【正文】 A3=B3 A2=B2 A1B1 * * * * 1 0 0 A3=B3 A2B2 * * * * * 1 0 0 A3B3 * * * * * * 1 0 0 （ 3）芯片 4585 的引腳圖： 圖 4585 的引腳圖 2．芯片 4040 基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 17 芯片 4040 是一個 12位的二進(jìn)制串行計數(shù)器，所有計數(shù)器位為主從觸發(fā)器，計數(shù)器在時鐘下降沿進(jìn)行計數(shù)。由于單片機(jī)上電復(fù)位時 P1 端口輸出全為“ 1”，使用數(shù)值比較器 4585的 B 組與 P1端口相連，升 速時 P0 端口輸出 X 按一定規(guī)律減少，而降速時按一定基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 16 規(guī)律增大。隨著計數(shù)值的增加， Q2— Q9 由全“ 1”變?yōu)槿?0”時，圖中 U2 的（ AB）輸出端又變?yōu)榈碗娖?，這樣就在 U2的（ AB）端得到了 PWM 的信號，它的占空比為（ 255 X / 255） *100%，那么只要改變 X 的數(shù)值，就可以相應(yīng)的改變 PWM 信號的占空比，從而進(jìn)行直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。 12 位串行計數(shù)器 4040 的計數(shù)輸入端 CLK 接到單片機(jī) C51 晶振的振蕩輸出XTAL2。 兩片 數(shù)值比較器 4585，即圖上 U U3 的 A組接 12 位串行 4040 計數(shù)輸出端Q2— Q9，而 U U3 的 B組接到單片機(jī)的 P1端口。當(dāng) PWM 波的頻率太高時，它對直流電機(jī)驅(qū)動的功率管要求太高，而當(dāng)它的頻率太低時，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng) PWM 波的頻率在 18KHz 左右時，效果最好。嚴(yán)格來說，平均速度 Vd 與占空比 D 并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng) 用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。 如下圖所示： 圖 PWM 原理波形 設(shè)電機(jī)始終接通電源時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，設(shè)占空比為 D= t1 / T，則電機(jī)的平均速度為 Va = Vmax * D，其中 Va指的是電機(jī)的平均速度； Vmax 是指電機(jī)在全通電時的最大速度； D = t1 / T 是指占空比。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機(jī) 的轉(zhuǎn)速。 PWM 可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。 圖 轉(zhuǎn)速環(huán)等效近似處理后校正成為典型 II 系統(tǒng)框圖 ASR 也應(yīng)該采用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 14 WASR（ s） = Kn（τ ns +1） /τ ns Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； τ n轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器的超前時間常數(shù)。取 Ton= 3）轉(zhuǎn)速小時間常數(shù) T∑ n。 檢查對電源電壓的抗干擾性能： Tl /T∑ I =,參照教材中表 23 的典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能， 各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。 4） 電樞回路電磁時間常數(shù) Tl Tl＝ L/R＝ ＝ 5） 電力拖動系統(tǒng)時間常數(shù) Tm Tm=40ms＝ 6) Ks=Uc(Uc)/fpwm=2*(100*1000)= 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 根據(jù)設(shè)計要求并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。 2） 電流 濾波時間常數(shù) Toi:取 Toi==。 因此： Utn≧ 所以應(yīng)選用的熔斷器為： RT0— 100 型。 因此： Itn=。若安置了熔斷器，那么，熔斷器就會在電流異常升高到一定的高度和一定的時候，自身熔斷切斷電流，從而起到保護(hù)電路安全運(yùn)行的作用 。 對于三相橋式整流電路：（參考課程設(shè)計一數(shù)據(jù)） L=又因?yàn)橐话?Idmin 為電動機(jī)額定電流的 5%~10%，這里去 10%。這種紋波往往是有害的，需要由平波電抗器加以抑制。 電阻取 R0= ,R1=R2=56 kΩ ,Rb=16Ω 整流功率二極管的選擇 ： 選擇功率二極管的耐壓值： U=(23)Um=(23)*sqr(3)*110=380520V 通態(tài)電流值： Ita=（ ） Ivt=()*(3)/= 選取功率二極管數(shù)據(jù)為： 600V/50A 平波 電抗器 的選擇及計算 平波電抗器：平波電抗器用于整流以后的直流回路中。 整流變壓器的計算與設(shè)計 變壓器二次側(cè)電壓： U2的確定原則是要保證在電動機(jī)的整個起動過程中，整流裝置都能夠提供要求的最大電流值 *Idnom，忽略 IGBT 壓降和換相重疊壓降后可列出下列公式： 電動機(jī) Ce= Udm=*U2Ce*Nn+Idm 考慮到電網(wǎng)電壓波動，取波動系數(shù)為 0 .95，則有 : U2=(Ce*Nn+Idm*R)/=(*1450+**)/(*)= 整流器視在功率： Sn=3u2I2=3***= KVA 故 1 13NSI u?，變壓器一次側(cè)電壓一般由供電電源決定取 u1=220V I1=Sn/(3*U1)=*1000/(3*220)= A 故變壓器應(yīng)選擇 220V/150V視在功率為 35KVA 基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 11 開關(guān)器件 IGBT 參數(shù)計算與選擇 反向最大電壓： U==*= I==*= 選取西門子的 BSM75GB60DLC 型 IGBT,耐壓 600V，電流 75A，工作極限溫度80oC。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為 12MHz。 中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有 5 個中斷源，即外部中斷 2 個，定時 /計數(shù)中斷2個和串行中斷 1 個。 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。 內(nèi)部程序存儲器： 8051 芯片內(nèi)部共有 4K個單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部 ROM。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128 個單元，簡稱內(nèi)部 RAM。其基本組成如下圖所示： 圖 8051 單片機(jī)基本組成 2． CPU 及 8 個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。本系統(tǒng)選用我們比 較熟悉的 8051 作為微型計算機(jī)。其中 ,電流環(huán)控制要求微型計算機(jī)有很快的響應(yīng)速度 ,其采樣頻率比較高。 經(jīng)上述考慮 ,本系統(tǒng)組成的方框圖如圖 所示。 本系統(tǒng)選用光電脈沖信號發(fā)生器作為速度反饋的測量元 件 ,光電脈沖信號發(fā)生器將電動機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移量轉(zhuǎn)換成脈沖序列 ,通過計數(shù)器定時計數(shù)即可得到電動機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)字式反饋量。 本系統(tǒng)采用霍爾元件作為檢測電動機(jī)電樞電流的傳感器 ,其電流容量為 50A,轉(zhuǎn)換比例為 1000： 1。如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則有 nA S R n n 1() sW s K s? ? ?? iA C R i i 1() sW s K s?? ?? 為了引出電流反饋，在電動機(jī)的動態(tài)框圖中必須把電樞電流 dI 顯露出來。 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)直 流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 如 圖 所示。電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。 圖 1－ 為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系 統(tǒng)的原理圖。在電流控制回路中設(shè)置一個調(diào)節(jié)器，專門用于調(diào)節(jié)電流量，從而在調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制。為了提高生產(chǎn)率，要求盡量縮短起動、制動、反轉(zhuǎn)過渡過 程的時間，最好的辦法是在過渡過程中始終保持電流（即動態(tài)轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使系統(tǒng)盡最大可能加速起動，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低，進(jìn)入轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。 本設(shè)計選用雙極性控制的橋式可逆 PWM 變換器。但又不是固定其中一個橋臂始終為低頻 (輸出基頻 )，另一個橋臂始終為高頻 (載波頻率 )，而是每半個輸出電壓周期切換工作，即同一個橋臂在前半個周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 6 于選用同樣的功率管時，使其使用壽命均衡，對增加可靠性有利。 本設(shè)計應(yīng)脈寬調(diào)速要求，采用直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。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。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。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡稱 GM 系統(tǒng)，用交流電動機(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。電樞回路總電阻可取為 R=Ra+Rrec=，系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)Tm=，電磁時間常數(shù) Tl=，電動勢系數(shù) Ce=*min/r。 本系統(tǒng)采用 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)無靜差，調(diào)速范圍 01500r/min,電流過載倍數(shù)為 倍，速度控制精度為 %（額定轉(zhuǎn)速時）。 基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 5 第一章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 第一節(jié) 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)方案選擇與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的質(zhì)量。文章中采用了專門的芯片組成了 PWM 信號的發(fā)生系統(tǒng)，然后通過放大來驅(qū)動電機(jī)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為 PWM 控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù)。直到進(jìn)入上世紀(jì) 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。在軟件方面，文章中詳細(xì)介紹了 PI運(yùn)算程序，初始化程序等的編寫思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn)。此外，本文中還采用了芯片IR2112S 作為直流電機(jī)正轉(zhuǎn)調(diào)速功率放大電路的驅(qū)動模塊來完成了在主電路中對直流電機(jī)的控制。基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 1 目 錄 摘要 ???????????????????????????? ?? ?? 3 前言 ???????????????????????????? ?? ?? 4 第一章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 ????????????????? ?? ?? 5 第一節(jié) 系統(tǒng)方案選擇與總體設(shè)計 ????????? ?? ?????? ?? 5 調(diào)速方案的選 擇 ????????????????? ??? ?? ? 5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原 圖 ????????????????? 6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型 ????? ?????? ?? ?? 6 數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方 圖 ????????????? ?? 7 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件 圖 ?????????????? ? 8 8051 單片機(jī)簡介 ?????????????? ? ???????? 9 第二節(jié) 主電路設(shè)計與參數(shù)計算 ???????????????? ?? ? 10 整流變壓器的計算與設(shè)計 ??????????????????? 10 開關(guān)器件 IGBT 參數(shù)計算與選擇 ???????????????? 11 電阻電容的選擇 ???????????? ??????????? 11 整流功率二極管的選擇 ???????????? ???????? 11 平波電抗器的選擇與計算 ???????????? ??????? 11 快速熔斷器的選擇與計算 ???????????? ??????? 11 第三節(jié) 調(diào)節(jié)器的選擇與計算 ????? ????????????? ?? 12 確定電流調(diào)節(jié)器時間常數(shù) ???????????????? ? ?? 12 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 ????????? ????? ?? ???? 12 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算 ?????????????? ?? ????? 13 確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時間常數(shù) ?????????????? ?? ??? 13 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 ?????????????? ?? ???? 13 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算 ?????????????? ?? ????? 14 第四節(jié) PWM 信號發(fā)生電 計 ???????????????????? ? 14 PWM 的基本原理 ???