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微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件
2011年第50期目录
&&&&&&本期共收录文章20篇
　　摘 要： 以微处理器为核心的数字控制系统（简称微机数字控制系统）。其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，其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。 中国论文网 /9/view-963462.htm　　关键词： 微机数字控制 直流调速 PWM调速系统 　　 　　1.引言 　　微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能。此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。离散化和数字化的结果导致了时间上和量值上的不连续性，从而引起下述的负面效应：（1）A/D转换的量化误差：模拟信号可以有无穷多的数值，而数码总是有限的，用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和平滑性。（2）D/A转换的滞后效应：经过计算机运算和处理后输出的数字信号必须由数模转换器D/A和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。 　　随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。但微机数字控制系统的主要特点及其负面效应需要在系统分析中引起重视，并在系统设计中予以解决。 　　2.微机数字控制系统硬件组成 　　2.1数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种。 　　2.1.1数模混合控制系统特点：转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器；电流调节器采用数字调节器；脉冲触发装置则采用模拟电路。 　　2.1.2数字电路控制系统特点：除主电路和功放电路外，转速、电流调节器，以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成。 　　2.1.3计算机控制系统在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能，即为计算机控制系统。系统的特点：双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。 　　2.2微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构。 　　系统由以下部分组成：主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路。 　　2.2.1主回路――微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE有两种方式：直流PWM功率变换器；晶闸管可控整流器。 　　2.2.2检测回路――检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中：电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速。 　　2.2.2.1电流和电压检测――电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外，还是各种保护和故障诊断信息的来源。电流、电压信号也存在幅值和极性的问题，需经过一定的处理后，经A/D转换送入微机，其处理方法与转速相同。 　　2.2.2.2转速检测有模拟和数字两种检测方法。 　　（1）模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压不仅表示了转速的大小，并且包含了转速的方向，在调速系统中（尤其在可逆系统中），转速的方向也是不可缺少的。因此必须经过适当的变换，将双极性的电压信号转换为单极性电压信号，经A/D转换后得到的数字量送入微机。但偏移码不能直接参与运算，必须用软件将偏移码变换为原码或补码，然后进行闭环控制。 　　（2）对于要求精度高、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即数字测速。 　　利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。 　　2.2.3控制电路――数字控制器，数字控制器是系统的核心，可选用单片微机或数字信号处理器（DSP）比如：Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列等专为电机控制设计的微处理器，本身都带有A/D转换器、通用I/O和通信接口，还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能，可大大简化数字控制系统的硬件电路。 　　2.2.4系统给定――系统给定有两种方式。 　　2.2.4.1模拟给定：模拟给定是以模拟量表示的给定值，例如给定电位器的输出电压。模拟给定须经A/D转换为数字量，再参与运算。 　　2.2.4.2数字给定：数字给定是用数字量表示的给定值，可以是拨盘设定、键盘设定或采用通信方式由上位机直接发送。 　　2.2.5键盘与显示电路。 　　微机数字控制器的控制对象是功率变换器，可以用开关量直接控制功率器件的通断，也可以用经D/A转换得到的模拟量去控制功率变换器。随着电机控制专用单片微机的产生，前者逐渐成为主流，例如Intel公司8X196MC系列和TI公司TMS320X240系列单片微机可直接生成PWM驱动信号，经过放大环节控制功率器件，从而控制功率变换器的输出电压。 　　3.微机数字控制系统软件组成 　　微机数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有：主程序、初始化子程序、中断服务子程序等。 　　3.1主程序――完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其他外设通信等功能。 　　3.2初始化子程序――完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。 　　3.3中断服务子程序完成实时性强的功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调节等，中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保护中断。 　　直流调速系统的基本规律和设计方法，所有的调节器均用运算放大器实现，属模拟控制系统。模拟系统具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，便于学习，但大量计算太过繁琐。微机数字控制系统应用相应软件来实现算法非常方便。 　　4.结语 　　传统直流调速控制方法主要体现在硬件电路和所用的器件上，因线路复杂、通用性差，控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。微机数字控制系统直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好、智能化和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。 　　 　　参考文献： 　　［1］宋家成.直流调速系统应用与维修.中国电力出版社，2008. 　　［2］夏德黔.自动控制理论.北京机械工业出版社，1990. 　　［3］章兼源.微机控制技术.北京电子工业出版社，2003. 　　［4］陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京机械工业出版社，1992.
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毕业设计论文开题报告信电系工自专业03级1班课题名称全数字化双闭环可逆直流PWM调速系统的研究毕业设计论文起止时间日～6月7日共13周学生姓名指导教师报告日期1．本课题所涉及的问题在国内外的研究现状综述当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机出现于20世纪70年代，随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子的发展，得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。比较简单的电机微机控制，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。对于复杂的电机控制,则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等,使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直电机和交流电机各有优缺点，直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。目前，广泛应用于数控机床等自动化设备的数控位置伺服系统.为了提高性能,在先进的数控交流伺服系统中,已采用高速数字化处理芯片DIGITALSIGNALPROCESSOR,简称DSP,其指令执行速度达到每秒数百兆以上,且具有适合于矩阵运算的指令.目前，很多电机微机控制系统都是由数字部件和模拟部件组成的混合系统，而全数字控制系统是当前的发展方向。电机调速系统采用微机实现数字化控制,是电气传动发展的主要方向之一.从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当前直流调速已发展到一个很高的技术水平功率元件采用可控硅控制板采用表面安装技术控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微机及其他先进技术，数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外得到广泛的应用。全数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断推出，为工程应用提供了优越的条件。2．设计论文要解决的问题和拟采用的研究方法1要了解电气传动技术发展现状和微机控制电机的发展和现状。2要掌握单闭环控制直流脉宽调速系统原理。3微机控制双闭环可逆直流PWM调速系统原理的设计。4调速系统的硬件设计。5调速系统的软件设计。3．本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路1分析系统工作原理和提高调速性能的方法，研究IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术在微机控制方面，讨论数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理。2采用89C52微机为核心，分别采用、8279、ADC等芯片与一些外围电路，实时测试与调节电动机的转速与电流。3设计控制软件程序，以实现数字调节器和数字转速调节器的算法，以及抗干扰技术的处理。4．完成本课题所必须的工作条件如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等及解决的办法本课题需要计算机进行编辑，所用软件有CAD，Protel,Office2003等。同时从学校图书馆及网上查寻到的资料也对本设计有着重要的帮助。所参考的书籍有1绉伯敏.自动控制理论.北京机械工业出版利，20022李先允.自动控制系统.北京高等教育出版社，20033陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京机械工业出版利，20004莫正康.电力电子应用技术.北京机械工业出版利，20015余锡存，曹国华.单片机原理及接口技术.西安西安电子科技大学出版利，20006吴金戊，沈庆阳，郭庭古等.8051单片机实践与应用.北京清华大学出版利，20027高鹏，安涛，寇怀诚等.Protel99入门与提高.北京人民邮电出版利，20048王晓明.电动机的单片机控制.第一版.北京北京航空航人大学出版社，20029廖晓钟.电力电子技术与电气传动.北京北京理工大学出版社，2000等。5．设计论文完成进度计划第01周至第02周查阅中文及英文资料（并翻译一篇外文资料），收集和设计相关的资料03周至第03周查阅相关资料，完成毕业设计（论文）开题报告，并开始进行毕业设计第04周至第06周完成整个设计方案第07周至第11周完成硬件模块的设计第12周至第15周完成软件模块的设计第16周至第16周整理相关资料，完成毕业设计（论文）和图纸打印第17周至第17周答辩。6．指导教师审阅意见指导教师签字年月日7．教研室主任意见教研室主任签字系签章年月日说明1.本报告必须由承担毕业设计论文课题任务的学生在接到毕业设计论文任务书、正式开始做毕业设计论文的第2周或第3周末之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。2.每个毕业设计论文课题撰写本报告一份，作为指导教师、教研室主任审查学生能否承担该毕业设计论文课题任务的依据，并接受学校的抽查。
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第五章 计算机控制系统模拟化设计（Key）
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