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。
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基于单片机的双闭环直流调速系统
由上面的公式可见，当我们改变占空比 D = t1 / T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。
1.4.2 PWM信号发生电路设计
图1-4.2 PWM信号发生电路
PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。
两片数值比较器4585，即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2—Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。
12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2—Q9加1，当计数值小于或者等于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端为高电平。随着计数值的增加，Q2—Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（A>B）输出端又变为低电平，这样就在U2的（A>B）端得到了PWM的信号，它的占空比为（255 -X / 255）*100%，那么只要改变X的数值，就可以相应的改变PWM信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。
使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”，使用数值比较器4585的B组与P1端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定
15 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文
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基于单片机的双闭环直流调速系统
规律增大。
1.4.3 PWM发生电路主要芯片的工作原理
1．芯片4585
（1）芯片4585的用途：
对于A和B两组4位并行数值进行比较，来判断它们之间的大小是否相等。 （2）芯片4585的功能表：
输入 比较 级取 A=B * * * * 0 1 0 * * * A>B 1 1 1 1 1 0 0 * * * 输出 AB 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 A3、B3 A2、B2 A1、B1 A0、B0 AB3 * * * * * * * A3=B3 A2>B2 * A3=B3 A2=B2 A1>B1 * A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0>B0 * A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0=B0 0 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0=B0 0 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0 * * * * * * 图1-4.3 4585的引脚图 2．芯片4040 16 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 芯片4040是一个12位的二进制串行计数器，所有计数器位为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数。当CR为高电平时，它对计数器进行清零，由于在时钟输入端使用施密特触发器，故对脉冲上升和下降时间没有限制，所有的输入和输出均经过缓冲。 芯片4040提供了16引线多层陶瓷双列直插、熔封陶瓷双列直插、塑料双列直插以及陶瓷片状载体等4种封装形式。 （1）芯片4040的极限值： 电源电压范围：-0.5V—18V 输入电压范围：-0.5V—VDD+0.5V 输入电流范围：±10mA 贮存温度范围：-65°C—150°C （2）芯片4040引出端功能符号： CP: 时钟输入端 CR：清除端 Q0—Q11：计数脉冲输出端 VDD: 正电源 VSS: 地端 （3）芯片4040功能表： 输入 CP ↑ ↓ * CR L L H 保持 计数 所有输出端均为L 输出 （4）芯片4040的引脚图： 图1-4.4 4040的引脚图 第五节 功率驱动模块及光耦隔离设计 1.5.1 功率驱动模块 电路中驱动采用的是IR2112S芯片，IR2112S芯片是IR公司专为驱动功率 17 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 开关管而设计的，是一种高电压高速的功率MOSFET和IGBT驱动器，它有两个独立的高端和低端输出通道，一个芯片可以驱动两个MOSFET管或IGBT管。输出的浮置通道可用来驱动高端接于600V(最大)的N沟道电力MOSFET或IGBT。图1-5.1为SOIC封装的IR2112S的引脚排列。 图1-5.1 IR2112S的引脚排列 IR2112S具有的特点是： (1)浮置通道具有自举电路，工作电压可达600V，抗dv/dt干扰； (2)驱动电压为10V以上； (3)禁止直通逻辑(一个桥的上下臂不能直通)； (4)两个传输通道延时相同； (5)高端输出与HIN输入相位相同，低端输出与/LIN相位相同（如图1-5.2）。 图1-5.2 IR2112S的控制逻辑 1-5.2 光电耦合隔离 光藕起到隔离和电平转换的作用，因为单片机输出的是TTL电平(0～5V)，而驱动部分采用的是IR2112S，它的电源要求是3V～20V，光耦部分电路中采用了5V电源，其输入电平在0～5V之间。在此选用高速光耦6N136芯片。因为6N136的绝缘电压是2500V(最小值)，具有可兼容的TTL电路;逻辑低电平和逻辑高电平的传输延迟时间都是0.5μs(带宽2MHz)，供电电压是－0.5V～15V，其耐压和速度都符合电路的要求。 18 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 图1-5.3 6N136芯片引脚图 第六节 A/D转化及芯片选择 1.6.1 芯片ADC0809介绍 ADC0809是8位、逐次比较式A/D转换芯片，具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一的+5V电源，其模拟量输入电压的范围为0V---+5V，其对应的数字量输出为00H---FFH，转换时间为100μs，无须调零或者调整满量程。 1.6.2 ADC0809的引脚及其功能 ADC0809有28个引脚，其中IN0---IN7接8路模拟量输入。ALE是地址锁 VV存允许，REF、REF接基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电电源就可以 作为基准电源。START是芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿起动一次新的A/D 转换。EOC是转换结束信号，可以用于向单片机申请中断或者供单片机查询。OE是输出允许端。CLK是时钟端。DB0---DB7是数字量的输出。ADDA、ADDB、ADDC接地址线用以选定8路输入中的一路，详见下图。 ADDC 0 0 0 0 1 1 1 ADDB 0 0 1 1 0 0 1 ADDA 0 1 0 1 0 1 0 选通输入通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 19 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 1 1 1 IN7 图1-6.1 ADC0809引脚图及功能表 第七节 测速环节设计 转速的测量使用编码盘。光电式旋转编码器在数字测速中常用作为转速或转角的检测元件。由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。本系统选用M法测速。 1.7.1旋转编码器的原理及选择 电编码器来采样转速信号。增量式编码器是专门用来测量转动角位移的累计量。 图1-7.1 增量式光电编码盘结构及信号输出 这里以三相编码器为例介绍增量式编码器的工作原理及其结构。增量式光电编码器在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条。在圆盘两侧放发光元件和光敏元件。当圆盘随电机旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲。码盘上有相标志，每转一圈Z相输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号，如图1-7.1所示。 转速及转向信号处理：将A、B两相脉冲中任何一相输入计数器中均可使计数器进行计数。编码盘输出的Z相脉冲用于复位计数器，每转一圈复位一次计数器；编码盘的旋转方向可以通过D触发器的输出信号Q来判断。整形后的A、B两相输出信号分别接到D触发器的时钟端和D输入端，D触发器的CLK端在A相脉冲的上升沿触发。由于A、B两相的脉冲相位相差90°，当电机正转时（假设B相脉冲超前时为正转，反之为反转），B相脉冲超前A相脉冲90°，触发器总是在B脉冲为高电平时触发，这时D触发器的输出端Q输出为高电平。如图1-7.2所示。当电机反转时，A相脉冲超前B相脉冲90°，则D触发器总是在B脉冲为低电平时触发，这时Q输出端输出为低电平。由此确定电机的转动方向。 20 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 图1-7.2 电机运转方向判别 1．7.2 M法测速的实现 在系统中，使用单片机的T/C0和T/C1分别记数高频时钟脉冲个数时间内旋转编码器输出的脉冲个数 M1 M2和同 。由于T/C0还要给8279给定时钟信号， M1 因此工作于计数器方式，时钟信号为单片机时钟的1/2分频即4MHZ，定时器初值设为80H。T/C0溢出中断后，记录T/C1的数值 M1 ，并将单片机PB0清零， 延时5个时钟之后，置位PB0口后重新开始记数，再次溢出中断时：如果测速容许，再次记录T/C1的数值 ，否则将单片机PB0清零，延时之后置位PB0 M2口，重新记数。这样循环，T/C0完成了记数高频时钟脉冲个数信号的输出。那么，电动机的转速为： n和8279脉冲 式中，高频时钟频率 f060M1f0pM2 610=4×HZ； 旋转编码器的光栅数P=1024； M2=64. 第八节 键盘显示单元 按键控制与LED显示单元完成系统参数（占空比和转速）的实时显示，以 及通过键盘输入系统的给定（占空比）。本系统中通过8279芯片来扩展键盘和显示接口。INTEL8279可以显示8位或16位LED显示器，可以和具有64个按键或传感器的阵列相连，通过编程可以实现多种工作方式。8279的引脚图如下： 21 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 10113RDWRCLK1213141516171819422DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7IRQCS21A09RESETOUTB0OUTB1OUTB2OUTB3OUTA3OUTA2OUTA1OUTA0BDSL0SL1SL2SL3RL0RL1RL2RL3RL4RL5RL6RL7SHIFTCNTL/S3130292824252627233233343538391256783637 图1-8.1 8279的引脚图 8279的主要功能如下： 键盘与显示器同时工作； 扫描式键盘工作方式； 扫描式传感器工作方式； 用选通方式送入输入信号带有8字符的键盘； 先入先出存储器FIFO； 触点回弹时两键封锁或N键巡回； 双排8字或单个16字的数字显示器； RAM工作方式可由单片机编程可编程扫描定时，键盘送入时有中断输出。 8279与DB0-DB7与8051的PB.3～PB.7、PD.1、PD.2口相连。8279的IRQ经非门接到的INT0管脚上，可以实现键盘查询或键盘中断。由PB.0口为8279输出定时时钟。RD、WR与PD.5、PD.6相连，访问8279时，8051给出相应的电平。8051的PD.4作为8279的片选（CS）信号。并且PD.7与8279的A0相连。因此8279的地址分别为：数据口：7EFFH；命令口或状态口：7FFFH。8279与4个共阴极显示器和一个12键的小键盘连接。SL0-SL3的扫描按编码方式经74LS139译码输出作为键盘的行扫描线，同时经驱动器75451接LED显示器的COM端作为显示器位扫描驱动信号。OUTA与OUTB经驱动器74LS244与显示器的段码线相连，直接控制显示字型，RP200A为8个200欧姆/0.5W上拉电阻。键盘的列扫描县送会扫端RL0-RL3上。 由8051单片机向它写入命令后，它会自动扫描键盘；有键按下时，会判断键号，将键号存入内部的FIFO缓冲器，并向8051单片机申请中断。于是8051单片机只要发出读FIFO的命令，将键号读入即可。要显示数据，8051单片机只要向8279发出“写显示RAM”命令，将字型码写入，8279会自动进行动态扫描显示。 第二章 系统软件程序设计 22 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。单片机数字控制双闭环直流调速系统的软件有主程序、初始化子程序、中断服务子程序等。 第一节 主程序设计 主程序流程图如图2-1.1所示。在主程序中，主要完成对各个可编程芯片进行初始化和键盘参数设置的处理。键盘参数设置的处理主程序中的重要部分，这部分程序设计采用程序的模块化，有效的解决了复杂的多重分支问题。启动功能键按下时，系统开始启动采样定时并进入实时控制阶段，每次中断返回时若有复位键和新的参数设置键按下则返回键处理程序。 开始 系统初始化 系统初始化 设定定时器工作方式 有键按下？ NO YES 按键处理 参数及变量初始化 设定I/O、键盘和显示接口的工作方式 刷新显示 数据通讯 返回 图2-1.1 主程序的流程图 图2-1.2 初始化子程序流程图 如图2-1.2，系统初始化包括中断始化、各存储单元赋初值、键盘显示器的各数据程序表赋常数、各种限定值装入数据存储器、设定堆栈指针、给主程序标志寄存器送初始值、控制器设定初值等。 主程序： 0000 AJMP START START：CLR PSW.4 CLR PSW.3 ；选中工作寄存器0组 CLR C MOV R0 ，4FH MOV A ，30H CLEAR1：CLR A INC A DJNZ R0 ，CLEAR1 ；清零30-7FH SETB TR0 ；定时器/计数器0工作 23 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 MOV TMODE ，#01H ；定时器/计数器工作在方式1 SETB EA ；总中断开放 SETB IT0 ；置INTO为降沿触发 SETB IT1 ；置INT1为降沿触发 LJMP MAIN LJMP CTCO LCALL SAMPLE . . . Fosc=12MHZ，用一个定时器/计数器定时50ms，用R2作计数器，置初值14H，到定时时间后产生中断，每执行一次中断服务程序，让计数器内容减1，当计数器内容减为0时，则到1s。 第二节 PI控制子程序设计 为了安全起见，系统对转速调节器和电流调节器实行限幅，当转速调节中断服务子程序或电流调节中断服务子程序进行到“转速调节”或“电流调节”时，便进入PI控制子程序（如图2-2.1）。 PI程序： SETB EX1 ；开放中断1 MOV R0，90H ；P1口（W）送R0,预设 MOV R1，80H ；P0口（Y）送R1，实测 MOV A，R0 ；W给A MOV B，R1 ；Y给B SUBB A，B ；ei给A MOV 7FH，A ；ei 给7FH MOV 7EH，#00H ；ei-1=0给7EH MOV 7BH，Umax MOV 7AH, Umin AJMP IN ；积分项 AJMP P ；比例项 MOV A，R2 ；Pi给A ADD A，R3 ；Pi+Pp给A MOV 7DH，#00H ；Ui-1=0给7DH ADD A，7DH ；Ui-1+Pi+Pp=Ui给A MOV 7CH,A ；Ui给7CH MOV 7DH，7CH ；Ui给Ui-1 MOV A，7BH ；Umax给A CJNE A，#Ui，LOOP2 ；Ui〉Umax转移 MOV A，#Ui CJNE A，7AH，LOOP3 ；Ui 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 CLR C SUBB A，#Umax RETI LOOP3：MOV A，7CH ；Ui给A CLR C SUBB A，#Umin RETI IN：MOV 6FH，#I MOV A，6FH ；I给A MOV B，7FH ；ei给B MUL AB ；Pi=I*ei给A MOV R2，A ；Pi给R2 RETI P：MOV 6EH，#P CLR C MOV A，7FH ；ei给A SUBB A，7EH ；ei-ei-1给A MOV 7EH，7FH ；ei给ei-1 MOV B，6EH MUL AB ；（ei-ei-1）*P给A MOV R3，A ；Pp给R3 RETI 25 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 保护现场 选择参数和初值 本次采样输入 计算偏差值e (k) u1(k)Te(k)u1(k1) TiY u1(k)um N Y u1(k)um u1(k)um N u(k)KP(e(k)e(k1))u1(k) u1(k)um Y u(k)um N Y u(k)um u(k)um？ u(k)um N 返回 图2-2.1 PI控制子程序框图 第三节 M法数字测速程序设计 26 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 保护现场 容许中断吗？ N 容许中断吗？ 保护现场 Y 开放T/C1和T/C0 关闭T/C1 禁止策速 禁止捕捉中断 开放捕捉中断 恢复现场 恢复现场 中断返回 中断返回 图2-3.1捕捉中断服务子程序框图 图2-3.2测速时间中断服务子程序框图 测速软件由捕捉中断服务子程序(图2-3.1)和测速时间中断服务子程序（图2-3.2）构成，转速调节中断服务子程序中进行到“容测速许”时，开放捕捉中断，但只有到T/C0计数值为零时，旋转编码盘脉冲计数器T/C1和T/C0同时开始计数，同时禁止捕获中断，使之不在干扰计数器计数。待T/C0溢出时发出停止测速信号，再次开放捕捉中断，计数器T/C1计数。测速软件完成在转速调节中断服务子程序只完成。 程序： 因为8051得外部中断源有限，在进行M发测速时，可以扩展外部中断来满足要求，相应的设置程序设置如下所示。 void init()//定时器的初始化，外部中断 { TMOD=0x01; EA=1; IT0=1; EX0=1; 27 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 M1 ，转速计算是 基于单片机的双闭环直流调速系统 TL0=(65535-50000)%256; TH0=(65535-50000)/256; TI0=0; TR0=1; } void timer0() interrupt 2//定时器中断 ( unsigned char i; i++; if(i=1000) { TR0=0; IE0=1; i=0; n=60*date/z; date=0; display(); TR0=1; } ) void extra() interrupt 1//外部低电平中断，优先级低 ( ) date++; 第四节 故障保护程序设计 程序：故障保护 实时采集各路电压信号，并利用电压比较器将比较后得电压信号采集到单片机中故障综合部分用加入与非芯片，实现线与的功能，同时利用外部中断，一旦线与值出现低电平，触发外部中断，则在中断程序中利用0809采集四路电压信 28 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 号并与设定值比较，匹配时转到相应处理部分 //启动A/D转换函数：StartADC() void StartADC(uchar Address) { //等待A/D转换结束函数：WaitADCEnd() void WaitADCEnd(void) { while(!PinEOC) ; } PinC = (bit) (Address & 0x04); PinB = (bit) (Address & 0x02); PinA = (bit) (Address & 0x01); PinSTART = 0; } //读取A/D转换后的数据函数：ReadData() uint ReadData(void) { uint temp; WaitADCEnd(); PinOE = 0; nNop(2); temp = PinData & 0xff; return(temp); } void InitIO() { PinData = 0xff; PinA = 0; 29 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 PinB = 0; PinC = 0; PinSTART = 0; PinOE = 0; PinEOC = 1; } void chuli() { uint temp; InitIO(); while(1) { for(i=0;i<4;i++) { StartADC(4); temp[i] = ReadData(); } } } void display() { 。。。 } //数据送液晶显示器显示 流程图如图2-4.1所示 30 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 图2-4.1 故障保护程序流程图 31 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 进入中断 Y 电压检测高? N Y 主电路电流值高? 给脉冲，开IGBT 并显示故障类型 N 关触发脉冲，自由停车 并显示故障类型 Y 电枢电流值高? N 关触发脉冲，自由停车并 显示故障类型 Y 温度过高？ N 关触发脉冲，自由停车并显示故障类型 中断返回 基于单片机的双闭环直流调速系统 第三章 系统MATLAB仿真 本次系统仿真采用控制系统仿真软件MATLAB7.0，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种：一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究；另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用前一种方法。 第一节 系统的建模与参数设置 3.1.1直流电动机的数学模型 在本设计中讨论的是直流电动机拖动恒转巨负载的自动控制系统，直流电动机本身是一个电-磁相互作用的非线性系统，在这里将其近似为一个线性系统，得到直流电动机的传递函数为： Wd(s)n(s)Ud0(s)TTCe12lmSTmS1 3.1.2转速电流双闭环调速系统的数学模型 求取双闭环调速系统的数学模型一般采用由内到外，逐环求取。对转速电流双闭环系统，首先求取电流环传递函数，再将其视为转速环中的一个环节，在求取转速环的传递函数，由于检测信号中含有交流分量或其他高频干扰。故对转速电流信号均经过T型滤波，再加到调节器的输入端，为了补偿这些滤波环节带来的惯性作用，在给定信号中也加入一个相同时间常数的给定滤波环节。 1、电流环传递递函数的求取 TT 由于系统中机电时间常数m远大于电磁时间常数l，反电动势E的变化过程 TTT相对缓慢，因此在电流环中，可忽视反电动势的影响，又由于S和oi比l小得多，可以当作小惯性环节近似处理，故取TiTs+Toi。 由于电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在土家 Tl/Ti10控制作用时不希望有超调，而且当时，典型型系统的抗恢复时间还 是可以接受的，故采用PI调节器将电流环的控制对象校正成典型型系统，其中 is1WACR=Kiis。 PI调节器传递函数为：故电流环的闭环传递函数为 KiS(TiS1)K1S(TiiS1)Wdi(s)2、转速环的传递函数 1Ti2SSKiKi1 有上式已知电流环的闭环传递函数，又由于转速环的截止频率 cn一般较低， 32 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 因此电流内环 cli(s)可等效为一阶环节。 Wcli(s)1KI1S1 其近似条件为： cn13TcnKiTI 同样的，再将时间常数为 2TI和的两个小惯性环节合并起来，形成一个时间 T 常数为n的惯性环节，则n2ion 基于系统稳态无静差的条件，转速环应校正成典型型系统，而且典型型系统的抗扰动性能好。由于将转速环校正成了典型型系统，故ASR有必将采用PI调节器，其传递函数为： WASRSKnns1ns。 3.1.3 建立仿真模型 转速双闭环直流调速系统的传递函数模型主要由给定环节、ASR、ACR、限幅函数、速度反馈环等部分组成。采用传递函数图方法构成的双闭环系统仿真模型 如图3-1.1所示： 10.001s+1StepTransfer Fcnnum(s)0.027s+1Transfer Fcn8Saturation10.0005s+1Transfer Fcn510.001s+1Transfer Fcn4num(s)0.00278s0.005920.0017s+11/1.80.00278s+1Transfer Fcn21.80.2015sTransfer Fcn610.129Transfer Fcn7ScopeTransfer Fcn9Saturation1Transfer Fcn114.40.0005s+1Transfer Fcn3Scope11GainStep1图3-1.1 双闭环直流调速系统模型 第二节 仿真结果 33 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 仿真波形如图3-2.1所示 图3-2.1 仿真波形 如图3-2.1所示，在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后， Un极性发生了变化， Un0，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅 值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。 34 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 结论 本文所述的直流电机闭环调速系统是以低价位的单片微机8051为核心的，而通过单片机来实现电机调整又有多种途径，相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行调整，采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。而在软件方面，采用PI算法来确定闭环控制的补偿量也是由数字电路组成的直流电机闭环调速系统所不能及的。曾经也试过用单片机直接产生PWM波形，但其最终效果并不理想，在使用了少量的硬件后，单片机的压力大大减小，程序中有充足的时间进行闭环控制的测控和计算，使得软件的运行更为合理可靠。 因为本系统采用了双闭环系统，所以系统能够通过两个转速调节器进行自动调节作用减少稳态速降，但是有超调。为使系统的稳态性能更好，该系统采用无静差调节，即转速调节器采用比例积分调节器（PI调节器），使系统保证恒速运行，以保证满足更严格的生产要求。 35 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 总结 通过这段时间的课程设计，我觉得我学到了许多东西，不仅巩固了以前所学的知识，而且还学到了许多在课本上不能学到的东西。 。 。 参考文献 [1] 陈伯时主编 电力拖动自动控制系统—运动控制系统（第3版） 机械工业出版社 2007 [2] 王兆安，黄俊主编 电力电子技术（第4版） 北京：机械工业出版社 2000 [3] 任彦硕主编 自动控制原理 机械工业出版社 2006 [4] 李荣生主编 电气传动控制系统设计指导 机械工业出版社 [5] 吴守箴，臧英杰 编著 电气传动的脉宽调制控制技术 机械工业出版社 36 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 基于单片机的双闭环直流调速系统 [6］孟庆春 电力拖动自动控制系统 沈阳：东北大学出版社 2005.12 [7] 沈文，Eagle lee 詹卫前 AVR单片机——C语言开发入门指导. 2003 [8] 万福君 潘松峰 单片微机原理系统设计与应用(第二版) 2004 [9] 李仁定 电机的微机控制 机械工业出版社 2004 [10] 周渊深 交直流调速系统与MATLAB仿真 中国电力出版社 2007 37 免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文 档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容