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直流电机调速控制系统设计
摘要
本设计以AT89C51单片机构成的数字化直流变速系统,对一台26KW的直流电动机进行电流和转速双闭环的恒速调节,电路结构简单,控制精度高,成本低,各项性能指标优于模拟直流调速控制系统,系统通过计算机软件调试与仿真,经简单改进后可用于实际控制系统。
关键词:
单片机,PWM技术,直流电机,调速控制
ABSTRACT
AT89C51microcontrollerdesignedtoformthedigitalDCtransmissionsystem,thisdesignconductsaregulationofcurrentandtheconstantdoubleclosed-loopspeedregulationtoaDCmotorof26KW.Withasimplecircuitconfiguration,ahighprecisionofcontrolbutlowcost,theperformanceindexofthisdesignissuperiortoanalogDCdrivecontrolsystems.Debuggedandsimulatedthroughcomputersoftware,itcanbeusedfortheactualcontrolsystemwithsimpleimprovements.
Keywords:
microprocessorcontrolunit,PWMtechnology
,DCmotorspeedcontml,digitalcontrol.
目录
摘要1
ABSTRACT2
第1章引言4
1.1概况4
1.2国内外发展概况5
1.3设计目的和意义6
第2章直流调速系统概述7
2.1直流电机的工作原理7
2.2直流电机的调速方法8
2.3H桥电机驱动的概述11
第3章方案论证和选择13
3.1电机调速控制模块13
3.2PWM调速工作方式13
3.3PWM调脉宽方式14
3.4PWM软件实现方式14
第4章系统硬件电路设计15
4.1时钟电路15
4.2复位电路16
4.3稳压电源电路17
4.4信号输入电路18
4.5电机PWM驱动模块的电路20
第5章系统的软件设计21
5.1单片机选择21
5.2系统软件设计分析22
第6章单片机系统综合调试28
6.1PROTEUS设计与仿真平台28
6.2PROTEUS设计与单片机传统开发过程比较29
6.3仿真结果与分析30
第7章结论34
致谢35
参考文献36
附录37
附录A程序清单37
附录B硬件原理图43
附录C仿真比较图44
第1章引言
1.1概况
现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化,因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来,而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。
在这一系统中可对生产机械进行自动控制。
随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用,自动化电力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。
以达到高速、优质、高效率地生产。
在大多数综合自动化系统中,自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。
另外,低成本自动化技术与设备的开发,越来越引起国内外的注意。
特别对于小型企业,应用适用技术的设备,不仅有益于获得经济效益,而且能提高生产率、可靠性与柔性,还有易于应用的优点。
自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分。
在如今的现实生活中,自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展,其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。
虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护,但是它具有良好的起、制动性能,宜于在广泛的范围内平滑调速,所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。
现在电动机的控制从简单走向复杂,并逐渐成熟成为主流。
其应用领域极为广泛,例如:
军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制;工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制;计算机外围设备和办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制;音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。
随着电力电子技术的发展,开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流,脉宽调制技术表现出较大的优越性:
主电路线路简单,需要用的功率元件少;开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗和发热都较小;低速性能好,稳速精度高,因而调速范围宽;系统快速响应性能好,动态抗扰能力强;主电路元件工作在开关状态,导通损耗小,装置效率较高;近年来,微型计算机技术发展速度飞快,以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力,正向社会的各个领域渗透,直流调速系统向数字化方向发展成为趋势。
1.2国内外发展现状
电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大,它们是密切相关、相互促进的。
近30年来,电力电子技术的迅猛发展,带动和改变着电机控制的面貌和应用。
驱动电动机的控制方案有三种:
工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制,在单向通用电动机的电子驱动电路中,主要的器件是晶闸管,后来是用相位控制的双向可控硅。
在这以后,这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。
到70和80年代才先后出现了全控型功率器件GTO晶闸管、GTR、POWER-MOSFET、IGBT和MCT等。
利用这种有自关断能力的器件,取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路,简化了电路结构,提高了效率,提高了工作频率,降低了噪声,也缩小了电力电子装置的体积和重量。
后来,谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM变流器所代替,明显地扩大了电机控制的调运范围,提高了调速精度,改善了快速性、效率和功率因数。
直流电机脉冲宽度调制(PulseWidthModulation-简称PWM)调速系统产生于70年代中期。
最早用于不可逆、小功率驱动,例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等。
近十多年来,由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展,同时又因出现了宽调速永磁直流电机,它们之间的结合促使PWM技术的高速发展,并使电气驱动技术推进到一个新的高度。
在国外,PWM最早是在军事工业以及空间技术中应用。
它以优越的性能,满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。
近八、九年来,进一步扩散到民用工业,特别是在机床行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。
如今,电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显,促进电机控制技术以更快的速度发展着。
随着市场的发展,客户对电机驱动控制要求越来越高,希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂,而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程,同时还要求马达恒速向变速发展,还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。
进入21世纪后,可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现,已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。
1.3要求
1.4设计目的和意义
本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。
系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。
PWM调制部分是在单片机开发平台之上,运用汇编语言编程控制。
由定时器来产生宽度可调的矩形波。
通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间,以达到调节电机速度的目的。
增加了系统的灵活性和精确性,使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。
本设计以AT89C51单片机为核心,以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向,完成了基本要求和发挥部分的要求。
在设计中,采用了PWM技术对电机进行控制,通过对占空比的计算达到精确调速的目的。
本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制(PWM)控制原理和H桥电路基本原理设计了驱动电路的总体结构,根据模型,利用PROTEUS软件对各个子电路及整体电路进行了仿真,确保设计的电路能够满足性能指标要求,并给出了仿真结果。
第2章直流调速系统概述
调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种,仅就机械与电气调速方法而言,也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。
电气调速有许多优点,如可简化机械变速机构,提高传动效率,操作简单,易于获得无极调速,便于实现远距离控制和自动控制,因此在生产机械中广泛采用电气方法调速。
由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性,尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易,但是长期以来,直流调速系统一直占据垄断地位。
所以,直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。
在我国许多工业部门,如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合,仍然广泛采用直流调速系统。
而且,直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟,从控制技术的角度来看,它又是交流调速系统的基础。
因此,我们先着重讨论直流调速系统。
2.1直流电机的工作原理
直流电动机,多年来一直用作基本的换能器。
绝大多数的直流电动机都是由电磁力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的。
图2-1为直流电机的物理模型图,其中,固定部分(定子)由磁铁(称为主磁极)和电刷组成;转动部分(转子)由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成,定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和B两根导体连成的电枢线圈,线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上,此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘,由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上,换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2,当电枢旋转时,电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通。
图2.1直流电机的物理模型图
直流电动机的工作原理如图2-2所示。
给两个电刷加上直流电源,如图2-2(a)所示,有直流电流从电刷A流入,经过线圈abcd,从电刷B流出,根据电磁力定律,载流导体ab和cd收到电磁力的作用,其方向可由左手定则判定,两段导体受到的力形成了一个转矩,使得转子逆时针转动;如果转子转到图2-2(b)所示的位置,电刷A和换向片2接触,电刷B和换向片1接触,直流电流从电刷A流入,在线圈中的流动方向是dcba,从电刷B流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定,它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
电枢一经转动,由于换向器配合电刷对电流的换向作用,直流电流交替地由线圈边ab和cd流入,使线圈边只要处于N极下,其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向,而在S极下时,总是从电刷B流出的方向,这就保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向,这样的结构,就可使电动机连续旋转。
图2.2直流电机原理图
2.2直流电机的调速方法
根据直流电机的基本原理,由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知,直流电动机的调速方法有三种:
(1)调节电枢供电电压U。
改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压,从电动机额定转速向下变速,属恒转矩调速方法。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,这种方法最好。
变化遇到的时间常数较小,能快速响应,但是需要大容量可调直流电源。
(2)改变电动机主磁通
。
改变磁通可以实现无级平滑调速,但只能减弱磁通进行调速(简称弱磁调速),从电机额定转速向上调速,属恒功率调速方法。
变化时间遇到的时间常数同
变化遇到的相比要大得多,响应速度较慢,但所需电源容量小。
(3)改变电枢回路电阻
。
在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法,设备简单,操作方便。
但是只能进行有级调速,调速平滑性差,机械特性较软;空载时几乎没什么调速作用;还会在调速电阻上消耗大量电能。
改变电阻调速缺点很多,目前很少采用,仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。
弱磁调速范围不大,往往是和调压调速配合使用,在额定转速以上作小范围的升速。
因此,自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主,必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。
调节电枢供电电压或者改变励磁磁通,都需要有专门的可控直流电源,常用的可控直流电源有以下三种:
(1)旋转变流机组。
用交流电动机和直流发电机组成机组,以获得可调的直流电压。
(2)静止可控整流器(简称V-M系统)。
用静止的可控整流器,如汞弧整流器和晶闸管整流装置,产生可调的直流电压。
(3)直流斩波器(脉宽调制变换器)。
用恒定直流电源或不可控整流电源供电,利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流,由发电机给需要调速的直流电动机供电,调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压,从而调节电动机的转速。
改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变,所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。
该系统需要旋转变流机组,至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机,还要一台励磁发电机,设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。
且技术落后,因此搁置不用。
V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。
它可以是单相、三相或更多相数,半波、全波、半控、全控等类型,可实现平滑调速。
V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性,它不允许电流反向,给系统的可逆运行造成困难。
它的另一个缺点是运行条件要求高,维护运行麻烦。
最后,当系统处于低速运行时,系统的功率因数很低,并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
图2.3 晶闸管-电动机调速系统原理框图(V-M系统)
直流斩波器又称直流调压器,是利用开关器件来实现通断控制,将直流电源电压断续加到负载上,通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值,将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源,亦称直流-直流变换器。
它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点,现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。
图2-4为直流斩波器的原理电路和输出电压波型,图中VT代表开关器件。
当开关VT接通时,电源电压U。
加到电动机上;当VT断开时,直流电源与电动机断开,电动机电枢端电压为零。
如此反复,得电枢端电压波形如图2.4(b)所示。
图2.4直流斩波器原理电路及输出电压波型
(a)原理图 (b)电压波型
采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是,在这里晶闸管不受相位控制,而是工作在开关状态。
当晶闸管被触发导通时,电源电压加到电动机上,当晶闸管关断时,直流电源与电动机断开,电动机经二极管续流,两端电压接近于零。
脉冲宽度调制(PulseWidthModulation),简称PWM。
脉冲周期不变,只改变晶闸管的导通时间,即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
与V-M系统相比,PWM调速系统有下列优点:
(1)由于PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流,电枢电流容易连续,系统的低速运行平稳,调速范围较宽,可达1:
10000左右。
由于电流波形比V-M系统好,在相同的平均电流下,电动机的损耗和发热都比较小。
(2)同样由于开关频率高,若与快速响应的电机相配合,系统可以获得很宽的频带,因此快速响应性能好,动态抗扰能力强。
(3)由于电力电子器件只工作在开关状态,主电路损耗较小,装置效率较高。
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器,简称PWM变换器。
脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现,但是驱动能力有限。
目前,受到器件容量的限制,PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统
2.3H桥电机驱动电路
采用PWM进行直流电机调速,其实就是把波形作用于电机驱动电路的使用端,因此有必要对电机驱动电路进行介绍。
图2.5H桥式电机驱动电路
上图所示为一个典型的直流电机控制电路。
电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
4个三极管组成H的4条垂直腿,而电机就是H中的横杠(上图及随后的两个图都只是示意图,而不是完整的电路图)。
电路中,H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转,必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。
图2.6H桥式驱动电机顺时针转动
如上图所示,当Q1管和Q4管导通时,电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机,然后再经Q4回到电源负极。
按图中电流箭头所示,该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
当三极管Q1和Q4导通时,电流将从左至右流过电机,从而驱动电机按特定方向转动(电机周围的箭头指示为顺时针方向)。
当三极管Q2和Q3导通时,电流将从右至左流过电机,从而驱动电机沿另一方向转动(电机周围的箭头表示为逆时针方向)。
图2.7H桥式驱动电机逆时针转动
驱动电机时,保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。
如果三极管Q1和Q2同时导通,那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。
此时,电路中除了三极管外没有其他任何负载,因此电路上的电流就可能达到最大值(该电流仅受电源性能限制),甚至烧坏三极管。
第3章方案论证和选择
本次设计选用的电动机型号Z2-32型,额定功率1.1KW,额定电压220V,额定电流6.58A,额定转速1000r/min,励磁电压220V,运转方式连续。
3.1稳压电源的选择
稳压电源的设计可以通过几种方法实现,根据具体的设计要求,通过比较论证来确定我们到底要用哪个方案。
方案一:
采用模拟的分立元件,通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路,实现稳压电源稳定输出+5V、±12V、+24V并能可调输出1.2~24电压。
如图1.1所示。
但由于模拟分立元件的分散性较大,各电阻电容之间的影响很大,因此所设计的指标不高,而且使用的器件较多,连接复杂,体积较大,供耗也大,给焊接带来了麻烦,同时焊点和线路较多,使成品的稳定性和精度也受到影响。
图1.1直流稳压电源基本组成框图
方案二:
采用FPGA作为控制器的简易数控直流电源设计方案如图1.2所示。
设计方案采用FPGA作为控制器完成数控部分、键盘、显示器接口控制。
输出部分采用D/A0832与运算放大器UA714,输出电压波形由FPGA的输出数据控制,不仅可以输出直流电平,而且只要预先生成波形的量化数据,就可以产生多种波形输出。
显示数据由FPGA提供。
利用软件和硬件结合的方法来设计稳压电源,其精度和稳定性都有所提高;但是,采用FPGA来设计的成本很高,性价比很差。
图1.2采用FPGA的简易数控直流电源设计方案
方案比较:
以上两种方案均可以达到输出稳压电源的要求。
方案一是利用纯硬件来实现其功能的,方案二是以FPGA为核心控制器件,采用软硬件结合来实现的。
方案一的成本要比方案二低很多,性价比也比方案二好很多;但是方案一的稳定性和精度都没方案二要高,而且方案二还可以用ModelsimXE5.3d软件进行仿真和调试等。
设计人员可以充分利用VHDL硬件描述语言方便的编程,提高开发效率,缩短研发周期,易于进行功能的扩展,实现方法灵活,调试方便,修改容易。
但考虑到稳压电源的实用性,虽然方案一的精度和稳定度不及用FPGA来实现的精度和稳定度高,但是用于做稳压电源已足够了.我们采用第一种方案来进行稳压电源的设计。
3.2电机调速控制模块
方案一:
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压,从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般电动机的电阻很小,但电流很大;分压不仅会降低效率,而且实现很困难。
方案二:
采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对电动机的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案三:
采用由三极管组成的H型PWM电路。
用单片机控制三极管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高;H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;电子开关的速度很快,稳定性也极佳,是一种广泛采用的PWM调速技术。
兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大,因此本设计采用方案三。
3.3PWM调速工作方式
方案一:
双极性工作制。
双极性工作制是在一个脉冲周期内,单片机两控制口各输出一个控制信号,两信号高低电平相反,两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。
方案二:
单极性工作制。
单极性工作制是单片机控制口一端置低电平,另一端输出PWM信号,两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。
由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小,其电流的最大波动也比双极性工作制的小,所以我们采用了单极性工作制。
3.4PWM调脉宽方式
调脉宽的方式有三种:
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
我们采用了定频调宽方式,因为采用这种方式,电动机在运转时比较稳定;并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
3.5PWM软件实现方式
方案一:
采用定时器做为脉宽控制的定时方式,这一方式产生的脉冲宽度极其精确,误差只在几个us。
方案二:
采用软件延时方式,这一方式在精度上不及方案一,特别是在引入中断后,将有一定的误差。
故采用方案一。
第4章系统硬件电路设计
硬件电路设计框图如下图所示,硬件电路结构初步设想由以下4部分组成:
时钟电路、复位电路、单片机、驱动电路。
驱动电路部分采用了以GTR为可控开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。
控制部分采用汇编语言编程控制,AT89C51芯片的定时器产生PWM脉冲波形,通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间,便能够实现对电机速度的控制。
根据硬件系统电路设计框图,对各部分模块的原理进行分析,编写个子模块程序,最终将其组合。
图3.1硬件系统电路设计框图
4.1稳压电源电路
电池放电时内阻稳定的增大,电压则稳定的减小,而且接上大功率的负载时电压会瞬时降低,不能用于提供固定的电压,对于各种IC芯片需要的稳定电压,需要专门的稳压器件,或者稳压电路,基本的稳压器有两种:
线性(LDO)和开关(DCDC),其中前者只能降压使用,而前者还可以升压使用而且效率很高。
控制芯片89C51的标准供电电压是5V,可以选择使用线性电压调整芯片稳压,如:
7805:
最大输出电流1.5A,内部过热保护,内部短路电流限制,典型输入电压7~20V,输出电压4.9~5.1V,静态电流典型值4.2mA,压差(输出与输入的差)至少2V。
78L05(电流较小):
最大输出电流100mA,内部过热保护,典型输入电压7~20V,输出电压4.75~5.25V,静态电流典型值3mA。
LM317(电压可调):
输出电流可达1.5A,输出电压1.2V~37V,内部过热保护等。
选用7805,一方面简单;另一方面比较常用且比较便宜。
LM78系列是美国国家半导体公司的固定输出三端正稳压器集成电路。
我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用,是使用极为广泛的一类串联集成稳压器。
内置过热保护电路,无需外部器件,输出晶体管安全范围保护,内置短路电流限制电路。
对于滤波电容的选择,需要注意整流管的压降。
稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成,
a.整流和滤波电路:
整流作用是将交流电压变换成脉动电压。
滤波电路一般由电容组成,其作用是脉动电压中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压。
b.稳压电路:
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