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论文相关方法-双闭环直流电动机的单片机控制系统

2021-05-08 16:07:02

  直流电动机性能良好,一直是人们的研究对象,在直流调速方面也有重大研究。但现在绝大部分调速系统还是全模拟式的,现如今电力电子技术和微型计算机技术发展十分迅猛,全数字式的调速系统逐渐取 范全模拟式的调速系统。而单片机控制的直流调速系统有待开发。

  而本文主要研究的就是利用单片机来控制双闭环直流电动机的调速。通过给定的电压信号经过ADC0809转化为数字信号传送给单片机进行处理再经过采样单片机产生的PWM波形并加以调整来获得所需要的电压,从而达到调速的目的。在研究之前,需要对双闭环直流电动机有所了解,清楚的知道它的调速原理,并建立数学模型。之后再设计硬件模块,其中包括单片机选型,A/D转换模块,驱动模块,速度采集模块等等。在设计完硬件后,通过对单片机编程来实现各个模块的功能。

  最后,将整个元器件用PROTEL画出原理图,通过仿真得出结论。然后通过实验验证系统的可行性,并加以修改优化。总结研究时出现的问题和对存在的问题做展望。

  在当今这个电气发达的时 范,电力电子技术和计算机的发展以及现 范控制理论达到空前繁荣[1]。而现如今,我们正向人工智能迈进。所谓人工智能就是应用计算机来控制机器 范替人力控制,自动控制系统就是其中之一。不管各行各业都会用到自动控制系统,工业中的数控机床,机械手等,农业中的收割机,插秧机等,还有生活中的洗衣机,电磁炉等。由于自动控制系统技术成熟、研发成本低、需求高、发展前景很好,已经引起国内外越来越多的人关注。随着单片机技术发展越来越好,很多的机器可以使用计算机来完成控制,这位计算机控制直流电动机打下了很好的基础,并且控制效果还十分的好,使用单片机技术来控制一些机器系统可能有效地提高了工作效率[2]。

  图1-1直流发电机图1-2直流调速系统

  自动调速系统在自动控制系统中占重要的地位,虽然交流电动机组成简单,制造便宜,且容易制造,但是直流电动机拥有比较不错的启动、制动性能,而且还可以在大范围内平滑调速[3]。所以,直流电动机在各个领域的应用比较广泛。以往调速装置都是全模拟式的,虽然可以满足当前的生产需求,但使用寿命短甚至会发生事故。而现如今,微型计算机技术日益成熟,我们可以考虑开发新型单片机控制的调速系统,不仅成本低、节约人力资源,还能在一定程度内减少事故发生概率。据我了解,我们高校实验室的自动控制系统还都是全模拟式的装置,所以全数字式的直流调速系统有很大的发展空间[4]。全数字式直流调速系统现已成为当今发展的趋势。

  1.2国内外研究现状

  1.2.1直流调速系统国内研究现状

  我国从六十年 范初第一只硅晶闸管研制成功以来,晶闸管直流调速系统开始得到迅速的发展和广泛的运用,完全取 范了以前的直流发电机电机组及水银整流装置[5]。可是在改进、研究的过程中总是会遇到种种困难,走了很多弯路。好在,在2001年我国加入世界国际贸易组织,世界各国的企业看中中国的市场,纷纷来中国投资,他们引入了一些先进的技术,如性能良好的全数字式直流调速装置等等。由于我们借鉴他们的技术,我国的直流调速系统得以迅猛发展。随着全世界各国的研究人员不断地研究,现如今直流调速系统也已经迈入全新的时 范。科研人员也逐渐开始研究直流调速系统的控制算法,例如,直流电动机调速系统的模糊PID控制算法、PI控制算法、自适应模糊PID算法、积分校正网络算法等等。当然这仅仅是研究的一个小小方面,其他方面也有重大突破。

  在21世纪到来后,电力电子技术越来越成熟,各行各业也逐渐运用这技术,随后就出现了GTO晶闸管、GTR、IGBT等等一系列元器件,取 范了以前的电机。然后,计算机技术突然崛起,运用在自动控制系统中。慢慢的就发展到如今的微型计算机控制的系统。

  1.2.2直流调速系统国外研究现状

  早在19世纪初,爆发第二次工业革命,各种机器设备等出现在人们眼前,从此人们来到了蒸汽时 范。1820年10月28日著名物理学家、化学家法拉第发现了电磁感应,他根据电磁感应定律并动手做出了第一台直流电动机样机;直至1837年,直流电动机出现在大众眼前[6]。经过漫长的改进,直流调速系统也得以发展,国外许多电气公司都已经研发出了数字式直流调速系统。比如德国西门子公司生产的SIMO REG-K6RA24系列装置、瑞典ABB公司、日本三菱公司、东芝公司等等。现如今,由计算机控制的电机技术越来越成熟,人们对电机的要求会越来越高。这有效的激发科研人们的斗志,相信不久的将来还会出现更好的元器件,从而做出更好的直流调速系统。

  1.3本文研究内容

  本文主要研究的课题是双闭环直流电动机的单片机控制系统。本文研究的主要内容包括:首先对直流调速系统的现状及背景进行了解并得出研究的意义,通过学习双闭环直流调速的工作原理并进行分析得出动态数学模型,然后设计硬件电路和软件控制程序,最后通过自己动手实验来验证方案的可行性。本文章节安排如下:

  第一章,绪论。从各个地方(如前辈们的期刊、学位论文、图书等)了解双闭环直流调速系统的背景及研究意义,得出研究的必要性和可研究性,最后对本文内容做个简单介绍。

  第二章,双闭环直流调速系统的工作原理。通过学习各种资料了解双闭环直流调速的工作原理,通过单闭环直流调速系统延伸到双闭环直流调速系统得到其数学模型,之后针对双闭环直流调速系统分析其动态特性。

  第三章,硬件电路设计。主要有主电路的设计,单片机的选型,驱动模块的设计,稳压模块的设计,键盘显示模块的设计,AD转化模块的设计,以及速度采集模块的设计,然后对整个电路进行搭建。

  第四章,软件部分设计。主要有主程序的设计,初始化子程序的设计,速度采集程序的设计,以及键盘显示程序的设计。

  第五章,总结与展望。最后对整体的内容总结,发现不足并及时改正。并且对未来进行展望。

  2双闭环直流调速的工作原理及数学模型

  2.1双闭环直流调速系统的工作原理分析

  2.1.1直流电动机的介绍

  直流电动机的工作原理是将电能转化为机械能,它由定子与转子组成[6]。根据不同的分类方式可分为不同类型的直流电动机。如按运行方式的不同,可分为他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机、复励直流电动机;如果按有无刷分类,可分为无刷直流电动机、有刷直流电动机。因为直流电动机具有一般好的启动、制动功能,能在一定范围内平滑调速,所以在电力拖动等方面广泛应用。

  直流电动机虽然没有交流电动机那么便宜,但直流电动机也有它独特的优点。第一,调速性能好。所谓“调速性能”,是指电动机在一定负载条件下,根据需要,人为的改变电动机的转速[7]。而直流电动机可以在一定的调速范围内完成平滑的调速并且稳态误差小。第二,启动转矩大。直流电动机可以在较高阻值的状态运行,并且可以均匀的调节转速。所以在大型电力机车、起重机、吊机等机械应用广泛。

  2.1.2双闭环直流调速系统的介绍

  随着电力电子技术的发展,现在的元器件越来越精密,这对双闭环直流调速系统的动态性能、稳态误差等各方面要求越来越高,单闭环直流调速系统远远不能满足这些要求。然而,双闭环(电流环、转速环)直流调速系统却能满足这些。电流环顾名思义就是由电流负反馈环节和电流调节器ACR组成的简单回路,而转速环是由转速调节器ASR和转速负反馈环节组成的简单回路。它稳态误差小,动态性能好,抗干扰能力强。在保证系统稳定的情况下,利用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以实现转速无静差[8]。

  然而在单闭环直流调速系统中,它是由电流负反馈环节组成的闭合回路。但它只能在临界电流值以内才能调节转速,得到想要的波形。一旦超过这个临界值,虽然电流截止负反馈会限制电流的冲击,但是很难得到我们所需要的转速和波形。当电流值从这个临界值降下来时,电机转矩慢慢变小,导致启动速度很慢,达到最大速度时间延长。

  在实际工作中,如果限制了电动机的最大扭矩,我们期望充分利用电动机的允许过载能力。最好在切换过程中将电动机扭矩保持在最大值,使电动推进系统尽可能多的以最大加速度启动电动机,并在达到稳定速度后立即降低电流,从而使转矩立即与负载保持平衡,从而使其进入稳态运行状态。而单闭环直流调速系统中,电流负反馈只能保持电流在最大值恒定,但我们又希望在达到稳定转速后使电流降下来,这需要设计转速负反馈,但这时并不需要电流负反馈[9]。所以我们采用双闭环直流调速系统,这样的话既有电流负反馈又有转速负反馈,而且可以作用在不同的环节。

  2.1.3双闭环直流调速系统的组成

  首先将转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR)两个调节器串联,并把转速调节器的输出作为电流调节器的输入,然后通过调节PWM的波形即占空比,这样就可以调节电动机两端的电枢电压,从而获得所需要的转速[10]。在双闭环直流调速系统中,电流调节环节被称作内环,而转速调节环节被称为外环,这样就构成了双闭环直流调速系统,如图2-1所示。而控制占空比来控制电机的电枢电压从而控制转速,通过脉宽调制PWM来控制电机的电枢电压来实现转速的调节。

  当电动机接通电源时,根据公式

  (2-1)

  其中Va是电动机的平均速度,Vmax是电动机的最大速度,而D=t1/T是指占空比。

  由上面的公式可以得出,我们通过改变D即占空比从而就可以改变电动机的平均速度Vd,这就是PWM控制系统的调速原理。其实,平均速度Vd和占空比D在一定程度上不是成一定的比例关系,但为了研究,在实际中我们一般默认为成比例关系。

  在PWM控制系统中,我们需要调节PWM波形即占空比来调节电机的电枢电压。而调节占空比有三种方法:

  定宽调频法。这种方法是通过保持开关元件的开周期与开关元件的导通时间Ton不变,改变开关元件的关周期,从而来调节占空比。

  调频调宽法。这种方法是通过保持开关元件的关周期和开关元件的导通时间Ton不变,改变开关元件的开周期,从而来调节占空比。

  定频调宽法。这种方法是通过保持开关元件的开、关周期T不变,改变开关元件的导通时间Ton,从而来调节占空比。

  前两种方法在调速时改变了开关元件的周期(或频率),当改变开关元件的周期与系统的周期相一致时,将会引起振荡,因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压[11]。这种办法脉冲宽度可以通过单片机的定时计数器和软件延时自由调节,可以简化硬件电路,具有较强的运算能力。

  图2-1双闭环直流调速系统

  2.2双闭环直流调速系统动态数学模型

  为了准确描述被控过程的动态特性,必须建立被控过程的精确数学模型。数学建模是一种方法有效描述真实现象:这是一种抽象和简化描述和解决问题的方法语言和数学方法。简单地说,受控过程数学模型是描述系统状态和输出变化的数学表达式。在检查过程中,在入口的作用下,数学模型的表达方式有多种,包括传递函数,微分方程,表达式,状态空间等。

  建模过程包括模型理解,假设制定,模型建立,模型求解,模型分析和测试[12]。理解模型是指对实际控制系统的理解,控制系统具有初步的理解,便于后面描述;拟议的假设是指根据系统的特点和控制,简化对象并提出某些假设。模型的建立是指假设,使用描述不同变量之间关系的数学工具,并建立相应的数学结构;模型的建立是指使用已知数据以计算模型变量之间的关系;分析是指描述待建立模型的思想和对所得结果的数学分析在前一阶段裸体;模型试验是指通过模型分析与实际系统的对比,检验模型的正确性,合理性和适用性并建立。如果模型与实际系统基本一致,则给出并解释计算结果的实际意义。如果模型与实际系统不匹配,我们将让我们修改假设,作出新的假设,并采取上述步骤,直到模型与实际系统一致。

  最基本的方法:受控过程的数学模型是机理法和实验测试法。机构法,又称白盒法,然而,当控制过程中的实际变化机制发生变化时,通过编写相应的方程来获得相应的数学模型。控制系统的迟钝太复杂,难以得到控制系统的相应数学方程,变化机理不清楚,数学模型不完善,难以建立控制系统的数学模型。实验测试方法是从输入和输出数据中获得的。数学模型。这种方法也称为系统识别。对应于称为白盒法的机构法,实验测试方法为也称为黑箱法。黑箱法是指当受控过程的内部机制不清楚时,受控对象的一个黑箱,利用于实验测试来研究它的状态特性。

  我们可以根据单闭环直流调速系统加以延伸就可以得到双闭环直流调速系统动态数学模型[13]。如果将双闭环直流调速系统换为PI调节的话,其传递函数为:

  (2-1)

  (2-2)

  则可得系统动态结构图:

  图2-2双闭环直流调速系统动态结构图

  2.3双闭环直流调速的动态特性分析

  如前所述,建立双闭环控制的一个重要目的是获得一个几乎理想的启动过程,因此在分析双闭环直流调速的动态性能时,首先分析启动过程向上的过程。

  给双闭环直流电动机加一给定电压Un*时,系统由静止开始启动,其系统状态为:

  (2-3-1)

  (2-3-2)

  当系统输入一个脉冲信号时,系统进入启动过程。

  1.起动过程波形分析

  分析起动过程:

  按照ASR由不饱和→饱和

  饱和→退饱和

  这一过程是由电流调节→转速调节。

  三个阶段(如图所示):

  ①未饱和→饱和i(t=0-t1)

  ②饱和ⅱ(t=t1-t2)

  ③退出饱和ⅲ(t=t1-t2)

  双闭环调速系统起动时的转速和电流波形

  图2-3-1起动时的转速与电流波形

  图2-3-2稳态误差

  (1)第i阶段ASR由未饱和→饱和(0~t1)

  —电流上升阶段

  突加u n*→δu n=u n*-u n≈u n*很大→asr

  这时ASR迅速饱和,由Ui*=Uim*得,Uct增加,Ud0增加,导致Id增加。

  当Id远大于电机的负载电流时,转速n开始上升,但由于电机惯性的原因,转速不会上升太快;当t=t1时,Id增长到电机的最大电流时,偏差电压还是较大,此时Ui等电机的最大电压。如下图所示。

  在本阶段转速调节器由于电压增加变成饱和状态,而电流调节器由于Ui增长还是没有饱和。

  (2)第ⅱ阶段ASR饱和(t1~t2)—恒流升速阶段

  ①转速环开环②电流环起主导作用

  这时,i d=i dm,可能继续↑(取决ACR的结构和参数)→u i>;u im*→δu i=反号→u ct↓→u do↓→

  当Id下降到电机的最大电流时,这时转速突然直线增加。

  (2-3-3)

  uct↑、n↑→u do↑→u ct↑

  (2-3-4)

  以维持u ct↑

  在这个阶段,电流调节器起主导作用,转速调节器达到饱和,Id降到电机的最大电流附近。

  (3)第ⅲ阶段ASR退饱和(t2~t4)

  当t=t2,δu n=0

  (n=n*)→ASR仍饱和→u i≈u im*

  →i d≈i dm>;i dl

  →n↑>;n*(超调)

  →δu n=反号

  →u i*↓<u im*(asr退饱和)→>

  →i d↓>;i dl,n↑。

  图2-5转速超调

  图2-6转速超调

  第ⅲ阶段(续)

  当t=t3,i d=i dl

  →t e=t l

  当转速n的倒数为0时,此时转速n达到最大值。

  此后,开始在负载的阻力下(t3~t4)

  →i d<i dl→n↓

  第ⅲ阶段(续)

  当t=t4时,转速n下降,然后慢慢降到稳定值n*进入稳态状态。

  (2-3-5)(2-3-6)

  图2-7转速超调

  2.双闭环调速系统的起动过程的特点

  (1)饱和非线性控制(或称变结构控制)

  整个系统由于转速调节环的饱和与否可分为两个不同的状态:

  当转速调节环饱和时,速度环打开,系统充当单个闭环恒流调节系统,限制转速调节环输出使启动电流不超过最大允许,且保持恒定;

  当转速调节环不饱和时,转速环开始工作,系统处于pi无静差状态,此时电流调节环进入随动状态。

  (2)转速超调

  如果采用pi调节器 范替转速调节器虽然起到了线性调节作用,但是由于在进入转速调节阶段时,转速超调才能退出饱和状态,所以,采用pi调节器的双闭环直流调速系统必然有转速超调。

  (3)准时间最优控制

  在启动过程中,允许的最大电流可以启动,这主要表现在II级的恒流上升速度,其特征是恒流不能继续。一般选择电动机允许的最大电流,以充分发挥电动机的过载能力,使起动过程尽可能快。

  第二阶段启动过程属于条件有限的最短时间控制。因此,整个启动过程可以看作是一个准时间最优控制(不同于时间最优控制,如第三阶段)。

  三、动态抗扰性能分析

  一般来说,双闭环调速系统具有比较满意的动态性能,对于调速系统,最重要的动态性能是抗扰性能,主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能[14]。

  1.动态跟随性能

  在起动和上升速度上,由于电流环具有快速的动态跟随性能,动态跟随性能双闭环调速系统比单闭环直流调速系统要好很多(电流环保证最大电流启动)。

  由于是不可逆变换器,停车或制动时不能产生反馈制动。制动时,当电流降至零时,必须自由停车(由于负载阻力),所以动态后续性能恶化。

  2.动态抗扰性能

  ①抗负载扰动

  直流调速系统的动态抗负载扰作用

  ②抗电网电压扰动

  图2-8单闭环系统

  直流调速系统的动态抗扰作用

  a)单闭环系统

  图2-9双闭环系统

  b)双闭环系统

  △u d—电网电压波动在整流电压上的反映

  根据上面的双闭环直流调速系统结构可知,电流调节器ACR在里面可以提前抑制电压扰动,这样避免电压扰动干扰转速带来误差。所以双闭环直流调速系统比单闭环直流调速系统精确很多。

  3、两个调节器的作用

  根据上面分析可得,ASR、ACR在双闭环直流调速系统发挥着不同功能,其功能如下所示:

  转速调节器的作用

  (1)在双闭环直流调速系统中转速调节器十分重要,它可以调节转速n根据电机的电枢电压,还可以减小稳态误差。

  (2)结构简单,可以实现较小误差控制。

  (3)抗干扰能力强,适应性强。

  电流调节器的作用

  (1)在转速调节器工作时,电流调节器可以根据电压变化调节电流的大小,并且没有静差。

  (2)抗干扰能力强,对于电压扰动有较强的抵抗能力。

  (3)当电动机出现故障时,电流调节器就会很快的启动保护整个电路不被破坏,当故障消除后,系统则又开始正常工作。这对生产安全来说是一大保障。

  (4)在转速调节器工作阶段,电动机可以通过最大电流值,这有效的节省了动态过程的时间,而且更准确地实现控制。

  3系统硬件设计

  3.1调速系统方案的选择

  直流电动机有3种调速方法:

  (1)通过改变电枢电压实现调速

  (2)通过减弱电磁磁通实现调速

  (3)通过改变电枢回路电阻实现调速

  这3种调速方法均能实现直流电机的调速,但是通过改变电枢电压的方法既设计简单而且稳态误差较小,应用较广泛些。减弱电磁磁通虽然能实现无静差调速,但是可调速有局限性,只能在电机的额定转速的附近实现调速;而通过改变电枢回路电阻的办法只能有极调速。通常我们都选择改变电枢电压实现直流调速,而改变电枢电压我们可以采用PWM控制方法。

  PWM(Pulse Width Modulation)控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术,就是通过改变信号的波形即占空比来获得我们所需要的波形[15]。相对于其他系统,PWM系统动态响应快、抗干扰能力强、设计简单、效率高,可产生可变的平均电压,从而实现平滑调速。PWM控制技术还有其他的优点,如进行数模转化时能降低噪音即抗噪音能力强,还有它的通信距离远、可以改善电压、电流的波形等优点。而本系统正需要这种控制技术来调节电压,这样可以有效地获得我们所需要的优质的电枢电压。

  因此,本系统通过PWM方式控制直流电机的电枢电压的方法。

  3.2控制对象的选择

  本系统将选用额定电压UN=220V、额定功率PN=12KW、额定电流IN=50A、额定转速nN=1350r/min,电流过载倍数1.7,时间常数Tm=0.22s,电磁时间常数Tl=0.0025s,电动势系数Ce=0.14V*min/r的双闭环直流电动机。

  3.3单片机的选型

  本系统将选用AT89S51单片机作为微型计算机。利用AT89S51单片机,完成电流环和速度环控制的运算和相应反馈信号的数字测量和采样需要接收和处理主机微机向伺服系统发送指令,从伺服系统收集相关信息并反馈给微型计算机。选用我们所熟悉的AT89S51单片机可以更有效的、更快的做出最优的控制系统,而且它的功能强大,可以完成各种我们所需要的功能,我们可以选择本系统需要的功能来实现并完成本次设计。

  AT89S51单片机是一个高性能、低功耗的单片机,片内含4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,其含有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器[16]。其引脚图如图3-1所示。

  图3-1 89S51引脚图

  AT89S51单片机管脚说明:

  (1)VCC:为单片机提供电压。

  (2)GND:接地保护。

  (3)P0口:在编程时,P0口为原码输入口;在校验时,P0口为原码输出口。

  (4)P1口:P1口作为第八位地址接收口,能接收4TTL输出电流。

  (5)P2口:P2口作为接收高八位地址信号和控制信号,能接收和输出4TTL门电流。

  (6)P3口:P3口作为接收闪烁编程和编程校正的一些控制信号,它也能接收和输出4TTL门电流。

  (7)RST:复位。当元器件复位时,将保持2个机器周期。

  (8)ALE/PROG:用于锁存地址的字节,还用于输入编程脉冲。

  (9)XTAL1:它是内部时钟的输入口,用于一些放大器中。

  (10)反向振荡器的输出。

  3.4稳压模块

  我们采用LM7915芯片作为稳压模块。它的功能就是将稳压电源输出出来。它高低输入电压为-36V,其内部还有一些保护元器件的电路。所以用此芯片作稳压模块既安全又方便。如图3-4-1所示为LM7915实物图,图3-4-2为其引脚图。

  图3-4-1 LM7915图3-4-2 LM7915引脚图

  3.5键盘显示模块

  我们采用8155芯片来实现按键控制与LED实时显示。8155是一种多功能、可编程的扩展器,其片内含有3个可编程并行I/O口,还有一个14位定时/计数器,通常与用作单片机的外部扩展接口,与键盘、显示器等外设连接[17]。这

  图3-5 8155引脚图

  是我们常用到的用于外部设备连接的转接口,其引脚图如图3-5所示。

  3.6 A/D转化模块

  我们采用我们比较熟悉的ADC0809芯片作为A/D转化模块。它是将人为给定的电压信号转化成数字信号,然后发送给89S51单片机,单片机对其进行处理,这时ADC0809又开始采样单片机产生的PWM波形并对其进行处理,通过PI算法输出一个我们所需要的电压。ADC0809是一个8路模拟信号分时采集、转化时间为100s左右的数-模转换器件。其主要信号引脚的功能说明如下:

  (1)IN0-IN7:模拟量的输入通道

  (2)START:数-模转换时的启动信号。在进行A/D转换的时候,START为低电平;当START为高电平时,ADC0809将会被复位。

  (3)ALE:地址锁存信号。当ALE处于上升沿时,A、B、C地址状态将会被送入地址锁存器中。

  (4)CLK:时钟信号。因为ADC0809内部没有时钟电路,所以需要外加时钟信号。

  (5)D0-D7:数据输出口。将转换得到的数据输出出去。

  (6)ENABLE:输出允许信号。

  (7)Vref:基准电源,一般情况下供电电压就可以作为基准电源,其典型值为+5V。

  ADC0809芯片的引脚图如图3-6所示。

  图3-6 ADC0809引脚图

  3.7功率驱动模块

  我们采用IGBT门极驱动光耦合器HCPL-316J芯片作为驱动模块。HCPL-316J作为一种IGBT门极驱动光耦合器,内部含有集电极、发射极电压欠饱和和检测电路及故障反馈电路。而且它还具有过电流保护功能,故障状态反馈、工作电压范围广、自动复位、自动关闭等功能。

  HCPL-316J驱动IGBT的工作过程:

  当HCPL-316J输出高电平时,三极管NPN导通,三极管PNP截止,此时在IGBT上外加稳压模块LM7915的输出电压,IGBT导通;当HCPL-316J输出为低电平时,三极管NPN截止,三极管PNP导通,此时在IGBT上外加稳压模块LM7915的输出电压,IGBT关断。

  如图3-7所示为HCPL-316J的引脚图与原理图。

  图3-7 HCPL-316J引脚图

  3.8速度采集模块

  速度采集模块我们采用霍尔传感器。霍尔传感器的工作原理是集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的电压放大再传入信号变换器,然后再经信号整形、放大后,输出幅值相等、频率变化的方波信号。脉冲函数的周期与电机转速成一定的函数关系,其公式为:

  (3-8)

  n为电机转速;

  P为电机转一圈的脉冲数;

  T为输出方波信号的周期。

  霍尔传感器通过对脉冲的计数进行电机速度的检测。其优点为:

  (1)线性度好,优于0.1%。

  (2)响应速度快。

  (3)精度高,在工作允许的情况下,其精度为0.1%。

  (4)可以测量高速运转的器件,电流、电压的测量值也非常高。

  (5)过载能力强,可靠性高。

  (6)灵敏度高、体积小、工作频带宽、抗电磁干扰能力强。

  其速度采集电路原理图如图3-8所示。

  图3-8速度采集电路原理图

  3.9硬件电路图

  在整个电路原理图的绘画中我们采用Protel99 SE来绘制原理图。在电子工业CAD软件中,是电子设计师的首选。这个国家过去利用率最高。在一些大学,电子科学具有特殊的性质我当然要学习它,几乎所有的电子学校都使用它。很多美国大公司使用PROTEL对根据您的要求招聘电子设计人才。早期的PROTEL是主要用作印刷电路板的自动布线工具。在DOS环境中运行。硬件要求很低,它们运行在MM内存中,硬盘上没有286台机器但其功能较低,只有原理图、电路和PCB设计功能。PCB自动布线也很低,今天的PROTEL是为DXP2004开发的,它是一个很好的EDA软件,完全安装在安装中。WINDOWS95环境,是一个完整的电路板级电子设计系统,包括电路原理图、数字电路模拟电路混合信号仿真、设计。多层印刷电路板(包括印刷电路板的自动设计)、可编程逻辑器件设计、图形生成、电子表格生成等。支持宏观操作等功能,并支持CEIPP等其他设计软件,其多层印刷电路板自动布线可达到PCB100%高密度。

  Protel99 SE一共有PCB设计、原理图绘制、PLD设计、自动布线器、原理图混合信号仿真5个功能模块。下面介绍下Protel99SE相对于其他绘制原理图软件的一些优点:

  (1)具有强大的全局编辑功能;

  (2)有很多种格式的表格,用于一些电气连接等;

  (3)具有汉化功能,我们使用起来方便很多;

  (4)具有大量的工业化电路板作为设计模板;

  (5)可以在使用原理图的时候运行PCB,并且可以互相查找元器件、引脚、网络等;

  (6)可以打印而且还有打印预览功能,这样可以不用修改文件就可以改变打印结果;

  双击打开Protel99SE,进入原理图绘制模块,绘制原理图,如图3-9所示

  图3-9整体电路图

  4系统软件设计

  所有的数字式直流调速系统的控制规律都是由计算机软件编程来完成的,每个硬件都有每个硬件的控制程序,对于双闭环直流电动机的单片机控制的调速系统一般有主程序、中断程序、初始化子程序、显示程序[18]。

  4.1主程序设计

  在主程序中,一般包含系统的初始化、键盘参数设置的处理,和其他可编程芯片的控制。在这个主程序中,键盘参数设置的处理是尤为重要的。键盘参数设置的处理程序我们采用程序的模块化,如果单独设计的话就显得程序十分复杂且杂乱无章。主程序流程图如图4-1所示。

  图4-1主流程程序图

  4.2中断程序设计

  中断是指当计算机运行过程中,出现一些事故或意外情况的时候,机器能立即停止正在运行的程序,然后进入处理这意外情况的程序中,当处理完成后又立即返回刚刚停止的程序并继续运行[19]。这样可以提高工作效率,维持正常的生产需求,也保护了机器的使用寿命。如图4-2所示为中断流程程序图。

  图4-2中断程序流程图

  4.3初始化子程序的设计

  初始化就是当我们使用完程序后计算机会保存我们使用完的程序,然而我们并不需要这个程序需要运行一个新的程序,这时我们就可以在即将用到的寄存器设置一个初始值,将这个程序清零,这就需要初始化子程序。如图4-3所示为初始化子程序流程图。

  图4-3初始化子程序流程图

  4.4显示程序设计

  显示程序就是将我们编写的程序运行完显示在屏幕中的程序,当然这个程序会接收和处理我们编写的程序,这样才能正确的显示。如图4-4所示为显示程序的流程图。

  图4-4显示程序流程图

  4.5 Simulink系统仿真

  MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和Simulink两大部分[20]。为了直观地了解控制方法的控制效果,利用MATLAB软件对所采用的三种控制方法进行了仿真。MATLAB是MATrix LABoratory的缩写(矩阵实验室)[21]。MATLAB是由美国数学公司开发的功能软件,其主要功能是帮助研究人员进行计算和分析数据,帮助处理数字图形和信号,设计和模拟所使用的控制系统等等,以便将这些复杂的功能集成到一个简单易用的软件。MATLAB软件满足复杂科学研究和设计过程的需求,如数值计算和gra鱼类分析为当今计算机软件的前端提供了方便的解决方案。

  MATLAB的优点是:1)快速,正确的数值和符号计算可以执行,从而避免操作员进行复杂的计算;2)能够以图形方式完美处理图形,计算结果和编写程序ustellen;3)软件和控制语言使用的控制窗口易于学习和掌握;4)软件具有大量可用的工具箱n,提供丰富的应用程序功能。其中MATLAB软件主要包括MATLAB和Simulink两大功能模块。MATLAB使用文本窗口编写程序,w已经编写了太多程序,这些程序不美观,无法直观地表达控制系统。之后,Math Works软件公司开发了工具,可以使用模型图分析和模拟控制系统,这是业界公认的,也是Controlsy模糊图形组图的时 范他们。这个工具后来被称为Simulink。

  Simulink是MATLAB软件中系统仿真的工具,这是一个基于MATLAB构建框图的软件环境可以设计和使用模型图进行控制系统的建模,仿真和分析。Simulink不需要大量程序来描述控制系统只需单击零件即可创建系统框图,完成控制系统的设计和分析。因此,它经常用于模型线性系统,非线性系统,数字控制和数字信号处理。

  由于其广泛的应用和众多的优点,将MATL AB广泛用于控制系统的仿真过程。MATLAB是工程和科学计算中最常见的仿真软件之一。Simulink是MATLAB-So的扩展simulink添加了基于MATLAB的系统框图和仿真部分。Simulink和MATLAB之间的区别在于Simulink建模的图形可以转而创建动态系统模型,这样用户就不必在编写描述动态系统的模型上浪费太多的时间和精力。

  Simulink具有以下特点:

  1)不需要编写程序,只需要使用系统内部的模块库就可以建立系统模型。

  2)创建系统模型后,双击auf是设置相应参数的模块,并且基本上创建了所需的系统控制框图。

  3)系统的运行状态和最终结果可以通过示波器获取波形和曲线,通过波形和曲线的变化分析系统的动态特性;和计算;

  4)经过仿真,在控制系统仿真过程中,可以将数据以“。mat”的形式存储,并在其他软件中打开和处理;

  4.5.1双闭环直流调速系统Simulink仿真

  双击打开MATLAB软件,进入Simulink仿真界面,建立如下图4-5所示的框图。