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运动控制课程设计

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2020年4月19日
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目 录

1设计任务与要求 1
2系统方案论证 1
2.1 PWM控制使用在直流电力拖动系统中的优势 1
2.2单片机控制使用在直流电力拖动系统中的优势 1
3系统总体设计 2
3.1单片机控制PWM直流双闭环调速系统原理 2
3.2 PWM技术基本原理 3
4调节器参数设计 3
4.1电流环参数设计 3
4.2转速环参数设计 5
5系统电路设计 7
5.1主电路设计 7
5.2驱动电路设计 8
5.3检测电路设计 8
5.4数字控制器设计 9
6调速系统软件设计 9
6.1主程序 10
6.2初始化子程序 10
6.3中断服务子程序 10
6.4 PI算法子程序 11
设计体会 13
参考文献 14

单片机控制PWM直流双闭环
调速系统设计
1设计任务与要求
转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最为广泛的直流调速系统。本次设计需要根据已知参数及性能指标，设计一个单片机控制PWM直流双闭环调速系统，使其具备基本的运行可能性和可操作性，具体包括主电路设计、触发电路设计、控制回路设计以及控制程序的编写。

2系统方案论证
2.1 PWM控制使用在直流电力拖动系统中的优势
直流电力拖动系统使用PWM控制方法，与晶闸管可控整流方法比较，性能上有以下特点。
1）由于开关频率高，因此系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰性能强。新开发的MOSFET开关频率可达到几十kHz,IGBT开关频率也可达到30kHz。而且电枢电流仅依赖于电动机本身的电感就能连续，不需要增加饱和电抗器，减少了电动机损耗。
2）电动机低速时电流脉动小，即转矩脉动小，稳速精度高，调速范围大，特别是双极式PWM变换器，最大调速比可达1∶20 000。当直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
3）主电路结构简单，MOSFET与IGBT都开发有多种驱动集成模块；而且由于功率器件工作在开关状态，而使功率电路功耗小，其功率可达到90%以上。
2.2单片机控制使用在直流电力拖动系统中的优势
基于单片机控制的数字直流调速数字控制系统与模拟控制系统相比较有很多优势，主要包括以下几方面。
1）数字控制系统硬件电路的标准化程度高、制作成本低、不受器件温度漂移的影响。且系统的稳定性好、可靠性高，能够提高控制能力。
2）数字控制系统的控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，能够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。另外，数字控制系统拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。

3系统总体设计
3.1单片机控制PWM直流双闭环调速系统原理
根据设计任务要求，设计的单片机控制PWM直流双闭环调速系统的原理图如图1所示。
3~

AT89S52单片机 UR
Id*
Uc
n﹡

ASR ACR UPW GD UPEW
- Id
- n

A/D TA

M
FBS

图1 单片机控制PWM直流双闭环调速系统的原理图
图1中，UR：三相桥式整流器，ASR：转速调节环节，ACR：电流调节环节，UPW：PWM波生成电路，GD：驱动电路，UPEW：桥式可逆电力电子变换器，A/D：模/数转换器，TA：霍尔电流传感器，FBS：光电码盘测速器。
为了实现转速、电流的无静差以及转速的稳定，整个系统采用了转速、电流双闭环的控制结构，在系统中设置了两个调节器转速调节器、电流调节器，从而引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行串级联接，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作为PWM的控制电压，最后经过驱动电路驱动桥式可逆电力电子变换器UPEW。从闭环结构上看，电流环在内部，构成了内环，从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，而且电流环应以跟随性能为主，因此电流环按典Ⅰ型系统设计；转速环在外部，从成了外环，为了实现转速无静差以及获得良好的动、静态品质，因此转速环按典Ⅱ型系统设计。整个系统中，转速、电流调节环采用单片机实现，系统的给定，电流、转速的反馈量经过模/数转换后也送入单片机中进行处理，最终形成了单片机控制PWM直流双闭环调速系统。
3.2 PWM技术基本原理
PWM控制系统是经过改变直流电机电枢上脉动直流电的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。电枢电压的平均值为：Umg=ρVcc, ρ称为占空比，其值由固定频率调节脉冲宽度的方法来调节。

4调节器参数设计
本系统调节器参数的设计主要采用工程设计法。按照多环控制系统设计的一般原则，采取先内环后外环，从内环开始，逐步向外扩张。因此在双闭环控制系统中，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。单片机控制PWM直流双闭环调速系统的实际动态结构框图如图2所示。

电流环
Un*(s)

ASR ACR

E(s)
IdL(s)

n(s)

图2单片机控制PWM直流双闭环调速系统动态结构框图
4.1电流环参数设计
首先将电流环从整个系统的动态结构框图中取出，得到近似的电流环结构框图，如图3所示。

Ui*(s)
Id(s)
ACR

图3电流环近似结构框图
由于电流环的控制对象是双惯性的，而且设计要求电流超调量，因此可校正成典Ⅰ型系统，因此电流调节器ACR采用PI型的，其传递函数能够写成下式：

式中 ----电流调节器比例系数
----电流调节器超前时间常数。
对电流环作近似处理，可得出电流环结构简化图，如图4所示。
Id(s)

Ui*(s)/β

图4电流环结构简化图
电动机电枢电流的额定值,因此电枢允许的最大电流,因此电枢电流的范围为，而A/D转换为8位的二进制数码，因此得出电流反馈回路的反馈系数：

因为整流电路采用的是三相桥式整流电路，因此整流装置滞后时间常数为三相桥式整流电路的平均失控时间，而电流滤波时间常数为：，经过小时间常数近似处理得出电流环小时间常数之和，因此能够计算出电流调节器各参数。
电流调节器各参数计算：
电流调节器超前时间常数：。
电流环开环增益：要求，应取，因此

于是，ACR的比例系数为

校验近似条件：
电流环截止频率：
PWM变换器传递函数近似条件

满足近似条件。
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。
电流环小时间常数近似处理条件

满足近似条件。
按照上述参数，电流环能够达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。
4.2转速环参数设计
前面已经计算出了电流调节环的参数，要对转速环进行参数设计，首先计算出电流环的等效闭环传递函数，经过近似条件的处理能够得出电流环的等效闭环传递函数为下式。

用电流环的等效环节代替图3中的电流环后，整个系统的动态结构框图如图5所示。

n(s)

ASR
Un*(s)

图5转速环动态结构框图
由前面调速系统的原理可知，转速的控制是无静差的，而且设计要求空载启动转速超调量，因此可校正成典Ⅱ型系统，因此转速调节器ASR也采用PI型的，其传递函数能够写成下式：

式中 ----转速调节器比例系数
----转速调节器超前时间常数。
对转速环作近似处理，可得出转速环结构简化图，如图6所示。
n(s)
Un*(s)/α

图6转速环结构简化图
转速调节器各参数计算：
电流环等效时间常数：。
转速滤波时间常数：。
转速环小时间常数：。
按照跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为

从而求出转速开环增益

最后可求出ASR的比例系数为

检验近似条件：
转速环截止频率：。
电流环传递函数简化条件为

满足近似条件。
转速环小时间常数近似处理条件为

满足近似条件。
当时，，不能满足设计要求，由于以上是按线性处理的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，因此应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。因此超调量为

5系统电路设计
整个调速系统硬件电路主要包含有：以三相桥式整流器为主的主电路，PWM功率放大驱动电路，电流、速度检测电路以及以51单片机为核心的数字控制器等几个单元电路组成，各个单元电路的设计如下。
5.1主电路设计
主回路的设计主要是：三相交流电源经三相桥式整流变换为电压恒定的直流电源，然后经过直流PWM变换器得到可调的直流电压，最后供给直流电动机使用。整个主回路的构成如图所示。
其中，从图7中能够看出，采用的是电压源型逆变器，直流环节采用大电容C1来滤波，从而使得输出的直流电压波形比较平直，在理想的情况下可视为内阻为零的恒压源。由于电容C1的容量很大，当突加电源后，后造成短路，从而形成比较大的充电电流，会减少整流二极管的寿命，严重的可能烧毁，因此在电路中加入了限流电阻R1，加入电源以后为了避免限流电阻R1在运行中造成不必要的损耗，可在限流电阻R1两端并入延时开关K，将其短路即可。

图7主回路电路图
5.2驱动电路设计
从上述原理可知，产生高压侧焖鸡驱动电压的前提是低压侧必须要有开关的动作，因此本系统采用的是双极性脉宽调制功率放大器。PWM驱动原理图如图8所示。因为VT1~VT4是作为开关用的大功率晶体管，只工作在截止和饱和状态，当电机正转时VT1、VT4导通，反转则VT2、VT3导通。而D4、D5、D9、D10则为续流二极管，主要起到保护作用，防止VT1~VT4被反向击穿。因为控制回路是弱电，而主回路却是强电，因此在两者之间加入了起隔离和抗干扰作用的光电耦合器。

图8 PWM驱动原理图
5.3检测电路设计
检测回路主要包括电流、电压、速度的检测，其中电流、电压的检测须由A/D转换通道转换为数字量再送入单片机中进行相应的处理，转速检测直接使用数字测速。电流检测电路的主要组成部分包括霍尔电流传感器（TA）CSM100LA，A/D转换器ADC0809。转速测量电路则由施密特整形电路以及装在电动机转子上的光电编码盘组成，因为电机的转速与电脉冲的频率成固定的比例关系，因此将光电编码盘输出的电脉冲经施密特整形电路整为标准的TTL电平，再送入单片机的两个外部中断，然后利用单片机内部的定时计数器作为计数器来不断重复的捕捉相邻两次速度脉冲，最后从两次触发的时间差算出转速。
5.4数字控制器设计
数字控制器是整个调速系统的核心，AT89S52单片机测试数字控制器的核心。前面已经计算出电流、转速调节器的参数，因此能够得到两者的传递函数，一次能够先按模拟系统设计方法设计调节器，然后采用离散化，就能够得到数字控制器的散发，也就是模拟调节器数字化。数字控制器采用PI调节算法，将测得的电流、转速的数字量送入单片机中，经过测得的转速与预置转速相比得到差值，然后单片机经过对差值进行PI运算得出控制量，再经过IO口输出四路PWM控制信号，最终达到控制电机转速的目的。数字控制器的设计主要是单片机最小系统的设计，单片机最小系统如图9所示。整个系统的总电路图见附录。

图9单片机最小系统

6调速系统软件设计
调速系统的控制规律是利用软件实现的，所有的硬件须由软件来实施管理，经过软硬件的相互结合来实现电机的调速。整个调速系统的软件有主程序、初始化子程序、中断服务子程序和PI算法子程序组成。
6.1主程序
主程序设计成循环形式，将预置的转速与实际测得的转速相比较，得到一个差值，然后将差值进行PI运算得到电流调节器的输入值，再将输入值与实际测得的电流值相比较，又得到一个差值，最后将差值进行PI运算得到控制值，最后利用控制值改变输出的PWM信号的占空比，最终达到控制电机转速的目的。主程序框图如图10所示。

图10主程序框图
6.2初始化子程序
初始化子程序的功能主要是完成器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。初始化子程序框图如图11所示。
6.3中断服务子程序
中断服务子程序的设计是整个系统软件设计的关键部分，用来完成实时性强的功能。例如PWM控制信号的生成、状态检测以及数字PI调节等。中断服务子程序主要包括了转速调节中断服务子程序、电流调节中断服务子程序。

图11初始化子程序框图 图12转速调节中断服务子程序框图
进入转速调节中断服务子程序后，首先保护现场，再计算实际转速，完成转速PI调节，最后启动转速检测，为下一步调节做准备。中断服务完成以后须恢复现场，从而使得被中断的上一级程序正确可靠的运行，转速调节中断服务子程序框图如图12所示。
电流调节中断服务子程序主要完成电流PI调节和PWM控制信号的生成功能，然后启动A/D转换，为下一步调节做准备。中断服务完成以后须恢复现场，从而使得被中断的上一级程序正确可靠的运行，电流调节中断服务子程序框图如图13所示。

图13电流调节中断服务子程序框图
6.4 PI算法子程序
本系统采用的是比例积分调节器，使系统在扰动的干扰下，经过PI调节器的调节作用使电机的转速达到无静差，同时使电流紧紧跟随给定值的变化，从而加快启动过程。PI算法子程序框图如图14所示。

图14 PI算法子程序框图

设计体会

经过本次运动控制系统课程设计的实践训练，我巩固了自己在理论课程中学习的基础知识，同时还进一步熟悉了许多设计软件的应用，了解了一些以前没有涉及到得新知识。这具体包括，经过这次设计，我进一步学习、掌握了ProtelDXP、VISO这几款画图设计软件的使用，同时我在原来学习电力电子整流、滤波、斩波的基础上进一步熟悉了其中相关的原理以及设计单片机控制PWM直流双闭环调速系统所要采用的方法。另外，这次设计也加强了我们动手、思考和解决实际问题的能力，凡事都要具体问题要具体分析，才能找出最优的解决办法，从而达到设计的目的。

参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统. 北京：机械工业出版社，
[2]王兆安，黄俊.电力电子技术. 北京：机械工业出版社，
[3]于海生.微型计算机控制技术. 北京：清华大学出版社，1999
[4]戴仙金.51单片机及其C语言程序开发实例. 北京：清华出版社，
[5]王晓明.电动机的单片机控制. 北京：北京航天航空大学出版社，