2转速电流调节器设计docx

  电气传动技术是现代工业发展的核心技术，尤其是在第二次工业革命的时候，各国全力发展电气传动技术，使此技术获得飞跃式的发展。电气传动控制管理系统的控制对象是电动机，控制核心是单片机，操作机构是电力电子元件构成的系统，再通过运动控制理论将各个模块组合起来就是电气传动控制管理系统。电气传动控制管理系统的控制对象不仅包括直流电动机，还包括交流电动机、步进电动机等。直流电动机和交流电动机各有各优势，但是在调速方面直流电动机以其优秀的调速性能在电气调速转动中占领主导地位。跟着社会的进步市场也在扩大，人们对电机控制管理系统的需求慢慢的变多，对它的要求也慢慢变得高，客户们总是渴望买到更强大、更简单、更方便的数字控制调速系统，系统的可靠性和安全性也是不能被耽搁的，必须同时赶上进程。未来几年，可以预测到会有更强性能、更稳定安全的元件出现。在当今社会，新型的电气传动技术以及遍及人们生活的各个领域，人们对直流电机调速系统的要求也慢慢的升高，对控制系统的要求也越来越高。PWM最开始只应用于国家安全领域和航空航天领域。对于那些要求高精度、高速度的跟随系统PWM都可以满足它们。在近几年，PWM技术逐步应应用广泛用在工业上面，尤其是在自动化的工厂流水线、机器人控制等领域。如今，电力电子技术、微机技术、电机技术它们之间的联系越来越紧密，这将加速数字控制电机调速技术的迅猛发展。

  直流电机脉冲宽度调制调速系统最早出现在上个世纪中后期。那时用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等。直到现代社会，随着科技的发展晶体管器件水平不断上升集成电路的规模也在不断缩小，同时又因出现了宽调速永磁直流电机，新型电子器件与新型电机的结合推断直流调速系统发展到一个更高的层次。

  在国外，PWM最开始只应用于国家安全领域和航空航天领域。对于那些要求高精度、高速度的跟随系统PWM都可以满足它们。在近几年，PWM技术逐步应应用广泛用在工业上面，尤其是在自动化的工厂流水线、机器人控制等领域。如今，电力电子技术、微机技术、电机技术它们之间的联系越来越紧密，这将加速数字控制电机调速技术的迅猛发展。随着社会的进步市场也在扩大，人们对电机控制系统的需求越来越多，对它的要求也慢慢变得高，客户们总是渴望买到更强大、更简单、更方便的数字控制调速系统，系统的可靠性和安全性也是不能被耽搁的，必须同时赶上进程。未来几年，可以预测到会有更强性能、更稳定安全的元件出现。

  电气传动的现代化发展靠的就是数字化控制，将单片机引入直流调速系统也是其重要发展方向之一。上个世纪中后期，世界上的许多发达国家都在全力发展数字控制的直流调速系统，尤其是让计算机也可以与直流调速系统相连实现自动控制，这样数字控制的直流调速系统不仅可以抵抗很强的干扰而且精度也很高，使其在全球得到推广。数字控制的直流调速系统的最新研究成果在各行各业都体现出了优势。此调速系统的不断更新和优化，极大的促进了工业的进步。

  直流调速系统加入单片机控制之后，系统就可以实现数字控制，操作方便、安全性高、维护投入的资金少,在使用微机控制之后转速会更加稳定。随着单片机技术的不断发展,单片机的价格越来越便宜性能越来越强悍，所以单片机越来越广泛的应用于各行各业,虽然交流电机的发展也是非常迅猛的，但是于直流电动机相比它就逊色许多，直流电机以它方便的控制、优秀的起制动性能，在抽水机、矿井风机、打井机、海洋钻机、数控机床、纺织机、提升机等都需要平稳的无极调速。

  当前时代，中国在数字控制的可逆直流调试系统最新研究成果方面还没有完全能与国外的自主研发技术相比，国外的先进的控制器价格昂贵，自主研究更好先进控制器成为新一代年轻人的使命，具有重要的实际意义和重大的经济价

  转速、电流调节器的设计：介绍了什么是转速电流双闭环直流调速系统，并对转速电流双闭环直流调速系统的动态特性进行了分析，最后对转速调节器和电流调节器进行设计。

  硬件电路的设计：首先对单片机和其他主要芯片进行了选取，然后设计了主电路、单片机最小系统电路、IGBT驱动电路、转速检测电路、键盘显示电路、保护电路等。

  软件设计：此部分主要对系统的总体流程图进行了描绘，然后对各个功能子模块进行描绘。

  在主电路方面采用了最基础了双极式H桥电路，开关器件采用了最先进的IGBT，我们可以通过控制IGBT的导通和关断实现电机的四象限运行，但是IGBT的驱动电路还需要格外的设计，因为单片机输出的信号并不能直接作用与IGBT，得需要驱动电路对信号进行放大才能使IGBT正常工作。对于控制部分采用AT89C52为主控器，为了实现全数字化的微机控制电动机双闭环可逆PWM直流调速系统更好的数字化此处使用数字化的脉冲宽度调制和转速测量等环节。此系统使用高分辨率数字显示器和键盘来控制和显示转速还有高精度数字测速装置。对于测速部分没有直接使用转速传感器，而是使用一种新颖的测速方法利用光电传感器产生脉冲信号，电动机不同的转速对应不同的脉冲信号，通过对脉冲信号的计数处理可以得到转速。测量电压模块主要就是把主电路的电压信号经过模数转换传递到单片机里面，如果电压过高单片机就会发出信号使主电路中的开关三极管导通，使电能以铜损的形式消耗掉。单片机的主要功能不只是控制各个模块，还有就是产生PWM波对电机进行调速。

  从双闭合环形系统的静态特性分析,单独的采用电流负反馈可能导致静特性出现减弱趋势,但也有负反馈转速环在外面，完全消除因为稳定器的旋转速度是转速调节器(ASR)不饱和;因为转速调节器(ASR)使用了PI调节器，如果没有静态直流调节系统，整个系统就会失灵。从动态过程分析,建立响应开始突然转好,启动过程或ASR很快达到饱和状态,当电流环不发挥作用,系统变成直流系统中,最大转速偏差可以实现短时间控制,直到错过后,转速PI调节器可以发挥作用,只有转速慢,直到达到稳定状态。这就是双闭合系统电流转速的组成。一旦“快速给定”的时候，它的过渡过程出现在一个直流调节系统中，它表现为一个无静电和近乎稳定的直流调节系统，产生了很好的动态结果。再加上微型机器控制管理系统可以使用数字触发器和数字设备来测量能够更好地满足高性能工业需求的速度，因此在需要更高速度准确性、速度分辨率和快速响应的驱动设备中广泛应用。

  对于我们设计的PWM可逆直流调速系统，在工业上应用很广泛如可逆轧钢机等，提升生产效率的一个非常好的方法就是缩短起、制动的时间。因此，在启动(或制动)过渡过程中，我们总是希望保持电磁扭矩(电流)作为最大允许的数值。

  实时上，因为主电路的电感作用，电流是不可能突然变化的，为了能够实现在允许条件之下的快速起动，最重要的是要进入一个恒定的通量周期，这是一个恒定的最大电流周期。根据反馈控制模式，一个物理大小的负反馈可以保持这个值的稳定和不变，那么使用电流的负反馈也可以产生近似常数。问题在于，启动时应该只使用负反馈，而不是以稳定的旋转速度反馈的负反馈，并且希望一旦达到稳定的负反馈，就只会有负反馈，从而阻止电流反馈再次发挥作用。但是你怎么能这样做呢，有两个负反馈，同时有电流和转速，又可以使它们只能分别在不同的阶段里发挥作用呢?只用一种调节器显然是不可能实现的，采用电流和转速两个调节器应该可以，问题就在于系统中应该如何连接。

  对这两种类型的负面反馈电流和运行速度,可以分别安装两个监管体系,引入负面反馈电流和负面反馈旋转速度调节器,分别和两个可串行连接(或称嵌套),见图。ACR的输入来自ASR的输出，ACR的输出用于控制UPE变换器。从闭环结构来看，速度环在系统外，称为外环，电流环在系统内，称为内环。这形成了一个速度调节系统，用于旋转速度，直流电流反馈控制(以下简称双闭路系统)。本系统的转速、电流调节器都使用PI的类型，可以使系统的动静态特性达到一个非常良好的状态。

  转速是本次设计的直流调速系统的被控制对象，通过控制转速我们大家可以调节系统的性能。在经过分析之后，此系统要用阶跃给定下的动态响应来描述跟随特性，如图所示的系统就是时间最优的理想过渡的状态。能否实现我们预期的加快过程，最终在时间上以最优秀的形式达到所要求的性能指标，是设置和使用双闭环的重要追求目标。

  如果系统的负载是稳定不变的，那么电机的电流或者说是电磁转矩会影响系统的转速，通过对Id(t)的分析和计算可以反向分析理解电机起动过程n=f(t)。图3-6是双闭环直流调速系统在带有负载IdL前提下起动过程的转速波形和电流波形。

  从图中观察到，电流Id增长的非常迅速而且是在非常短的时间之内，Id从零涨到Idm，然后在很长的一段时间之内电流一直等于Idm，最后电流在很短的时间之内又快速下降IdL，但在这很短的时间内电流并不是直接就降到了IdL而是经过波动调节之后才稳定到IdL。而对于电机转速来说，它的波形变化是对应于电流波形变化的，转速首先是慢慢增长，过很短的时间之后速度平稳增长此时的加速度恒定，转速超过给定转速之后又稳定到定值。转速调节器在整个起动变化中经历了快速进入饱和、饱和和退饱和三种情况。根据转速和电流的变化波形和其特点我们可以把起动过程分为电流上升阶段、恒流升速阶段、转速调节阶段。

  1）饱和非线性控制。系统的处于什么样的状态是由ASR决定的，ASR的饱和与不饱和可以对应不同结构的线性系统，使用简单的线性控制理论是分析计算不出来的，使用简单的线性控制理论也是设计不出来的，需要具体问题具体分析，分段是最好的解决方法。

  2）转速超调。ASR选用PI调节器，使用PI调节器的话转速肯定会超过给定转速。转速超过给定转速的量较小一般是没有问题的，如果要求转速一点也不能超过给定转速，那么需要使用其他的方式来控制超调抑制转速一直上升。

  3）准时间最优控制。在系统设备的最大能力下实现的最少时间的调控一般称为“时间最优控制”，而对我们设计的系统来说，在设备的最大允许能力范围之内的恒定电流来启动电机，一般称为时间最优控制。在整个起动过程中，有两个阶段的电流是不会忽然变大变小的，就阶段是Ⅰ、Ⅲ这两个阶段，在实际的操作中起动过程还是跟理想的条件下不一样的，这两个阶段的时间加在一起也会占到总时间的很大比例，基本没有影响，所以我们可称做“准时间最优控制”。

  如图所示，在电流环的后面存在着一个负载扰动，这时如果想要消除或者抵抗负载扰动可以使用ASR。如果需要更好的抗扰性能指标，在ASR的计算分析应着重考虑。双闭环条件下系统的抗扰特性会大幅上升。

  单闭环调速系统受到扰动时如图3-7所示，和都作用于被转速负反馈环包围的前向通道上,仅对于表示转速稳态调节性能的静特性来说，系统对它们的抵抗扰动影响的效果是一样的。但从动态性能的角度来看，由于干扰的作用点的不同，快速和非典型的调节能力之间存在差异。负载扰动可以迅速反映n的的规律,因此得到调节,由电网电压波动而形成的扰动点距离被调量比较远，调节之后的效果也会很慢才出现。

  在图所示的双闭环直流调速系统中，由于我们加上电流环电压波动在环内可获得更快速度的调整时间,而不必等到影响旋转速度的时候才出现反馈。由此可以推断出，设计的双闭环直流调速系统它的抗扰能力会比单闭环强的多，转速的变化也不会非常大。

  如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内的前向通道上面，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统

  最后，由于和一般都比小得多，所以可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为TΣi=Ts+Toi。近似条件为

  和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数为1/KI和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环，其中则转速环结构图可简化成图

  为了实现转速无静差目标需要再添加一个积分环节，这个积分环节应该在负载扰动作用点前面。积分环节最好含在转速环中(见图)。从图中可以看出这个系统的开环传函有两个积分环节，扰动作用点的前后都各含有积分环节，所以选择型Ⅱ型系统是毋庸置疑的。此系统加入了两个积分环节，很大的增加了动态抗扰性能。

  在经过实际分析过后，51单片机就可以完全做到，所以决定选用51系列的AT89C52单片机，其结构框图如图2-2所示

  使用单片机的目的不仅仅是使单片机输出PWM波，而且需要单片机将各个芯片连接起来统一协调的工作。单片机是整个数字控制的核心。单片机连接了保护电路可以发出信号使保护电路动作，也连接了检测电路可以检测出主电路的电压和电机的转速，达到实时监控；单片机也连接了键盘显示电路能够最终靠按键来对电机进行控制，显示器来显示电压和转速；它也控制着PWM波的输出，虽然单片机输出的PWM并不能直接作用到主电路中，但是通过IGBT的驱动电路使信号放大可以控制电机的起动停止。

  8279是一种通用的可编程键盘/显示器接口芯片。该芯片能够接收和识别一组键盘的输入信号，并完成预处理，并显示数据并自动控制数字显示设备。它是一个专用的芯片，允许CPU、键盘和LED数字监视器之间的信息交换。8279和AT89C52之间的连接非常简单，因此广泛应用于微处理器应用程序。

  此芯片在本设计中的作用就是连接键盘和显示模块，通过键盘来控制电机的加速、减速、正转、反转，通过显示器来显示电压和转速，这样能对总系统达到一个更好的监视。

  本设计用此芯片主要是用来测电机的转速，当单片机发出测速的信号，芯片就开始工作，首先是对光电编码器产生的信号进行计数，然后与时钟脉冲进行计，将两组数据进行对比分析，单片机经过M/T算法计算就可以得出电机的转速，非常方便。

  ADC0809的功能主要是将模拟量处转换成数字量，因为单片机只能识别数字信号。此芯片常用来测电压、电流、转速等。本系统中我们采用ADC0809的最大的目的是为了测主电路中电流的数值。启动信号为脉冲启动形

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