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基于單片機的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計論文-展示頁

2025-01-25 14:36本頁面
  

【正文】 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)變流機組簡稱GM系統(tǒng),用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組,以獲得可調(diào)的直流電壓。電樞回路總電阻為R=Ra+Rrec=,系統(tǒng)機電時間常數(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)達到穩(wěn)態(tài)無靜差,調(diào)速范圍01500r/min,,%(額定轉(zhuǎn)速時)。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。由于當今科學(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)。直到進入上世紀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,文章中詳細介紹了PI運算程序,單片機產(chǎn)生PWM波形的程序,初始化程序等的編寫思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn),M法數(shù)字測速及動態(tài)LED顯示程序設(shè)計,A/D轉(zhuǎn)換程序及動態(tài)掃描LED顯示程序和故障檢測程序及流程圖。此外,本文中還采用了芯片IR2112S作為直流電機正轉(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的控制。 摘 要本文主要研究了利用MCS51系列單片機控制PWM信號從而實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速進行控制的方法。文章中采用了專門的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系統(tǒng),并且對PWM信號的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過軟件編程對PWM信號占空比進行調(diào)節(jié),從而控制其輸入信號波形等均作了詳細的闡述。另外,本系統(tǒng)中使用了光電編碼器對直流電機的轉(zhuǎn)速進行測量,經(jīng)過濾波電路后,將測量值送到A/D轉(zhuǎn)換器,并且最終作為反饋值輸入到單片機進行PI運算,從而實現(xiàn)了對直流電機速度的控制。關(guān)鍵詞: PWM信號 直流調(diào)速 雙閉環(huán) PI調(diào)節(jié)前 言本文主要研究了利用MCS51系列單片機,通過PWM方式控制直流電機調(diào)速的方法。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約,在上世紀80年代以前一直未能實現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法,如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用,PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。PWM控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點。本文就是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機速度的控制。利用編碼器測得電機速度,經(jīng)過濾波電路得到直流電壓信號,把電壓信號輸入給A/D轉(zhuǎn)換芯片最后反饋給單片機,在內(nèi)部進行PI運算,輸出控制量完成閉環(huán)控制,實現(xiàn)電機的調(diào)速控制。根據(jù)電機的型號及參數(shù)選擇最優(yōu)方案,以確保系統(tǒng)能夠正常,穩(wěn)定地運行。 系統(tǒng)控制對象的確定本次設(shè)計選用直流電動機的額定參數(shù)直流電動機的額定參數(shù)PN=15kW、UN=440V、IN=、nN=1510 r/min,電流過載倍數(shù)λ=。 電動機供電方案選擇變電壓調(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)電流機組,靜止可控整流器,直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。適用于調(diào)速要求不高,要求可逆運行的系統(tǒng),但其設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護不便。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位,即可改變Ud,從而實現(xiàn)平滑調(diào)速,且控制作用快速性能好,提高系統(tǒng)動態(tài)性能。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,電機損耗及發(fā)熱都較?。喝?、 低速性能好,穩(wěn)速精度該,調(diào)速范圍寬,可達1:10000左右;四、 若與快速響應(yīng)的電動機配合,則系統(tǒng)頻帶寬,動態(tài)響應(yīng)快,動態(tài)抗擾能力強;五、 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài),道通損耗小,當開關(guān)頻率適當時,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,電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流高。 晶體管PWM功率放大器方案選擇方案一 單極性控制方式,這種控制方式的特點是在一個開關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開關(guān)頻率互補開關(guān),保證可以得到理想的正弦輸出電壓:另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作,從而在很大程度上減小了開關(guān)損耗。 方案二 雙極性調(diào)制方式的特點是4個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:1) 電流一定連續(xù);2) 可使電機在四象限運行;3) 電機停止時有微振電流,可以消除靜摩擦死區(qū);4) 低速平穩(wěn)性好,系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達1:20000左右;5) 低速時,每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬,有利于器件的可靠導(dǎo)。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理隨著調(diào)速系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用,傳統(tǒng)的采用 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)既能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié),又能較快的動態(tài)響應(yīng)只能滿足一般生產(chǎn)機械的調(diào)速要求。要實現(xiàn)上述要求,其唯一的途徑就是采用電流負反饋控制方法,即采用速度、電流雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)來實現(xiàn)。雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)中采用了兩個調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實現(xiàn)串級連接。圖中兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器,二者串級連接,即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。兩個調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅,ASR的輸出限幅什Uim決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓最大值Uim,對就電機的最大電流;電流調(diào)節(jié)器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值,限最小觸發(fā)角α。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方框圖根據(jù)設(shè)計要求,本系統(tǒng)設(shè)計為全數(shù)字式控制方式,因此要求微型計算機完成:電流環(huán)控制器運算、速度環(huán)控制器運算、位置環(huán)控制器運算,以及與它們相應(yīng)的反饋信號的采樣和數(shù)字信號處理?;魻栐z測得到的弱電流信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、濾波、放大后,變成與電樞電流成比例的0~5V的直流電壓信號,再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路,將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,輸入微型計算機。本系統(tǒng)由微型計算機來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制,用全數(shù)字方式來取代傳統(tǒng)的模擬控制方式,不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性,而且還為整個系統(tǒng)的多功能、智能化提供了必要條件。 數(shù)字式位置控制器數(shù)字式速度控制器數(shù)字式電流控制器數(shù)字式PWM信號發(fā)生器PWM功率放大器M信號轉(zhuǎn)換濾波放大A/D轉(zhuǎn)換.PG光電隔離倍頻變向位置可逆計數(shù)器數(shù)字式速度測量計數(shù)器位置給定+霍爾元件+ 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方框圖 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 8051單片機簡介本系統(tǒng)要求微型計算機完成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的控制算法運算以及相應(yīng)的反饋信號數(shù)字化測量和采樣,接收和處理上位微型計算機送給伺服系統(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算機等。另外,為了保證足夠的控制精度和運算速度,對微型計算機字長和指令功能也有更高的要求。1.8051單片機的基本組成 8051單片機由CPU和8個部件組成,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。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器:8051芯片中共有256個RAM單元,能作為存儲器使用的只是前128個單元,其地址為00H—7FH。特殊功能寄存器:是用來對片內(nèi)各部件進行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器,是一個特殊功能的RAM區(qū),位于內(nèi)部RAM的高128個單元,其地址為80H—FFH。并行I/O口:8051芯片內(nèi)部有4個8位的I/O口(P0,P1,P2,P3),以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。定時器:8051片內(nèi)有2個16位的定時器,用來實現(xiàn)定時或者計數(shù)功能,并且以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。振蕩電路:它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成8051單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列的時鐘電路。3.8051單片機引腳圖 8051單片機引腳圖第二節(jié) 主電路的設(shè)計及參數(shù)計算由于給定直流電動機的額定電壓為230V,為保證供電質(zhì)量,應(yīng)采用三相降壓變壓器將電源電壓降低;為避免三次諧波電動勢的不良影響,三次諧波電流對電源的干擾,主變壓器采用Δ/Y聯(lián)結(jié)。整流電路的脈波數(shù)總是有限的,在輸出的整直電壓中總是有紋波的。平波電抗器的電感量一般按低速輕載時保證電流連續(xù)的條件來選擇。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,從而起到保護電路安全運行的作用。因此:Itn=。 因此:Utn≧第三節(jié) 調(diào)節(jié)器的選擇與計算反饋系數(shù)的確定:電樞電流是雙極性的,A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果為10位二進制數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù): α= 10V/nN= min/r電流反饋系數(shù): β= U*im/Idm=10/(*)= 確定電流調(diào)節(jié)器時間常數(shù)1) 整流裝置滯后時間常數(shù)Ts=。3) 電流環(huán)小時間常數(shù)之T∑i近似處理,取T∑i =Ts+Toi=。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為WACR(S)=Ki(τis +1)/τisKi電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);τi電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 電流環(huán)等效近似處理后校正成為典型I系統(tǒng)框圖電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù):τi=Tl=電流環(huán)開環(huán)增益:要求σi≤5%時,查表得KIT∑i=,因此KI=于是,ACR的比例系數(shù)為: Ki=KIτiR/Ksβ=電流環(huán)采樣角頻率:Wsi=10Wci=電流環(huán)采樣時間:Ti=1/(Wsi/2pi)= 確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時間常數(shù)1)電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI 已知KIT∑i=,則 1/KI=2T∑i=2=2)轉(zhuǎn)速時間常數(shù)Ton。按小時間常數(shù)近似處理,取 T∑n=1/KI+Ton= 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié),所以應(yīng)該設(shè)計成典型II系統(tǒng),系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算按跟隨和抗擾性能都較好的原則,取h=5,則ASR的超前時間常數(shù)為τn=hT∑n=5=轉(zhuǎn)速開環(huán)增益:KN=(h+1)/2h2T∑n2=6/(252)=ASR的比例系數(shù)為: Kn=(h+1)βCeTm/2hαRT∑n=轉(zhuǎn)速環(huán)采樣角頻率:Wsn=10W=電流環(huán)采樣時間:Tn=1/(Wsn/2pi)=第四節(jié) PWM信號發(fā)生電路設(shè)計一、PWM控制器設(shè)計11
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