摘要
本设计以微型计算机8097为主控器，采用PID算法设计三环全数字式控制器。在本次设计中选择霍尔元件做为电流检测传感器，将检测到的弱电信号通过运算放大器LF356组成的两级放大电路放大滤波后，输入8097内部的A/D转换电路转换进而得到电流反馈量；光电脉冲发生器作为速度检测传感器以及位置传感器，通过光电隔离器PC900和GAL16V8的分频鉴相得到速反馈量，同时与8097内部的计数器和计数器8254结合以可逆计数方式得到位置反馈量；通过软件设置电流环、速度环和位置环的工作方式。此外，采用串口通信使伺服系统与上位微型计算机实现通信联系以发送各种运行指令，最终实现微型计算机对电流环、速度环和位置环的控制。
关键词：微型计算机，8097，HIS，8254，PID
ABSTRACT
This design adopts the micro-computer 8097 as the main component, and chooses the PID algorithm to design. Hall element as a current detection sensor will get weak signals in the design. Then the weak signals will be amplified and filtered through the amplifier circuit which constructed by LF356 , and imports 8097-internal A/D converter circuit to switch so that get the feedback signal of current .As speed detection sensors and position sensors, the optical pulse generator through the optical isolator PC900 and GAL16V8 to division frequency and phase in order to get the feedback signal of speed .Combined with the 8097 internal counter and the counter 8254 we can get feedback signal of position relying on reversible counting. In this design, we adopt software to set the operation mode of current loop, velocity loop and position loop work. In addition, we used the serial communication to set up the communications between system and upper monitor in order to send a variety of operating instructions, and ultimately system achieved control of the current loop, velocity loop and position loop.
KEY WORDS：Microcomputer，8097，HIS，8254，PID
目录
摘要 (1)
ABSTRACT (1)
第1章绪论 (1)
第2章系统方案设计 (1)
2.1 设计要求 (1)
2.2 方案论证 (1)
2.3 方案选择 (3)
第3章系统硬件电路设计 (3)
3.1 微型计算机8097 (3)
3.1.1 8097的概述 (3)
3.1.2 变T法速度检测 (4)
3.2 输入输出通道设计 (6)
3.2.1 电流反馈通道 (6)
3.2.2 转速反馈通道 (7)
3.2.3 位置反馈通道 (7)
3.2.4 伺服系统给定输入通道 (8)
3.3 电源电路设计 (9)
第4章控制算法PID的设计 (9)
4.1 电流环控制器设计 (9)
4.2 速度环控制器设计 (10)
4.3 位置环控制器设计 (11)
4.4 采样周期选择 (12)
4.5 控制算式和运算流程图 (12)
第5章系统软件设计 (13)
第6章总结 (15)
参考文献 (16)
附录1:器件元件明细表 (17)
附录2:电路原理图 (17)
第1章绪论
直流伺服电动机是近几十年来随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电动机。近些年来，直流伺服控制系统被广泛应用于工业生产，这已经成为自动化领域的一项重要课题。伺服系统在机械制造行业中占据着重要位置，是用得最多最广泛的控制系统[1]。直流伺服系统的主要优点是控制特性优良，能在很宽的范围内平滑调速，调速比大，起制动性能好，定位精度高。直流伺服电动机既有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的运行效率高、调速性能好的特点，故在当今国民经济中直流伺服系统广泛应用于轧钢机及其辅助机械、造纸机、金属切割机床等众多自动控制中的各个领域[2]。伺服系统尤其在机械制造行业中占据着主导位置，同时也是应用的最为普遍的控制系统，到目前为止直流伺服仍占据着主要地位[3]。
第2章系统方案设计
2.1 设计要求
本次设计的主要对象是一个直流伺服系统，目的是为某生产机械设计一个调速性能好、起制动性能好、定位准确且定位过程无超调的直流伺服系统，且拟定该伺服系统由大功率晶体管脉宽调制放大器给电动机供电，控制方式为三环全数字式即电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算。现已知系统中直流电动机额定转速ne=1000r/min；电枢回路总电阻R=2.4Ω；电磁时间常数Tl=0.004s；机电时间常数Tm=0.07s。
2.2 方案论证
本系统设计为采用PID算法设计三环全数字式控制方式，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，以及对它们相应反馈信号的采样和数字信号处理。
方案一：选用8051单片机作为控制器，以测速发电机作为速度反馈元件，以光电解码为角位置反馈元件，霍尔元件作为检测电动机电枢电流的传感器，驱动装置为
大功率晶体管PWM 功率放大器，此方案系统框图如图2.1所示。
速度检测元件采用测速发电机，它把转速换成电压后，再由A/D 转换器转换成数字信号，输入微型计算机8051；霍尔元件检测到得弱电流信号经转换、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。光电解码是将由直流伺服电机带动的单片机处理给定量和上面检测元件的测量量的偏差处理后输出信号，经D/A 转换器把数字信号转变为模拟电压，再经放大器放大后，去控制PWM 功率放大器工作，进而控制直流电机向着预定的方向转动。
方案二：采用intel MCS —96系列的8097作为微处理器外，采用霍尔元件作为检测电动机电枢电流的传感器，光电脉冲信号发生器作为速度反馈测量元件和数字式角位移传感器。此方案的系统框图如图2.2所示。
图2.2 系统整体框图
单片机8051
光电解码器
测速发电机
M
PWM 功放
D/A
A/D 图 2.1 基于8051的系统框图
单片机8097
显示模块显示
计数器8254
信号检测
光电隔离
PWM 运算放大
电路
电机
PG
intel MCS—96系列的8097是16位高性能单片机，有着很强的数据处理能力和丰富的外部信号处理资源，其内部包含有A/D转换电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、显示驱动电路等所以系统设计的绝大部分控制任务由它承担。霍尔元件检测到电枢电流反馈信号经滤波放大后输入微型计算机8097，光电脉冲发生器作为速度和位置测量器件将所测得的信号输入光电隔离器和可编程门阵列电路GAL16V8进行分频和鉴相，然后输入微型计算机进行分析、处理。
2.3 方案选择
为使本次的系统最终设计结构更加优化简单，可靠性更强，精度更精确，现将三种方案做如下比较。
第一种方案：该方案以单片8051为主控器，采用测速发电机作为速度检测传感器来获取转速反馈信号，采用这种方案的缺点是测速发电机本身存在死区和非线性以及A/D转换、滤波电路将带来误差和时滞。
第二种方案：该方案是由微型计算机8097及可编程计数器8254和可编程门列阵电路组成，此方案不仅具有很强的数据处理能力和精确的运算精度，而且还能使系统设计中硬件结构变得更加简单，可靠性更强。
经过以上比较，本次设计采用第二种方案。
第3章系统硬件电路设计
本次系统设计除了以8097 单片机控制器为主要元件外，还包括1片可编程计数器8254，1片可编程门阵列电路GAL16V8，两个运算放大器LF356，一片单通道高速光隔离器PC900。
3.1 微型计算机8097
3.1.1 8097的概述
MCS-96系列单片机是目前性能较高的单片机系列产品之一，主要应用领域有：工业控制、仪器仪表、电信技术、办公自动化和计算机外部设备、汽车和节能、制导和导航等。而MCS-96系列单片机中的8097型号的产品特别适用于数据采集系统，控制系统和智能仪器系统等应用领域。
在本系统中，我们将要用到的8097片内资源有：10位单极性A/D 转换器、高速输入单元HIS 、高速输出单元HSO 、串行通信口SIO 、计数器T1、T2等。A/D 转换器将电流反馈通道中模拟反馈信号转换为数字量；HIS 作为速度反馈通道的数字式测速单元；HSO 将通过软件定时器以事件设置方式，确定电流环、速度环、位置环的采样周期并发出相应的中断信号，启动A/D 转换器；SIO 作为伺服系统给定串行输入通道的接口电路；计数器T2和8254的#0和#1计数器通道作为PWM 信号发生器，在控制输出通道中将数字量的控制信号转换为PWM 控制信号。我们选用8097单片机根据其特点充分利用8097单片机资源，使得系统设计得到进一步的简化。 3.1.2 变T 法速度检测
根据HIS 的功能特点用HIS 作为T 法测量转速的部件，HIS 结构图如图3.2所示。本次设计中将光电脉冲发生器测得的A 、B 两脉冲的不同分频信号分别连接到HIS 的四个输入通道，当转速变化时，HIS 选取不同的分频信号进行T 法转速测量，就可以克服T 法测量转速的局限性，这也正是变T 法的思路[2]。电动机转速n 与A 、B 两
图3.1 8097管脚结构图
脉冲周期T 成反比，在对T 的测量分辨率一定的条件下，T 越小，n 的测量精度越低。为了保证一定的测速精度和单位时间进入HIS 的事件数量，当转速n 升降时，进入HIS 的分频信号的分频数K 也要相应增大或减小，使进入HIS 的脉冲周期T 在一定范围内变化。若将A 、B 相脉冲的2倍频信号2A 、A 相脉冲信号A 、A 相脉冲的2分频信号A/2、4分频信号A/4、分别连到HIS 的四个输入端口HSI0，HSI1，HSI2，HSI3，再通过对HIS 事件形式的选择(正跳和负跳作为一个事件、每8个脉冲作为一个事件)和输入通道选择，可以得到分频数1/4，1/2，1，2，4，8，16，32的分频信号。在系统控制程序的协调作用下，分频数K 自动跟踪转速n 的升降而增大和减小。
本次系统设计中光脉冲发生器的刻度位2500/转，当转速n=1r/min 时，1/4分频信号的周期T 为6ms ，转速n(r/min)分频数K ，分频信号脉冲周期T(ms)之间的关系式为
n=24K/T (3.1)
HIS 对T 的测量分辨率为2us ，若要求速度测量的最低分辨率δ<1/Δ，则脉冲周期的最小值Tmin>2Δ（us ）。根据对系统速度的测量值精度和实时性要求的综合考虑，设定
当10×2m-1 K=(1/4)×2m (m=0，1，2，3…，7) (3.2) 另外，分频数K 随转速n 变化时，在每一个转换点上还需要一个滞环，其作用是防止K 在转换点反复变化，滞环对应在T 上的宽度设定为0.1ms ，这个滞环由软件判断来实现。 20bit FIFO 保持寄存器 HSI-形式 事件检测器 HSI-状态 HSI-时间 T 1 7bit 16 20 16 4 8 当前 状态 4 HIS 触发形式 HSI 0 HSI 1 HSI 2 HSI 3 2.0us 时钟 图3.2 HIS 的结构图 3.2 输入输出通道设计 3.2.1 电流反馈通道 电流反馈通道由霍尔元件、两级放大器LF356和A/D 转换器组成。 本次系统设计是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.霍尔元件检测到得弱电流信号经转换、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，输入微型计算机处理，电路原理图如图3.3所示。 在图3.3中R1为50Ω，是霍尔元件的负载电阻，R2=10K Ω，远大于R1，C1、C2为滤波电容。由于运算放大器AM1输入阻抗很高，可忽略R2对霍尔元件输出电流的分流作用，则R1将霍尔元件输出的电流信号线性转换为电压信号Um ，再经过两级运算放大器的放大和滤波后到达微型计算机8097内部的A/D 转换电路输入口，其中第二级放大器输入端引入-5V 电压信号是为了将第一级放大器输出的双极性电压信号转换成单极性的电压信号。 电枢电流是双极性的，变化范围在±20A 之内，设电枢电流为20A 时，A/D 转换电路模拟输入电压为5V ，当电流为-20A 时，输入电压为0V ，当电枢电流为0时，A/D 输入电压为2.5V ，则第一级放大器的放大倍数为2.5，第二级放大器的放大倍数为0.5。当参考电压为5V 时，输入电压为5V 则A/D 转换结果为1023，输入电压为0V 时，A/D 转换结果为0，输入电压为2.5V 时，A/D 转换结果为512。由此可知，电流反馈回路反馈系数 α= 20A)((20A)1023 --错误！未找到引用源。=24.6/A （3.1） 电流测量分辨率为0.04A ，整个反馈通道滤波的时间常数为0.5ms 。 图 3.3 电流反馈信号放大滤波电路 3.2.2 转速反馈通道 转速反馈通道由光电脉冲发成器、光电隔离器PC900、可编程门阵列GAL16V8和计数器、定时器等组成。光电脉冲发成器和电动机转子同轴，它输出的A、B两相脉冲信号必须经过GAL16V8的分频、鉴相，而且进入微处理机控制电路之前，必须经过光电隔离器PC900，防止电磁干扰影响微处理器机控制电路的正常工作。在电机高速运转时，A、B两相脉冲信号的频率也很高，要求光电隔离的元件有比较快的响应速度，所以本次设计中我们选用PC900。采用光电隔离器来隔离具有显著的优点: 单方向传递信号, 寄生反馈小, 传输信号的频带宽; 抗干扰能力强, 不容易受周围电磁场的影响。 光电脉冲发生器是增量式光电编码器的一种,它由光源、光电转盘、光敏元件和光电放大整形电路组成如图3.4所示。光电转盘与被测轴连接, 光源通过光电转盘的透光孔射到光敏元件上，当转盘旋转时光敏元件便发出与转速成正比的脉冲信号。电机轴上的光电编码器产生两路编码脉：A相和B相脉冲。我们选用的光电脉冲发生器每转刻度为2500，其输出的A、B两相脉冲经四倍频后，可获得每转10000个脉冲的角位移分辨率。 3.2.3 位置反馈通道 位置反馈通道由光电脉冲发生器、光电隔离器PC900、可编程门阵列GAL16V8（和速度反馈通道共用），以及计数器T1和计数器T2组成。位置的反馈数字量可用可逆计数方式获得。如将A 、B 的4倍频信号输入8097内部的T1、T2的脉冲输入端，T1工作于受控方式，控制信号为电动机的转向信号Q ，T2对所有的4A 脉冲信号计数，则电动机正转时，Q 为低电平封锁T1，反转时允许T1对4A 脉冲信号计数，则电动机在一个位置环的采样周期内位置偏移量为 ΔP(k)=ΔT2(k)-2ΔT1(k) (3.2) 其中，ΔT2(k) 和ΔT1(k)分别为T2、T1在一个位置环采样周期内的计数值。系统的绝对位置反馈量为 P(k)=∑=k 1i ΔP(i) 3.2.4 伺服系统给定输入通道 在本设计中采用串行通信作为伺服系统的给定输入通道。给定输入通道由上位微型计算机、电平转换电路、串行通信接口组成。一旦上位微型计算机和伺服系统实现了通信联系，不仅可以通过上位微型计算机给伺服系统发送各种各样的运行命令，还可以随时修改伺服系统的参数，显示其运行过程中的状态变量，为系统调试提供了极大的方便[12]。 (3.3) 图3.4 光电脉冲发生器部件分解示意图 clkout A/D P2.6 T2CLK HIS0HIS1HIS2HIS3 P 2.7 R X D /T X D *68097*5 信号转换、放大 *8 PC900光耦隔离 *7 FG 2A A A2 A4Q Q 4A *9 GAL16V8C L K 0 C L K 1 O U T 0 C L K 2 G A T 2 G A T 1*28254 *1 PWM 电路 *3 上位机 123 P1电机 *4 反相器 图3.5 8097控制的三环直流伺服系统 由8097控制的三环直流伺服控制系统图如图3.5所示。霍尔元件检测的到得电流经放大滤波后输入8097内部的A/D 转换器进行转换处理将模拟反馈信号转换为数字量，由光电脉冲器测得的速度量经由GAL16V8分频、鉴相之后输入微型计算机的HSI 单元进行转速测量，而经由可逆计数方式得到的位置反馈数字量，8097内部的HSO 单元将通过软件定时器以事件设置方式，确定电流环、速度环、位置环的采样周期并发出相应的中断信号，启动A/D 转换器；SIO 作为伺服系统给定串行输入通道的接口电路；计数器T2和8254的#2通道一起构成位置反馈通道的位置检测单元。而8254的#0和#1计数器通道作为PWM 信号发生器，在控制输出通道中将数字量的控制信号转换为脉宽调制控制信号。 3.3 电源电路设计 本次系统设计的电源模块采用220V 交流电，先经变压器降压，然后经过桥式整流再次经电容滤波，最后由7905、7805、7812三端集成稳压管分别得到-5V 、+5V 、＋12V 电压，以此来为整个系统供电。其原理图如图3.6所示。 1 2 3 IN GND OUT A1 7812 1 2 3 IN GND OUT A2 7805 12J1CON2 H1 整流桥 GND VCC5V VCC12V 12345 P2 Header 5 12345 P1 Header 5 12345P3 Header 5VCC12V VCC5V G N D 1 IN 2 OUT 3 A47905 Vin 1 G N D 2 Vout 3A3 7815C4 3000uf C5104 C322uf C7104 C622uf C122uf C2104 C13104C14104C9104C10104 C15104 C16104 C11104C12104 C8 2200uf VCC5V VCC-5v GND 电源模块 VCC-5v 图3.6 电源电路图 第4章控制算法PID 的设计 4.1 电流环控制器设计 将电流环按典型I 型系统校正，电流调节器应为PI 调节器电流环的简化动态结构图如图 4.1所示。按典型I 型系统的校正要求参数应选择：Ti=TL=0.004s ，T ∑i=Tfi+Ts=0.00075s ，阻尼比 ξ=0.707，电流环开环截止频率为 1 Σi ci 667s 2T 1 ω-== 由电流环的开环增益KI=ωci ，所以电流调节器比例系数为 1.324.60.2 2.4 0.004667αK R T ωK s i ci i =???== （4.2） （4.1） 4.2 速度环控制器设计 当速度环截止频率Σi ci 2T 1ω<< 时，电流环的等效传递函数近似为 ()()s 2T 11/αs u s i Σi gi a += 将转速环校正成典II 型系统，设其传递函数为 ST=K n (1+ s T 1n ) 则速度环的简化动态结构图如图4.2所示。 速度环控制器的参数选择：电流环等效惯性时间常数为2T Σi =0.0015s ，速度反馈回路的滞后时间T fn 约为0.001s ，速度环的小时间常数为T Σn =2T Σi +T fn =0.0025s 。按跟随性能和抗干扰性能要求，取中频宽h=5，则积分时间常数为T n =hT Σn =0.0125s 。速度环开环增益为 1 2Σn 2N 770s T 2h 1 h K -=+= 速度调节器比例系数为 6.8R T C T K K m e n N n == （4.6） a/(1+T Fi s) K i (1+1/T ∑i s) K s /(1+T s s) (1/R)/(1+T L s) i a u a u c u gi /a + _ K I /s （1+T ∑i s ） i a u gi /a + — 图4.1 电流环简化动态结构图 （4.3） （4.4） （4.5） 4.3 位置环控制器设计 系统设计要求伺服系统能准确、无超调定位，则位置环只能按照典型I 型系统来校正[13]。经PI 调节器校正后的速度内环可等效为一惯性环节1/(1+T Ms )，则位置调节器为比例调节器。位置环的简化动态结构图如图4.3所示，K J 为单位换算系数，当速度的单位是r/min ，位置输出的单位为脉冲数时，K J =1000/6。 位置环控制器参数选择：取阻尼比ξ=1时，典型I 型系统阶跃响应无超调，则伺服系统定位无超调。位置环的开环截止频率为： K n (1+1/T n s) (1/a)/(1+2T ∑i s) R/(T n C e s) 1/(1+T fn s) K N (1+T n s)/s 2(1+T ∑n s) n n u gn u gn + _ + _ i L i a u gi + _ 图4.2 速度环的简化动态结构图 K P 1/(1+T M s) K J /s (K p ﹒K J )/s(1+T M s) u gp u gp + _ + _ P P 图4.3 位置环简化动态结构图 ωcp=1/4TM≈3.57s -1 (4.7) 位置环的开环增益：KP=ωcp=KpKJ ，位置环的调节器比例系数： Kp=ωcp/KJ≈0.0214。 (4.8) 4.4 采样周期选择 位置环的开环截止频率ωcp =3.57s -1，选取位置环的采样角频率ωsp =35.7s -1,得位置环的采样周期T p =0.176。 以上对各个控制闭环的采样周期进行的选择，只是确定了它们能保证一定控制性能指标的大致范围。我们取的采样周期为T I =0.5ms ，T N =1ms ，T p =4ms 。 4.5 控制算式和运算流程图 电流环数字数字控制算式求取如下，将式（4.1）写成微分方程形式： ?? ? ???+ =?(t)dt e T 1 (t)e K (t)U t 0i I i i c 选定的采样周期T I ，将上述方程离散成差分方程式。 U c (k)=K i ′e i (k)-K i e i (k-1)+U c (k-1) 式中K i ′=(1+T I /T i )K i ，将各个参数带入式中得， U c (k)=1.46e i (k)-1.3e i (k-1)+U c (k-1) 上式(5.9)即为可供编程的电流控制器算式，它是全量输出，输出对应着线性关系， PWM 控制信号的占空比。U c (k)在初始状态为1000，即U c (0)=1000。 同理，可导出速度控制器算式为 U gi (k)=K n ′e n (k)-K n e n (k-1)+U gi (k-1) 式中K n =(1+T N /T n )K n ，将各个参数代入式中得 U gi (k)=7.344e n (k)-6.8e n (k-1)+U gi (k-1) 式(5.11)也是全量输出，U gi (k)对应着采样时刻电流控制回路的数字给定输入值。此处，U gi 的初始状态为U gi (0)=512。 位置环控制算法为P 调节器，则有 U gn (k)=K p e p (k)=0.0214e p (k) 其中U gn (k)也是全量输出，它对应速度环的数字给定值。由式(4.8)、(4.10)、(4.11)可编制电流环速度环和位置环控制器的算法程序。 （4.9） （4.10） （4.11） （4.12） （4.13） （4.14） 第5章系统软件设计 主程序模块的任务是对SIO中断服程序接收到得数据进行处理：解释、分析和执行微型计算机送来的指令；根据指令要求采集伺服系统的有关信息，并通过串行通信口反馈到上位微型计算机中。主程序模块的流程图如图5.4所示。其中的握手是指伺服系统和上位微型计算机之间通过串行通信取得相互认可的联系[15]。而自动跟踪是伺服系统的一种运行状态，进入这种状态后，上位微型计算机送来的数据是伺服系统的位置给定偏移量，它以字为单位，在位置给定寄存器上累加。 该系统的电流环控制设计精度基本达到准确。由于条件限制及客观因素的影响，使得测试结果与预想值出现误差，但是误差较小且在允许范围内，所以从整体上来说本次系统设计基本成功。 系统复位 设置堆栈指针，主程序标志寄存器赋初值 初始化8254计数器 初始化HIS 单元 初始化SIO 设置A/D 工作方式 电流调节器赋初值 速度调节器赋初值 位置调节器赋初值 主回路上电，运行？ 设置中断系统控制字设定软定时，起动电流环 主程序模块 Y N 图5.1 初始化程序模块的流程图 第6章总结 本次设计以微型计算机8097为核心元件，采用算法PID来设计三环全数字式控制器以此来实现对系统的自动控制。在本次设计中选择霍尔元件做为电流检测传感器，将测得的弱电流信号经过放大电路、A/D电路处理转换成数字信号送入CPU8097内；同理光电脉冲发生器作为速度和位置的检测传感器，将测得的系统的转速和位置电信号经光电隔离PC900和可编程门阵列电路GAL16V8转化成相应的脉冲信号送入微型计算机内。此次设计通过软件控制来确定电流环、速度环、位置环的工作方式，而且通过改变设定值达到改变受控对象的电流、速度和位置从而达到自动控制被控对象的目的。 此外，本次设计将上位微型计算机和伺服系统实现了通信联系，不仅可以通过上位微型计算机给伺服系统发送各种各样的运行命令，还可以随时修改伺服系统的参数，显示其运行过程中的状态变量，为系统调试提供了极大的方便。本设计电路不仅结构简单可实现复杂的控制，而且控制精度高还能提高控制的灵活性和适应性。 参考文献 [1]赖寿宏．微型计算机控制技术[M]．北京：机械工业出版社，2008，5：196-207． [2]胡汉才．单片机原理及其接口技术（第三版）[M]．北京：清华大学出版社，2010，5：421-435． [3]朱慧明，张爱武，高洪霞．基于单片机的直流伺服电机转速控制实验系统．山东建材学院学 报，2005，13(2)：169- 171． [4]王喜明，高伟．单片机对直流伺服电机控制的研究[M]．精密机械研究及应用，2010，(6)：1-2． [5] Smithm Johns．Application Specific Integrated Circuits．Addison Geneva：WHO，2008，25-36． 附录1:器件元件明细表 表1 元器件明细表 序号器件名称数量 1 微型计算机8097 1 2 光电隔离芯片PC900 1 3 GAL16V8 1 4 CTR 6 5 霍尔电压传感器CHB-300S 1 6 8254 1 7 光电编码器 1 8 矩阵键盘 1 9 三相变压器 1 10 PT100 1 11 7805 1 12 7812 2 13 7905 1 14 电阻24 15 电容32 题目：双闭环直流调速系统的设计与仿真 已知：直流电动机：P N=60KW，U N=220V，I N=305A，n N=1000r/min,λ=2，R a=0.08, R rec=0.1, T m=0.097s, T l=0.012s, T s=0.0017s, 电枢回路总电阻R=0.2Ω。设计要求：稳态无静差，σ ≤5%,带额定负载起动到额定转速的转速超调σn≤10%。(要求完 i 成系统各环节的原理图设计和参数计算)。 系统各环节的原理图设计和参数计算，包括主电路、调节器、电流转速反馈电路和必要的保护等，并进行必要的计算。按课程设计的格式要求撰写课程设计说明书。 设计内容与要求：1、分析双闭环系统的工作原理 2、改变调节器参数，分析对系统动态性能的影响 3、建立仿真模型 1．双闭环直流调速系统的原理及组成 对于正反转运行的调速系统，缩短起,制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，是调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使 电流保持为最大值dmI的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。 为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图1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。从闭环结构上看，电流环在里面，称做内环；转速环在外面，称做外环。这就形成了转速电流负反馈直流调速系统。为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般采用PI调节器。 2．双闭环控制系统起动过程分析 前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压*nU由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三 摘要 本设计以微型计算机8097为主控器，采用PID算法设计三环全数字式控制器。在本次设计中选择霍尔元件做为电流检测传感器，将检测到的弱电信号通过运算放大器LF356组成的两级放大电路放大滤波后，输入8097内部的A/D转换电路转换进而得到电流反馈量；光电脉冲发生器作为速度检测传感器以及位置传感器，通过光电隔离器PC900和GAL16V8的分频鉴相得到速反馈量，同时与8097内部的计数器和计数器8254结合以可逆计数方式得到位置反馈量；通过软件设置电流环、速度环和位置环的工作方式。此外，采用串口通信使伺服系统与上位微型计算机实现通信联系以发送各种运行指令，最终实现微型计算机对电流环、速度环和位置环的控制。 关键词：微型计算机，8097，HIS，8254，PID ABSTRACT This design adopts the micro-computer 8097 as the main component, and chooses the PID algorithm to design. Hall element as a current detection sensor will get weak signals in the design. Then the weak signals will be amplified and filtered through the amplifier circuit which constructed by LF356 , and imports 8097-internal A/D converter circuit to switch so that get the feedback signal of current .As speed detection sensors and position sensors, the optical pulse generator through the optical isolator PC900 and GAL16V8 to division frequency and phase in order to get the feedback signal of speed .Combined with the 8097 internal counter and the counter 8254 we can get feedback signal of position relying on reversible counting. In this design, we adopt software to set the operation mode of current loop, velocity loop and position loop work. In addition, we used the serial communication to set up the communications between system and upper monitor in order to send a variety of operating instructions, and ultimately system achieved control of the current loop, velocity loop and position loop. KEY WORDS：Microcomputer，8097，HIS，8254，PID 郑州航空工业管理学院 电力拖动自动控制系统课程设计 07 级电气工程及其自动化专业 0706073 班级 题目转速单闭环的直流拖动系统 姓名 学号 指导教师孙标 二ОО十年月日 电力拖动自动控制系统课程设计 一、设计目的 加深对电力拖动自动控制系统理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力，提高对实际问题的分析和解决能力，以达到理论学习的目的,并培养学生应用计算机辅助设计的能力。 二、设计任务 设计一个转速单闭环的直流拖动系统 题目：单闭环不可逆直流调速系统设计 1 技术指标 电动机参数：PN=3KW, n N=1500rpm, UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5，电磁时间常数Tl=0.017s，机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 2 设计要求 （1）闭环系统稳定 （2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 3 设计任务（1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计； （3）绘制校正后系统的动态结构图； （4）撰写、打印设计说明书。 4 设计说明书 设计说明书严格按**大学毕业设计格式书写,全部打印.另外,设计说明书应包括以下内容: (1)中文摘要 (2)英文摘要 目录 第一章中文摘要 ································································································ - 1 -第二章英文摘要 ············································································错误!未定义书签。第三章课程设计的目的和意义·············································································· - 1 -1．电力拖动简介 ··························································································· - 1 - 2.课程设计的目的和意义·················································································· - 2 -第四章课程设计内容·························································································· - 2 -第五章方案确定 ································································································ - 3 - 5.1方案比较的论证 ······················································································ - 3 - 5.1.1总体方案的论证比较········································································ - 3 - 5.1.2主电路方案的论证比较····································································· - 4 - 5.1.3控制电路方案的论证比较·································································· - 6 -第六章主电路设计····························································································· - 7 - 6.1主电路工作设备选择 ················································································ - 7 -第七章控制电路设计·························································································· - 8 -第八章结论 ·····································································································- 11 -第九章参考文献 ·······························································································- 11 - 转速、电流双闭环调速系统 班级：铁道自动化091 姓名：陈涛 指导老师：严俊 完成日期：2011-10-31 湖南铁道职业技术学院 目录 摘要 (3) 一、直流调速介绍 (4) 1、调速定义 (4) 2、调速方法 (4) 3、调速指标 (4) 二、双闭环直流调速系统介绍 (5) 1、转速、电流双闭环调速系统概述 (5) 2、转速、电流双闭环调速系统的组成 (6) 3、PI调节器的稳态特征 (7) 4、起动过程分析 (8) 5、动态性能 (11) 6、两个调节器的作用 (11) 三、总结 (12) 摘要 随着近代电力电子技术和计算机的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进，以达到高速、优质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。 本文讲述的是转速、电流双闭环直流调速系统，通过学习使我对转速、电流双闭环直流调速系统的组成、调速器的稳态特性和作用以及系统的动态特性有了一定的了解。该系统是在单闭环系统的基础上加以改进后完成的，通过对电力拖动自动控制系统的学习，我们里了解到转速、电流双闭环直流调速系统相对于单闭环调速系统的一些优势，它是通过转速反馈和电流反馈两个环节分别起作用的。 通过这次的学习，我懂得了很多，具有了通过运用理论上所掌握的知识来独立发现问题、思考问题、解决问题的能力，在这次的论文中，我有一次重新学习了转速、电流双闭环直流调速系统，使我这一系统有了更进一步的了解。 转速、电流双闭环调速系统 一、直流调速介绍 1、调速定义 调速是指在某一具体负载情况下，通过改变电动据或电源参数的方法，使机械特性曲线得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。 2、调速方法 1.调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无 级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。 2.改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方 法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。 3.改变电枢回路电阻 <。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。 3、调速指标 1．调速范围（包括：恒转矩调速范围/恒功率调速范围）， 三闭环直流调速统的建模与仿真 三闭环直流调速系统的设计 一、三闭环直流调速系统总体设计方案 三闭环直流调速主电路由双闭环直流调速系统改进而得。当采用双闭环直流调速系统时，在电流上升阶段，电流急剧上升，变化率很大，会在直流电动机中产生严重后果，如产生很高的附加电动势及机械传动机构产生强烈的冲击。为解决这一矛盾，在电流环内设置一个电流变化率环，构成转速、电流、电流变化率的三环系统。转速调节器ASR设置输出限幅，以限制最大启动电流。根据系统运行的需要，当给定电压* U后，ASR输出饱和，电机以最大的允许电流起动， n 同时由于电流变化率ADR环的作用，使电流上升斜率有一定限制，当达到给定的速度后转速超调，ASR退饱和，电机电枢电流缓慢下降。这样，经三个调节器的调节作用，使系统很快达到稳定。 在带电流变化率内环的三环调速系统中，ASR的输出仍是ACR的给定信号，并用其限幅值限制最大电流；ACR的输出不是直接控制触发电路，而是作为电流变化率调节器ADR的给定输入，ADR的负反馈信号由电流检测通过微分环节LD得到，ACR的输出限幅值则限制最大的电流变化率。最后，由第三个调节器ADR的输出限幅值决定触发脉冲的最小控制角。 带电流变化率内环的三环调速系统原理图 二、电流变化率环的设计 电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 电流变化率环的闭环传递函数为 ) 111(12d di +++++= S K S K S K K W di s l di s l i di di cld τβ 式中，di K = R K d di di s ρττβ ； d τ为ADR 的积分时间常数； ρ为ADR 时间常数调整器的分压比； di τ电流微分时间常数； odi T 电流微分滤波时间常数。 在该设计中电流变化率调节器ADR 选用PI 调节器,取电流微分滤波时间常数 odi T 为0.002 S;电路中PI 调节器的电阻R 0取为1K,调节器的电容d C 取为47uF, ADR 时间常数调整器的分压比ρ取0.5，得到积分调节器为 S 10；仿真后发现效果不好，就添加了比例调节器，放大系数取1，得到ADR 的PI 调节器的传递函数为S S 10 +; 一般取电流微分时间常数di τ为0.01，电流检测反馈di β为0.05，所以 1 002.00005.01 += +S S s T s T odi di di β； * 第十七单元 晶闸管直流调速系统 第二节 单闭环直流调速系统 一、转速负反馈直流调速系统 转速负反馈直流调速系统的原理如图l7-40所示。 转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASR 、触发器CF 、晶闸管变流器U 、测速发电机TG 等组成。 直流测速发电机输出电压与电动机转速成正比。经分压器分压取出与转速n 成正比的转速反馈电压Ufn 。 转速给定电压Ugn 与Ufn 比较，其偏差电压ΔU=Ugn-Ufn 送转速调节器ASR 输入端。 ASR 输出电压作为触发器移相控制电压Uc ，从而控制晶闸管变流器输出电压Ud 。 本闭环调速系统只有一个转速反馈环，故称为单闭环调速系统。 1．转速负反馈调速系统工作原理及其静特性 设系统在负载T L 时，电动机以给定转速n1稳定运行，此时电枢电流为Id1，对应转速反馈电压为Ufn1，晶闸管变流器输出电压为Udl 。 n n I C R R C U C R R I U n d e d e d e d d d ?+=+-=+-=0)(φ φφ 当电动机负载T L 增加时，电枢电流Id 也增加，电枢回路压降增加，电动机转速下降，则Ufn 也相应下降， 而转速给定电压Ugn 不变，ΔU=Ugn-Ufn 增加。 转速调节器ASR 输出电压Uc 增加，使控制角α减小，晶闸管整流装置输出电压Ud 增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可简述为： T L ↑→Id ↑→Id(R ∑+Rd)↑→n ↓→Ufn ↓→△U ↑→Uc ↑→α↓→Ud ↑→n ↑。 图17-41所示为闭环系统静特性和开环机械特性的关系。 图中①②③④曲线是不同Ud之下的开环机械特性。 假设当负载电流为Id1时，电动机运行在曲线①机械特性的A点上。 当负载电流增加为Id2时，在开环系统中由于Ugn不变，晶闸管变流器输出电压Ud 也不会变，但由于电枢电流Id增加，电枢回路压降增加，电动机转速将由A点沿着曲线①机械特性下降至B’点，转速只能相应下降。 但在闭环系统中有转速反馈装置，转速稍有降落，转速反馈电压Ufn就相应减小，使偏差电压△U增加，通过转速调节器ASR自动调节，提高晶闸管变流器的输出电压Ud0由Ud01变为Ud02，使系统工作在随线②机械特性上，使电动机转速有所回升，最后稳定在曲线②机械特性的B点上。 同理随着负载电流增加为Id3，Id4，经过转速负反馈闭环系统自动调节作用，相应工作在曲线③④机械特性上，稳定在曲线③④机械特性的C，D点上。 将A，B，C，D点连接起来的ABCD直线就是闭环系统的静特性。 由图可见，静特性的硬度比开环机械特性硬，转速降Δn要小。闭环系统静特性和开环机械特性虽然都表示电动机的转速-电流(或转矩)关系，但两者是不同的，闭环静特性是表示闭环系统电动机转速与电流(或转矩)的静态关系，它只是闭环系统调节作用的结果，是在每条机械特性上取一个相应的工作点，只能表示静态关系，不能反映动态过程。 当负载突然增加时，如图所示由Idl突增到Id2时，转速n先从A点沿着①曲线开环机械特性下降，然后随着Ud01升高为Ud02，转速n再回升到B点稳定运行，整个动态过程不是沿着静特性AB直线变化的。 2．转速负反馈有静差调速系统及其静特性分析 对调速系统来说，转速给定电压不变时，除了上面分析负载变化所引起的电动机转速变化外，还有其他许多扰动会引起电动机转速的变化，例如交流电源电压的变化、电动机励磁电流的变化等，所有这些扰动和负载变化一样都会影响到转速变化。对于转速负反馈调速系统来说，可以被转速检测装置检测出来，再通过闭环反馈控制减小它们对转速的影响。也就是说在闭环系统中，对包围在系统前向通道中的各种扰动(如负载变化、交流电压波动、电动机励磁电流的变化等)对被调量(如转速)的影响都有强烈的抑制作用。但是对于转速负反馈调速系统来说，转速给定电压Ugn的波动和测速发电机的励磁变化引起的转速反馈电压Ufn变化，闭环系统对这种给定量和检测装置的扰动将无能为力。为了使系统有较高的调速精度，必须提高转速给定电源和转速检测装置的精度。 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 目录 1 绪论 (1) 1.1课题研究背景 (1) 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 (1) 2 直流电机双闭环调速系统 (3) 2.1直流电动机的起动与调速 (3) 2.2直流调速系统的性能指标 (3) 2.2.1静态性能指标 (3) 2.2.2动态的性能指标 (4) 2.3双闭环直流调速系统的组成 (6) 3 双闭环直流调速系统的设计 (8) 3.1电流调节器的设计 (8) 3.2转速调节器的设计 (10) 3.3闭环动态结构框图设计 (12) 3.4设计实例 (12) 3.4.1设计电流调节器 (13) 3.4.2设计转速调节器 (15) 4.Matlab仿真 (17) 4.1仿真结果分析 (19) 5 结论 (20) 参考文献 (21) ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1 绪论 1.1课题研究背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。 以上等等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术，在实际的拖动控制系统中，由于电机本身及拖动负载的参数(如转动惯量)并不像模型那样保持不变，而是在某些具体场合会随工况发生改变；与此同时，电机作为被控对象是非线性的，很多拖动负载含有间隙或弹性等非线性的因素。因此被控制对象的参数发生改变或非线性特性，使得线性的常参数的PID控制器往往顾此失彼，不能使得系统在各种工况下都保持与设计时一致的性能指标，常常使控制系统的鲁棒性较差，尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强的系统，常规PID调节器就很难满足精度高、响应快的控制指标，往往不能有效克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响。 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。 20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。 通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个 单闭环直流调速系统的设计与仿真 单回路的直流调速系统的设计和仿真 内容摘要：在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性 能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可利用积分调节器代替比例调节器。 通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。 关键词：稳态性能稳定性开环闭环负反馈静差 The design and simulation of Single loop dc speed control system Abstract :In the higher demand for performance of speed, if the open loop dc system's steady performance does not meet the requirements, can use speed inverse feedback to improve steadystate precision, but although the speed inverse feedback system adopts proportion regulator,it still have off, in order to eliminate static, can use integral regulator to replace proportion regulator. Based on the theoretical analysis of the single closed loop system which is made up of controllable power, the regulator which is made up of operational amplifier, a rectifier triggered by thyristor , motor model and tachogenerators module, compare the difference of the open loop system and the closed loop system,the original system and the this paper compares the theory of open loop system and the closed-loop system, the difference of primitive system and calibrated system, conclude the optimal model of the dc motor speed control system. Then use this theory to design a practical control system, and verify the validity with MATLAB simulation. Key words: steady-statebehaviour stability open loop Close-loop feedback offset 数字化直流电机双闭调速系统 摘要本文叙述了直流电动机的基本原理和调速原理，介绍了直流电动机开环和双闭环调速系统的组成及静、动态特性，并且根据直流电动机的基本方程建立了调速系统的数学模型，给出了动态结构框图，用工程设计方法设计了直流电动机双闭环调速系统。最后用MATLAB 软件搭建了仿真模型，对调速系统进行了仿真研究。通过对直流电动机双闭环调速系统动态特性的研究与仿真，可以清楚地看到，直流电动机双闭环调速系统具有较好的动态特性，可以在给定调速范围内，实现无静差平滑调速，这为直流电动机调速系统的硬件实验提供了理论依据。 关键词：直流调速；双闭环调速；转速环；电流环；MATLAB 仿真 目录 第1 章绪论 (1) 第2 章课程设计的方案 (2) 2.1 概述 (2) 2.2 方案选择 (2) 2.3 系统组成总体结构 (4) 第3 章硬件设计 (5) 3.1 单片机控制器 (5) 3.2 接口电路 (5) 3.3 D/A 转换电路 (6) 3.4 触发电路 (6) 3.5 三相整流电路 (7) 3.6 电流检测电路 (7) 3.7 A/D 转换电路 (8) 3.8 转速检测电路 (8) 3.9 键盘显示电路 (9) 第4 章软件设计 (11) 4.1 设计要求 (11) 4.2 电流环的设计 (11) 4.3 转速环的设计 (12) 4.4 闭环动态结构框图设计 (12) 4.5 程序设计 (13) 第5 章系统测试与分析/实验数据及分析 (15) 第6 章课程设计总结 (17) 参考文献 (18) 第1章绪论 三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足生产要求，但是因为元件容易老化，在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及标准性得不到保证，甚至出现事故。而如今首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。大功率直流调速系统通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。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,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动领域应用历史悠久。近年来， 三闭环错位选触无环流可逆直流调速系统 1. 系统仿真应用软件及其简介 三闭环错位选触无环流可逆直流调速系统仿真应用的软件是MATLAB 7.0。 MATLAB是为了在科学研究和工程应用中，克服一般语言对大量数学运算，尤其是涉及矩阵运算时编制程序复杂、调试麻烦等困难，美国Math Works公司于1967年构思并开发了矩阵实验室（Matri Laboratory’，MATLAB）软件包。经过不断的更新和扩充，该公司于1984年推出了MATLAB的正式版，特别是1992年推出具有跨时代意义的MATLAB 4.0版，并于1993年推出其微机版，以配合当时日益流行的Microsoft Windows 操作系统一起使用。截止到2005年，该公司先后推出了MATLAB 4.x，MATLAB 5.x，MATLAB 6.x，MATLAB 7.xD等版本，该软件的应用范围越来越广。 常见的MATLAB工具箱有以下几种。 Control System Toolbox——控制系统工具箱 Communication Toolbox——通讯工具箱 Financial Toolbox——财政金融工具箱 System Identification Toolbox——系统辨识工具箱 Fuzzy Logic Toolbox——模糊逻辑工具箱 Higher-Order Spectral Analysis Toolbox——高阶谱分析工具箱 Image Processing Toolbox——图象处理工具箱 computer vision system toolbox----计算机视觉工具箱 LMI Control Toolbox——线性矩阵不等式工具箱 Model predictive Control Toolbox——模型预测控制工具箱 μ-Analysis and Synthesis Toolbox——μ分析工具箱 Neural Network Toolbox——神经网络工具箱 Optimization Toolbox——优化工具箱 Partial Differential Toolbox——偏微分方程工具箱 Robust Control Toolbox——鲁棒控制工具箱 Signal Processing Toolbox——信号处理工具箱 Spline Toolbox——样条工具箱 Statistics Toolbox——统计工具箱 Symbolic Math Toolbox——符号数学工具箱 Simulink Toolbox——动态仿真工具箱 Wavele Toolbox——小波工具箱 DSP system toolbox-----DSP处理工具箱 这里只重点介绍MATLAB在本系统中Simulink的仿真环境。 比例积分控制的单闭环直流调速系统仿真 一、实验目的 1．熟练使用MATLAB 下的SIMULINK 仿真软件。 2．通过改变比例系数K P 以及积分时间常数τ的值来研究K P 和τ对比例积分控制的直流调速系统的影响。 二、实验内容 1．调节器的工程设计 2．仿真模型建立 3．系统仿真分析 三、实验要求 建立仿真模型，对参数进行调整，从示波器观察仿真曲线，对比分析参数变化对系统稳定性，快速性等的影响。 四、实验原理 图4-1 带转速反馈的闭环直流调速系统原理图 调速范围和静差率是一对互相制约的性能指标，如果既要提高调速范围，又要降低静差率，唯一的方法采用反馈控制技术，构成转速闭环的控制系统。转速闭环控制可以减小转速降落，降低静差率，扩大调速范围。在直流调速系统中，将转速作为反馈量引进系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值进行系统控 制，可以有效的抑制甚至消除扰动造成的影响。 当t=0时突加输入U in时，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到U ex(t)=K P U in，实现了快速响应；随后U ex(t)按积分规律增长，U ex(t)=K P U in+ (t/τ)U in。在t=t1时，输入突降为0，U in=0，U ex(t)=(t1/τ)U in，使电力电子变换器的稳态输出电压足以克服负载电流压降，实现稳态转速无静差。 五、实验各环节的参数及K P和1/τ的参数的确定 各环节的参数： 直流电动机：额定电压U N=220V，额定电流I dN=55A,额定转速n N=1000r/min,电动机电动势系数C e= min/r。 假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数K s=44，滞后时间常数T s=。 电枢回路总电阻R=Ω，电枢回路电磁时间常数T l=电力拖动系统机电时间常数 T m=。 转速反馈系数α= min/r。 对应额定转速时的给定电压U n?=10V。 稳态性能指标D=20，s 5% 。 K P和1/τ的参数的确定： PI调节器的传递函数为 W PI(s)=K Pτs+1 τs =K P τ1s+1 τ1s 其中，τ1=K Pτ。 （1）确定时间常数 1）整流装置滞后时间常数T s=0.00167s；2）转速滤波时间常数T on=0.001s； 双闭环直流调速系统设计 内容摘要 电机自动控制系统广泛应用于各行业，尤其是工业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电.直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。有效地控制电机，提高其运行性能，具有很好的现实意义。本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理以及介绍变频调速技术的发展概况，变频调速技术的发展趋势关键词：双闭环控制系统，转速控制环，系统现状，发展趋势 英文翻译：Electrical automatic control system widely used in various industries, especially in industry. Most of the production machinery used in these industries motor as a prime mover. Effectively control electricity. Dc motor has a good start, braking performance, adaptable to smooth speed regulation in large scale, in many need to speed or fast forward and reverse has been widely used in the area of electric drive. Effectively control motor, improve its operation performance, has the very good practical significance. I ntroduced in this paper, based on the engineering design to the design of dc speed regulating system, the working principle of the double closed loop control system of dc speed regulating and also I ntroduce the development general situation and the development trend Key words: double closed loop control system, speed control loop, th e status quo，the development of trend 一：引言 矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备，是“四大运转设备”之一。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。 近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、 第一章DJDK-1 型电力电子技术及电机控制 实验装置简介 1-1 控制屏介绍及操作说明 一、特点 (1)实验装置采用挂件结构，可根据不同实验内容进行自由组合，故结构紧凑、使用方便、功能齐全、综合性能好，能在一套装置上完成《电力电子技术》、《自动控制系统》、《直流调速系统》、《交流调速系统》、《电机控制》及《控制理论》等课程所开设的主要实验项目。 (2)实验装置占地面积小，节约实验室用地，无需设置电源控制屏、电缆沟、水泥墩等，可减少基建投资；实验装置只需三相四线的电源即可投入使用，实验室建设周期短、见效快。 (3)实验机组容量小，耗电小，配置齐全；装置使用的电机经过特殊设计,其参数特性能模拟3KW左右的通用实验机组。 (4)装置布局合理，外形美观，面板示意图明确、清晰、直观；实验连接线采用强、弱电分开的手枪式插头，两者不能互插，避免强电接入弱电设备，造成该设备损坏；电路连接方式安全、可靠、迅速、简便；除电源控制屏和挂件外，还设置有实验桌，桌面上可放置机组、示波器等实验仪器，操作舒适、方便。电机采用导轨式安装，更换机组简捷、方便；实验台底部安装有轮子和不锈钢固定调节机构，便于移动和固定。 (5)控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，设有电压型漏电保护装置和电流型漏电保护装置，切实有效保护操作者的人身安全，为开放性的实验室创造了前提条件。 (6)挂件面板分为三种接线孔，强电、弱电及波形观测孔，三者有明显的区别，不能互插。 (7)实验线路选择紧跟教材的变化，完全配合教学内容，满足教学大纲要求。 图1-1 DJDK-1 电力电子技术及电机控制实验装置外形图 二、技术参数 (1)输入电压三相四线制 380V±10% 50±1Hz (2)工作环境环境温度范围为-5～40℃，相对湿度≤75%，海拔≤1000m (3)装置容量：≤1.5kVA (4)电机输出功率:≤200W (5)外形尺寸：长×宽×高=1870㎜×730㎜×1600㎜ 1-2 DJK01电源控制屏 电源控制屏主要为实验提供各种电源，如三相交流电源、直流励磁电源等；同时为实验提供所需的仪表，如直流电压、电流表，交流电压、电流表。屏上还设有定时器兼报警记录仪，供教师考核学生实验之用；在控制屏正面的大凹槽内，设有两根不锈钢管，可挂置实验所需挂件，凹槽底部设有12芯、10芯、4芯、3芯等插座，从这些插座提供有源挂件的电源；在控制屏两边设有单相三极220V电源插座及三相四极380V电源插座，此外还设有供实验台照明用的40W 日光灯。 图1-2 主控制屏面板图 1、三相电网电压指示 三相电网电压指示主要用于检测输入的电网电压是否有缺相的情况，操作交流电压表下面的切换开关，观测三相电网各线间电压是否平衡。 2、定时器兼报警记录仪 平时作为时钟使用，具有设定实验时间、定时报警和切断电源等功能，它还可以自动记录由于接线操作错误所导致的告警次数。（具体操作方法详见DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置使用说明书） 3、电源控制部分 它的主要功能是控制电源控制屏的各项功能，它由电源总开关、启动按钮及停止按钮组成。当打开电源总开关时，红灯亮；当按下启动按钮后，红灯灭，绿灯亮，此时控制屏的三相主电路及励磁电源都有电压输出。 直流双闭环调速系统设计 1设计任务说明书 某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路,基本数据为: 直流电动机：V U N 750=,A I N 780=,min 375r n N =,04.0=a R ，电枢电路 总电阻Ｒ=０.1Ω,电枢电路总电感mH L 0.3=,电流允许过载倍数5.1=λ,折算到电动机轴的飞轮惯量2 2 4.11094Nm GD =。 晶闸管整流装置放大倍数75=s K ，滞后时间常数s T s 0017.0= 电流反馈系数?? ? ??≈=N I V A V 5.11201.0β 电压反馈系数?? ? ??=N n V r V 12min 032.0α 滤波时间常数.02.0,002.0s T s T on oi == V U U U cm im nm 12===* *；调节器输入电阻Ω=K R O 40。 设计要求： 稳态指标：无静差 动态指标:电流超调量005≤i σ;空载起动到额定转速时的转速超调量 0010≤n σ。 目录 1设计任务与分析? 2调速系统总体设计...................................................................................................................................... 3直流双闭环调速系统电路设计? 3.1晶闸管-电动机主电路的设计........................................................ 3.1．１主电路设计? 3.1.2主电路参数计算................................................................. 3.2转速、电流调节器的设计? 3.２．１电流调节器.................................................................. 3.2．1.1电流调节器设计? ３．2.1.２电流调节器参数选择........................................................ 3.2．2转速调节器.................................................................... 3．2.2.1转速调节器设计.............................................................. 3.2.2.２转速调节器参数选择.......................................................... 4计算机仿真.................................................................................................................................................. 4.1空载起动? ４.２突加负载........................................................................................................................................ 4．3突减负载 5设计小结与体会? ６参考文献.....................................................................................................................................................双闭环直流调速系统
直流伺服电机调速系统(三闭环)要点
转速单闭环直流调速系统设计
双闭环直流调速系统
三闭环
单闭环直流调速系统
直流电机双闭环调速系统设计.
原版单闭环直流调速系统
数字化直流电机双闭环调速系统
matlab完整版(三相闭环).
单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告
双闭环直流调速系统工作原理
晶闸管直流调速系统实验
双闭环直流调速系统(精)
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