目录目录 (1)概述 (2)一设计指标 (2)二参数计算 (2)2.1预置及固有参数计算： (2)2.2选择电流调节器结构 (3)2.3计算电流环参数 (3)2.4电流环检验近似条件 (4)2.5选择转速调节器结构 (4)2.6计算转速环参数 (4)2.7转速环检验近似条件 (5)三系统仿真分析 (5)3.1MATLAB绘制双闭环系统动态结构图 (5)3.2MATLAB下仿真运行结果 (6)四系统硬件设计 (6)4.1系统总体设计方案 (6)4.2主电路设计 (7)4.2.1 主电路整体设计 (7)4.2.2整流电路及其二极管选择 (8)4.2.3主电路开关器件选择 (9)4.2.4 IGBT驱动电路的设计 (10)4.2.5电流、转速、电压检测电路的设计 (11)4.3控制电路设计 (12)4.3.1键盘及显示电路设计 (12)4.3.2通信电路设计 (14)4.3.3 模拟量给定、电流、电压、转速等反馈量与单片机的接口设计 (14)4.4软件设计 (15)4.4.1主程序框图 (15)4.4.2键盘及显示程序 (15)4.4.3转速调节数字PI子程序 (19)4.4.4电流调节数字PI子程序 (20)4.4.5数字滤波子程序 (20)4.4.6 其他程序 (21)五设计总结 (21)5.1器件清单 (21)5.2设计过程总结及收获 (21)概述如何用计算机的新方法来控制调整直流电动机的转速的问题是现在工业控制中急需应用的问题。

通常在工业上控制直流电动机转速的方法常用调压线圈来改变直流电动机线圈两端的电压来调整转速，但问题是速度调整不精确而且也不稳定，调压线圈也经常发生短路烧毁等故障现象，容易受外界因素的影响。

如果采用单片机来进行自动控制直流电动机的转速，既可以避免以上缺点，又可以减少设备费用和人力等等。

工业生产广泛使用电力拖动，电力拖动的耗电量占了工业生产耗电量的一半左右，而电力拖动又离不开调速和控制，工业上对电动机的控制方式多种多样,一些工厂和企业对电动机仍采用人工手动控制方式,由于人为的各种因素,会造成产品质量和生产效率降低,生产成本提高。

故对电机的自动控制和调速进行研究对我国的工业发展有着及其深远的意义。

为了使生产机械以最合理的速度进行工作，从而提高生产率和保证产品具有较高的质量，许多生产机械要求在不同的情况下，以不同的转速工作。

例如，车床在进行粗加工时，要求主轴速度较低而进给速度较高，以提高生产率时；要求主轴速度较高进给速度较高低，以保证对工件的粗糙度要求；再比如电梯和其它要求准确停车的生产机械，在停车前要降低速度，以提高停车的准确性。

这就要求我们采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，一满足生产的需要。

通常，我们把这种为了满足生产需要而人为改变拖动电机的转速，使电动机从一个稳定转速过渡到另一个稳定转速的过程称为调速过程，简称调速。

对于采用电动机作原动机的生产机械，实现调速的方案通常有电气调速、机械调速和机电配合调速三种。

机械调速是靠改变传动机机构的转速比来调节工作机构的转速；而电气调速是靠调节电动机的转速来调节工作机构的转速。

电气调速有许多优点，如传动机构简单、调速时不需要脱离负载、技术性能好等。

因此，电气调速获得了广泛的应用。

直流电机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。

然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。

一 设计指标直流电动机参数：20KW=N P ，1500r/m in=N n ，200V=N U ，106A=N I ，Ω=0.16a R ，Ω=0.6R ，0.02s =l T ，0.24s =m T ，10V ===ctm im nm U U U ，电枢电源采用直流脉宽调制电源供电，系统过载能力1.5，调速范围20，最高转速2000r/min ，电流超调量%5%≤i σ，转速、电流无静差，主电路电力电子器件开关频率kHz f 1≥。

二 参数计算2.1 预置及固有参数计算：1) 电枢电源采用直流脉宽调制电源，滞后时间常数为0.001s =s 10001 = 1f T s =2) 电动机电动势系数)min/.(135.0150010616.0220r V n R I U C N a N N e =⨯-=-=3) 由ACR 输出限幅值：10V=ctm U ， 则54.36106.01065.12000135.0=⨯⨯+⨯=+==ctm d e ctm do S U R I n C U U K取启动电流：159A1.5I N ==dm I4) 由ASR 输出限幅值为：10V=im U ，则电流反馈系数为：)/(06.015910A V I U dm im ===β5) 由转速最大给定值：10V=nm U ，则转速反馈系数：)min/.(005.0200010max r V n U nm ===α转速滤波时间常数onT ，根据所用测速发电机纹波情况，取onT =0.005s 。

2.2 选择电流调节器结构根据设计要求%5%≤i σ，并保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型电流调节器ss K s W i i i ACR ττ)1()(+=检查对电源电压的抗扰性能：10002.002.0==∑ss T T i l ，参照典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标，都可以接受。

2.3 计算电流环参数电流滤波时间常数oiT 。

应有(1~2)oiT =3.33ms,因此取oiT =0.001s 。

电流环小时间常数之和iT ∑。

按小时间常数近似处理，取sT T T s oi i 002.0=+=∑。

电流调节器超前时间常数：。

0.02s = T =l i τ电流环开环增益：要求%5%≤i σ时，由相关表知，应取5.0=∑i I T K ，因此)(250002.05.05.01-∑===s T K i I于是，ACR 的比例系数为37.106.054.366.002.0250=⨯⨯⨯==βτS i I i K R K K2.4 电流环检验近似条件电流环截止频率：1250-==s K W I ci1) 整流装置传递函数近似条件ciS W s T >=⨯=-13.333001.03131，满足近似条件。

2) 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件cil m W s T T <=⨯⨯=-13.4302.024.01313，满足近似条件。

3) 电流环小时间常数近似处理条件：cioi S W s T T >=⨯=-13.333001.0001.0131131，满足近似条件。

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为%5%3.4%<=i σ满足设计要求。

2.5 选择转速调节器结构按Ⅱ型系统设计转速环，ASR 选用PI 调节器，传递函数为ss K s W n n n ττ)1()(+=按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5。

2.6 计算转速环参数电流环等效时间常数I K /1。

由5.0=∑iI T K 得 ss T K i I 004.0002.0221=⨯==∑转速环小时间常数之和nT ∑。

按小时间常数近似处理，取s s s K T T Ion n 009.0004.0005.01=+=+=∑转速调节器超前时间常数：ss hT n n 045.0009.05=⨯==∑τ转速环开环增益)(5.1481009.02526212222-∑=⨯⨯=+=s T h h K n NASR 的比例系数为2.43009.06.0005.05224.0135.006.0)15(21=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯+=⨯+=∑∑n m e n T R T C h h K αβ2.7 转速环检验近似条件1) 转速环截止频率为11167.66045.05.1481--=⨯===s s K K W n N Ncn τω2) 电流环传递函数简化条件为cni I W s T K >==-∑185.117002.02503131，满足简化条件3) 转速环小时间常数近似处理条件为cnon I W s T K >==-154.74005.02503131，满足近似条件。

三 系统仿真分析3.1 MATLAB 绘制双闭环系统动态结构图图1 双闭环系统动态结构图3.2 MATLAB下仿真运行结果图2 仿真运行结果从仿真结果看，所设计系统基本满足设计要求。

四系统硬件设计4.1 系统总体设计方案图3 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图单片机可选用AT89C51、AT89S52等。

AT89C51 系列单片机是美国ATMEL 公司近年来推出的一种新型高性能低价位、低电压低功耗的8 位CMOS 微型计算机。

它的显著优点是: ①内含Flash存储器,这在系统的开发过程中,可随意进行程序修改,既便错误编程之后仍可以重新编程,故不存在废品且大大缩短了程序的开发周期;同时在系统工作过程中能有效地保存数据信息。

②采用静态时钟方式,节省电能,这对于降低便携式产品的功耗十分有利。

③由于它是以8031 核构成的,所以它与MCS251 系列单片机是兼容的,这对于熟悉MCS251 系列的广大用户来说,用AT89 系列单片机取代51 系列进行系统设计是轻而图4 AT89C51管脚图易举的。

4.2 主电路设计4.2.1 主电路整体设计主电路由整流电路，滤波电路及PWM变换器组成。

为简化控制电路，减少滤波，整流电路采用三相二极管整流电路整流，系统的调压由PWM变换器承担。

PWM变换器由两个绝缘栅极双极晶体管IGBT和两个续流二极管组成。

GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，所以其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大。

而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。

将这两类器件相互取长补短适当结合而成的复合器件，通常称为Bi-MOS器件。

绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor——IGBT或IGT）综合了GTR和的MOSFET优点，因而具有良好的特性。

因此，自其1986年开始投入市场，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，成为中小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。

图5 主电路图主电路中图中C1、C2为直流侧的滤波环节；开关K1控制交流电的接通与关；K2为接触器触点开关；R1、R2、Rb和Vb起泵升限制作用，当电机制动时，滤波电容吸收运动系统动能，使电容两端电压（给定值260V）升高，当电压检测信号超过给定信号时，单片机通过P3.5口使Vb导通，Rb的分流电路接通。