基于51單片機(jī)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-15 21:31 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 若發(fā)生故障立即進(jìn)行故障診斷，以便及時(shí)處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。這也是采用微機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)所在。第二節(jié) 8051單片機(jī)簡(jiǎn)介STC89C51RC是采用8051核的ISP（In System Programming）在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時(shí)鐘頻率為80MHz，片內(nèi)含8K Bytes的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，省去了購(gòu)買通用編程器，而且速度更快。本系統(tǒng)要求微型計(jì)算機(jī)完成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的控制算法運(yùn)算以及相應(yīng)的反饋信號(hào)數(shù)字化測(cè)量和采樣,接收和處理上位微型計(jì)算機(jī)送給伺服系統(tǒng)的指令,采集伺服系統(tǒng)的有關(guān)信息并反饋到上位微型計(jì)算機(jī)等。其中,電流環(huán)控制要求微型計(jì)算機(jī)有很快的響應(yīng)速度,其采樣頻率比較高。另外,為了保證足夠的控制精度和運(yùn)算速度,對(duì)微型計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)和指令功能也有更高的要求。本系統(tǒng)選用我們比較熟悉的8051作為微型計(jì)算機(jī)。 8051單片機(jī)的基本組成8051單片機(jī)由CPU和8個(gè)部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示： 振蕩電路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器中斷系統(tǒng)特殊功能寄存器CPU并行I/O口串行口定時(shí)器 8051單片機(jī)基本組成 CPU及8個(gè)部件的作用功能介紹如下中央處理器CPU：它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：8051芯片中共有256個(gè)RAM單元，能作為存儲(chǔ)器使用的只是前128個(gè)單元，其地址為00H—7FH。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是指這前128個(gè)單元，簡(jiǎn)稱內(nèi)部RAM。特殊功能寄存器：是用來對(duì)片內(nèi)各部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)特殊功能的RAM區(qū)，位于內(nèi)部RAM的高128個(gè)單元，其地址為80H—FFH。內(nèi)部程序存儲(chǔ)器：8051芯片內(nèi)部共有4K個(gè)單元，用于存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡(jiǎn)稱內(nèi)部ROM。并行I/O口：8051芯片內(nèi)部有4個(gè)8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。串行口：它是用來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。定時(shí)器：8051片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器，用來實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能，并且以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個(gè)中斷源，即外部中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷2個(gè)和串行中斷1個(gè)。振蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成8051單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列的時(shí)鐘電路。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為12MHz。 8051單片機(jī)引腳圖 8051單片機(jī)引腳圖變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡(jiǎn)稱GM系統(tǒng)，用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流靜止可控整流器又稱VM系電壓。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用PWM，用恒定直流或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。與V—M系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：一、主電路線路簡(jiǎn)單，需要的功率器件少；二、開端頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小：三、低速性能好，穩(wěn)速精度該，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：10000左右；四、若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；五、功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，道通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高；六、直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流高。本設(shè)計(jì)應(yīng)脈寬調(diào)速要求，采用直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。 晶體管PWM功率放大器方案選擇雙極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是4個(gè)功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，雙極性控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：電流一定連續(xù)；可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；電機(jī)停止時(shí)有微振電流，可以消除靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1：20000左右；低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于器件的可靠導(dǎo)。故本設(shè)計(jì)選用雙極性控制的橋式可逆PWM變換器。第二章 主電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 設(shè)計(jì)參數(shù)（1） 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)：PN=20W、UN=12V、IN=、=300r/min、電樞電阻Ra==、GD2=cmTm=30ms（2） 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)：U *n=5V，Uim=5V，Idm=，σi≤5%，σn≤10%。 穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)：速反饋轉(zhuǎn)系數(shù) 電流反饋系數(shù) 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器： 確定時(shí)間常數(shù)（1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。由表22知，PWM裝置的延長(zhǎng)時(shí)間 Ts=0. 1ms=。（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。 （1~2）Toi=，因此取Toi==。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取= Ts+Toi=。（4）電磁時(shí)間常數(shù)TL TL== 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：, 參照附表22的典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。電流開環(huán)增益：要求時(shí)，取，因此 于是，ACR的比例系數(shù)為 =校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率： 3125PWM裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件。（1） 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件（2） 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件
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