基于测速发电机的双闭环运动控制系统

基于测速发电机的双闭环运动控制系统

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目录

摘要 ........................................................................................................................................... 3 一、实验原理 ........................................................................................................................... 3 1.1 测速发电机测速原理 .................................................................................................... 3 1.2 双闭环控制系统组成 .................................................................................................... 4 二、控制系统实现 ................................................................................................................... 5 2.1 电流调节器设计 ............................................................................................................ 6 2.2 转速调节器设计 .......................................................................................................... 10 三、控制系统硬件及电路设计 ............................................................................................. 14 3.1 电动机主电路的设计 .................................................................................................. 15 3.2 ACR模拟电流调节器（PID）具体设计 ...................................................................... 15 3.3 ASR数字调节器（PID）的具体设计 .......................................................................... 16 3.4 单片机及其接口电路的设计 ...................................................................................... 17 3.5 AD/DA设计： ............................................................................................................... 22 3.6 电源电路的设计： ...................................................................................................... 23 四、控制系统误差分析 ......................................................................................................... 25 4.1 电刷位置的影响 .......................................................................................................... 25 4.2 温度的影响 .................................................................................................................. 25 五、运动控制的程序编写 ..................................................................................................... 28 六、仿真分析 ......................................................................................................................... 33 6.1 电路建模 ...................................................................................................................... 33 6.2 电流调节器的设计 ...................................................................................................... 35 6.2 速度调节器的设计 ...................................................................................................... 36 6.3 仿真实验和结果分析 .................................................................................................. 36 参考文献 ................................................................................................................................. 39 附录 系统电路图 ................................................................................................................... 41

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摘要

本文基于测速发电机，利用转速和电流两种负反馈作用，设计了双闭环控制系统，在系统中要设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间串连。以单片机为微控制器，进行控制程序的编写，编写出PID控制C51程序。本文从以下三个方面对基于测速发电机的双闭环控制系统进行可设计。1、论述直流双闭环调速系统的工作原理和建立双闭环调速系统的数学模型。建立模型之后，进行工程实现。2、设计出系统的硬件模型和电路。3分析系统的性能指标，进行运动控制程序的编写。

关键词：测速发电机 双闭环控制系统 PID控制

一、实验原理

1.1 测速发电机测速原理

输出电动势与转速成比例的微特电机称为测速发电机。测速发电机的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势E和转速n成线性关系，即E?nK, K是常数。改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。在被测机构与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，就能获得被测机构的转速，故又称速度传感器。

为保证电机性能可靠，测速发电机的输出电动势具有斜率高、特性成线性、无信号区小或剩余电压小、正转和反转时输出电压不对称度小、对温度敏感低等特点。此外，直流测速发电机要求在一定转速下输出电压交流分量小，无线电干扰小；交流测速发电机要求在工作转速变化范围内输出电压相位变化小。测速发电机广泛用于各种速度或位置控制系统。在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度；在解算装置中可作为微分、积分元件，也可作为加速或延迟信号用或用来测量各种运动机械在摆动或转动以及直线运动时的速度。测速发电机分为直流和交流两种。

直流测速发电机有永磁式和电磁式两种。其结构与直流发电机相近。永磁式

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采用高性能永久磁钢励磁，受温度变化的影响较小,输出变化小，斜率高,线性误差小。这种电机在80年代因新型永磁材料的出现而发展较快。电磁式采用他励式，不仅复杂且因励磁受电源、环境等因素的影响，输出电压变化较大，用得不多。

用永磁材料制成的直流测速发电机还分有限转角测速发电机和直线测速发电机。它们分别用于测量旋转或直线运动速度，其性能要求与直流测速发电机相近，但结构有些差别。本文以直流测速发电机为研究对象

交流测速发电机。

有空心杯转子异步测速发电机、笼式转子异步测速发电机和同步测速发电机3种。

空心杯转子异步测速发电机：结构原理如图所示，主要由内定子、外定子及在它们之间的气隙中转动的杯形转子所组成。励磁绕组、输出绕组嵌在定子上,彼此在空间相差90°电角度。杯形转子是由非磁性材料制成。当转子不转时，励磁后由杯形转子电流产生的磁场与输出绕组轴线垂直，输出绕组不感应电动势；当转子转动时，由杯形转子产生的磁场与输出绕组轴线重合，在输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速，而频率和励磁电压频率相同，与转速无关。反转时输出电压相位也相反。杯形转子是传递信号的关键，其质量好坏对性能起很大作用。由于它的技术性能比其他类型交流测速发电机优越，结构不很复杂，同时噪声低，无干扰且体积小，是目前应用最为广泛的一种交流测速发电机。

笼式转子异步测速发电机：与交流伺服电动机相似，因输出的线性度较差，仅用于要求不高的场合。 同步测速发电机

同步测速发电机：以永久磁铁作为转子的交流发电机。由于输出电压和频率随转速同时变化，又不能判别旋转方向,使用不便，在自动控制系统中用得很少,主要供转速的直接测量用。

1.2 双闭环控制系统组成

调速是指在某一具体负载情况下，通过改变电动据或电源参数的方法，使机械特性曲线得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。

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采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就应该能得到近似的恒流过程。问题是希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输人端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢?双闭环调速系统正是用来解决这个问题的。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接。

这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器

本文是根据工程设计方法来对控制系统结构及参数进行设计。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速系统中的一个环节，再设计转速调节器。

二、控制系统实现

根据工程设计方法的基本思路我们知道首先应该选择电流调节器的结构。因

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为电流环作为内环，从稳态要求上看，要求电流无静差，以得到理想的堵转特性，从动态上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用下时有太大的超调，以保证电流在动态过程不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。因而电流环应以跟随性能为主。所以本文采用典型Ⅰ型系统。对于转速环，由于转速环作为外环，主要要求系统抗干扰性能好和转速无静差，所以将转速环设计成典型Ⅱ系统。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图所示：

Ui?(s)??Un(s)E(s)?IdL(s)1?Tons?1?ASR1?Tois?1?ACRUc(s)KsUd0(s)Tss?1?1/RId(s)Tls?1?RTms1Cen(s)电流环?Tois?1?Tons?1图2-1 双闭环调速系统的动态结构框图

上图 2-1是双闭环调速系统的实际动态结构框图。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需要加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使得二者在时间上恰好的配合。

由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时

间常数用Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数Ton的给定滤波环节。

2.1 电流调节器设计

（1）电流环结构框图的化简

在图 2-1点划线框的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将

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给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数Tl远小于机电时间常数Tm，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即?E?0，这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，得到的电流环的近似结构框图如图 2-2。

Ui?(s)1Tois?1??ACRUc(s)KsTss?1Ud0(s)1/RTls?1Id(s)?Tois?1图2-2 忽略反电动势的动态影响

如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成Ui?(s)/?，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图2-3。

Ui?(s)????Tois?1ACRUc(s)Ks/R(Tss?1)(Tls?1)Id(s)图2-3 等效成单位负反馈系统

由于Ts和Toi比Tl小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为： T?i?Ts?Toi 则电流环结构框图最终简化成下图2-4。

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Ui?(s)??ACR?Ks/R(Tls?1)(T?is?1)Id(s)?

图2-4 小惯性环节近似处理

（2）电流调节器结构的选择

图2-4表明，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型Ⅰ型系统，显然应

采用PI型的调节器，其传递函数可以写成

WACR(s)?Ki(?is?1) ?is式中 Ki--------电流调节器的比例系数 ?i --------电流调节器的超前时间常数

为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 ?i?Tl

KiKs? ?iR则电流环的动态结构框图便成为图2-5 所以的典型形式，其中 KI?Ui?(s)???KIId(s)s(T?is?1)

图2-5 校正成典型Ⅰ型系统电流环动态结构框图

下图5-6绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性.

L/dB?20dB/decO1T?i?ci?40dB/dec?/s?1

图5-6 校正成典型Ⅰ型系统电流环开环对数幅频特性

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校验

1111??ci ，??ci ，3??ci是否满足条件 TsToi3Ts3TsToi⑶ 电流调节器的参数计算

由式WACR(s)?Ki(?is?1)可以看出，电流调节器的参数是Ki 和?i，其中?i已?is选定，待定的只有比例系数Ki，它可根据所需的动态性能指标选取。 计算电流环开环增益： KI??c i计算电流调节器的比例系数：Ki?TlR

2Ks?T?iTlR可以做相应

2Ks?T?i如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式KI??ci 和Ki?的改变，然后再次校验抗扰性能的指标是否满足。 （4）计算调节器电阻和电容

按含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图2-7，图中Ui?为电流给定电压，??Id为电流反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压Uc。

RiCiUi?R02R02A-Uc+CoiR02R02+Rbal??IdCoi图2-7 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器

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2.2 转速调节器设计

⑴ 电流环的等效闭环传递函数

电流环经化简后可视作转速环中的一个环节，为此需要求出它的闭环传递函数Wcli(s)，由图2-5可知：

KII(s)1s(T?is?1)Wcli(s)??d??

KT1Ui(s)/?1?I?i2s?s?1s(T?is?1)KIKI忽略高此项，Wcli(s)可降阶近似为：

Wcli(s)?11s?1KI

接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui?(s)，因此电流环在转速环中应等效为：

1Id(s)Wcli(s)???

1Ui?(s)?s?1KI这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数1KI的一阶惯性环节。

⑵ 转速环结构的化简和转速调节器结构的选择

用电流环的等效环节代替图2-1中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构

框图如图2-8所示。

?IdL(s)?Un(s)1Tons?1??ASRUi?(s)1?1s?1KIId(s)?RCeTmsn(s)?Tons?1图2-8 用等效环节代替电流环

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和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信

?号改成Un(s)/?，再把时间常数1/KI和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成

一个时间常数为T?n的惯性环节，其中T?n?成图2-9。

*Un(s)1?Ton，则转速环结构框图可化简KI?IdL(s)???ASR?/?T?ns?1Id(s)?RCeTmsn(s)图2-9 等效成单位负反馈和小惯性的近似处理

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包

含在转速调节器中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调量较大，那么线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。

由此可见ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：

WASR(s)?Kn(?ns?1)

?ns式中 Kn--------转速调节器的比例系数 ?n--------转速调节器的超前时间常数

?Un(s)???KN(?ns?1)s2(T?ns?1)n(s)

图2-10 校正后成为典型Ⅱ系统

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这样，调速系统的开环传递函数为：

Wn(s)?Kn(?ns?1)?R/?Kn?R(?ns?1) ??nsCeTms(T?ns?1)?n?CeTms2(T?ns?1)令转速环开环增益KN为：

KN?Kn?R

?n?CeTm则 Wn(s)?

KN(?ns?1)

s2(T?ns?1)至于中频宽为多少，要看动态性能的要求决定。

⑶ 转速调节器的参数的计算

转速环开环增益为： KN?h?1 2h2T?2nASR的比例系数为： Kn?⑷校验

(h?1?)CeTm

2h?RT?n转速环的截止频率为： ?cn?⑸ 计算调节器电阻和电容

KN?1?K?N n

RnCn?UnR02R02A-Ui?+ConR02R02+Rbal??nCon 图2-11 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器

根据图2-11，计算Rn? KnR0 Cn?12

?nRn Con? 4Ton 是否满足要求 R0最后对转速退饱和超调量进行校核。

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三、控制系统硬件及电路设计

以电动机运行主电路为基础，通过控制PWM的占空比实现电动机正转、翻转、速度的控制。双闭环包括电流环和转速环，通过不断的检测电流和转速，然后进行与给定值比较，实现对电动机的控制。系统的硬件结构图如下图所示。

图3-1 系统硬件结构图

测速发电机 电流检测 速度控制 电流控制 PWM驱动 电机

单片机作为系统的控制核心，主要是对采集AD反馈过来的信息，还有就是码盘输入的信息以及按键的信息。然后，做出相应的应答。本设计主要是对89C52单片机的设计、双闭环的设计、电动机主电路的设计。

图3-2 单片机选用

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设计的主要内容有电动机运行主电路、双闭环控制器、89C52单片机最小系统及PWM产生电路、8279键盘及其显示电路、测速及其报警电路、AD/DA转换电路。

3.1 电动机主电路的设计

图3-3 电动机运行主电路

此电路为三相桥式不可控整流电路，输入为三相交流AC1，AC2,AC3。通过桥式整流，转化为直流电，电路中的平波电抗器和电容主要起滤波作用以及电机在最低负载（Id=Idim）下也能工作在连续段机械特性上。G1、G2、G3、G4为IGBT开关器件，通过对其的控制，实现对电动机的调速控制，而本设计中主要是用PWM实现对其的控制。其中，D7~D10四个二极管为续流二极管，其作用为防止负载电流突变，起到平滑电流以及续流的作用。

设计中选的IGBT管的型号是SGH80N60UFD,它的参数如下： 管子类型：NMOS场效应管

极限电压Vm：600V；极限电流Im：80 A；耗散功率P：195 W ；额定电压U：220V；额定电流I：45A

3.2 ACR模拟电流调节器（PID）具体设计

模拟调节器的控制规律：

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1de(t)u(t)?Kp[e(t)??e(t)dt?Td]

T0dtu(t)为调节器输出，e(t)为调节器误差输入，Kp为调节器比例增。本设计只用

tPI调节器就能满足要求。

电流调节器设计电路图如下：

图3-4 电流环调节器

3.3 ASR数字调节器（PID）的具体设计

PI调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。 PI调节器时域表达式：

1u(t)?Kpie(t)??e(t)dt?KPe(t)?KI?e(t)dt?

其中Kp?Kpi为比例系数 ，KI?1?将上式离散化成差分方程，其第 k 拍输出为：

k为积分系数

u(k)?KPe(k)?KITsam?e(i)?KPe(k)?uI(k)i?1?KPe(k)?KITsame(k)?uI(k?1)式中Tsam为采样周期

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（*）

数字PI调节器有位置式和增量式两种算法：

位置式算法——即为差分方程，算法特点是：比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的累积。位置式PI调节器的结构清晰，P和I两部分作用分明，参数调整简单明了，但需要存储的数据较多。

增量式PI调节器算法：

?u(k)?u(k)?u(k?1)?KP?e(k)?e(k?1)??KITsame(k)

PI调节器的输出可由下式求得：

u(k)?u(k?1)??u(k)

只要在计算机中多保存上一拍的输出值就可以了。

与模拟调节器相似，在数字控制算法中，需要对 u 限幅，这里，只须在程序内设置限幅值Um，当 u(k) >Um 时，便以限幅值 Um作为输出。不考虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全等同，考虑限幅则两者略有差异。增量式PI调节器算法只需输出限幅，而位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。

3.4 单片机及其接口电路的设计

（1）89C52简介 ：

本设计使用89C52单片机作为控制芯片，其功能丰富，且使用简单，具体功能如下：

· 兼容MCS51指令系统

· 8k可反复擦写(>1000次）Flash ROM · 32个双向I/O口

· 256x8bit内部RAM

· 3个16位可编程定时/计数器中断

· 时钟频率0-24MHz · 2个串行中断

· 可编程UART串行通道 · 2个外部中断源

· 共6个中断源 · 2个读写中断口线

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· 3级加密位

（2）8279键盘及其显示电路：

· 低功耗空闲和掉电模式

· 软件设置睡眠和唤醒功能

CLK：8279的系统时钟，100KHz为最佳选择。

图3-5 8279键盘及其显示电路

显示，编码扫描键盘——双键锁定，程序时钟编码1。

DB0～DB7：双向数据总线。在CPU与8279间做数据与命令的传送。

RESET：复位信号，输入线，当RESET=1时，8279复位，其复位状态为：16字符

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CS：芯片选择信号，低电平有效。

A0：区分信息的特征位。A0=1时，读取状态标志位或写入命令；A0=0时， 读写一般数据。

：读取控制线。RD=0，8279会送数据至外部总线。 ：写入控制线。WR=0，8279会从外部总线捕捉数据。

IRQ：中断请求输出线，高电平有效。在键盘工作方式中，当FIFO传感器RAM中有数据时为“1”，CPU每读一次就变为0，如果RAM中仍有数据则IRQ又变为“1”。在传感器工作方式中，传感器矩阵无论哪里发生变化都会使IRQ为“1”。 SL0～SL3：扫描按键开关或传感器矩阵及显示器，可以是编码模式或解码模式。 RL0～RL7：回复输入线，它们是键盘或传感器的列（或行）信号输入线；平时保持为“1”，当矩阵结点上有键（开关）闭合时变为“0”。

SHIFT：移位信号输入线，高电平有效。通常用来扩充键开关的功能，可以用作键盘上、下档功能键。在传感器方式和选通方式中，SHIFT无效。

CNTL/STB：控制/选通输入线，高电平有效。通常用来扩充键开关的控制功能，作为控制功能键用。在选通输入方式时，该信号的上升沿可把来自RL0∽RL7的数据存入FIFO/RAM中；在传感器方式下，该信号无效。 OUTA0～OUTA3：动态扫描显示的输出口（高四位）。 OUTB0～OUTB3：动态扫描显示的输出口（低四位）。

BD：消隐输出线,低电平有效，当显示器切换或使用显示消隐命 令时，将显示器消隐。

8279与89C52的许多信号是兼容的，可直接连接，十分方便。8279的8位数据线（DB0～DB7）直接接89C52的P0口。RD、WR与89C52的读写信号（RD、WR）直接连接。89C52的地址锁存信号ALE接8279的CLK，在内部分频后产生其内部时钟信号。8279的中断请求信号（IRQ）经一个反相器反相后接89C52的

。8279的三个可寻址的寄存器只需两个地址，即：命令/状态寄存器地址和数据寄存器地址。8279中与地址有关的信号为A0和CS，它们的连接情况直接决定着寄存器的地址，一旦硬件电路确定，寄存器的地址也就确定下来了。 C)74LS154：

为 4 线－16 线译码器，当选通端（G1、G2）均为低电平时，可将地址端

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（ABCD）的二进制编码在一个对应的输出端，以低电平译出。 如果将G1和G2中的一个作为数据输入端，由ABCD对输出寻址，74LS154还可作1线-16线数据分配器。

A、B、C、D 译码地址输入端(低电平有效) G1、G2 选通端(低电平有效) 0－15 输出端(低电平有效) 74LS154对应真值表：

图3-7 74LS154真值表

键盘采用的是行列式键盘，通过扫描的方式进行判断键的按下与否，当CBA=000，此时，Key1为低电平，电路中的S1，S3，.S5.....S15键的右端为低电平，若S1被按下，则RL0则有高电平变为低电平，从而确定S1被按下，其他键的确认也是一样。当CBA=001时，Key2为低电平，S2，S4，S6......S16键的右端为低电平，检测原理和Key1为低电平时相同。

本设计使用的是共阴极数码管，当电路中的cs1，cs2，cs3.....cs8为低电平时，数码管才开始工作，数码管的a,b,c,d,e,f,g,h中接入相应的高电平，相应的二极管会亮，不同的组合会形成不同的显示模式。当cs1，cs2，cs3.....cs8分别给其低电平，并且有短暂的延时（肉眼不能分辨的延时），就可以形成数码管的动态显示。

74LS164为8位移位寄存器，当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA

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磁通也随之减小，导致电枢绕组的感应电动势和输出电压降低。铜的电阻温度系数约为 0.004/℃，即当温度每升高 25℃，其电阻值相应增加 10%。所以，温度的变化对电磁式直流测速发电机输出特性的影响是很严重的。

为了减小温度变化对输出特性的影响，通常可采取下列措施：

（1）设计电机时，磁路比较饱和，使励磁电流的变化所引起磁通的变化较小。

（2）在励磁回路中串联一个阻值比励磁绕组电阻大几倍的附加电阻来稳流。附加电阻可用温度系数较低的合金材料制成，如锰镍铜合金或镍铜合金，它的阻值随温度变化较小。这样尽管温度变化，引起励磁绕组电阻变化，但整个励磁回路总电阻的变化不大，磁通变化也不大。其缺点是励磁电源电压也需增高，励磁功率随之增大。

直流测速发电机是一种测速元件，它把转速信号转换成直流电压信号输出。直流测速发电机广泛地应用于自动控制、测量技术和计算机技术等装置中。对直流测速发电机的主要要求是：（1）输出电压要严格地与转速成正比，并且不受温度等外界条件变化的影响；（2）在一定的转速下，输出电压要尽可能的大；（3)不灵敏区要小。

直流测速发电机可分为励磁式和永磁式两种。励磁式由励磁绕组接成他励，永磁式采用矫顽力高的磁钢制成磁极。由于永磁式不需另加励磁电源，也不因励磁绕组温度变化而影响输出电压，故应用较广。

在自动控制系统和计算装置中通常作为测速元件、校正元件、解算元件和角加速度信号元件。

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五、运动控制的程序编写

算法是程序的核心，因此PID算法的实现至关重要。

开始开始系统初始化计算给定与输出的偏差偏差累积积分AD、DA初始化PID结构体初始化后向差分，微分电流环电压采样结构体偏差成员更新PID控制器输出计算积分环节限幅设置返回计算输出值转速环电压采样电流环PID计算转速环PID计算DA输出调整结束

图5-1 PID算法框图 图5-2主程序流程框图

结束在电流环和转速环的设计中，我选择的是PI调节器，我设计的是一个PID所有参数均可调的函数，所以使用时只要改变相应的参数即可得到所要的PI控制器，具体设置方法请参考主程序。

PID算法:

#include #include #include\

/******************************************************************************

*功能：定义结构体变量

******************************************************************************/ struct _pid { int pv; /*integer that contains the process value*/ int sp; /*integer that contains the set point*/ float integral; float pgain; float igain;

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float dgain; int deadband; int last_error; }; struct _pid warm,*pid; int process_point, set_point,dead_band; float p_gain, i_gain, d_gain, integral_val,new_integ;

/******************************************************************************

* 函数名：pid_init

功能描述： PID初始化，通过设定*pv 、*sp赋值

******************************************************************************/

void pid_init(struct _pid *warm, int process_point, int set_point) { struct _pid *pid; pid = warm; pid->pv = process_point; pid->sp = set_point; }

/******************************************************************************

* 函数名：pid_tune

功能描述：结构体变量一致.

******************************************************************************/

void pid_tune(struct _pid *pid, float p_gain, float i_gain, float d_gain, int dead_band) { pid->pgain = p_gain; pid->igain = i_gain; pid->dgain = d_gain; pid->deadband = dead_band; pid->integral= integral_val; pid->last_error=0; }

/******************************************************************************

* 函数名：pid_setinteg

功能描述：//PID结构体中的偏差成员更新

******************************************************************************/

void pid_setinteg(struct _pid *pid,float new_integ) { pid->integral = new_integ;

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pid->last_error = 0; }

/******************************************************************************

* 函数名：pid_bumpless 功能描述：

******************************************************************************/

void pid_bumpless(struct _pid *pid) { pid->last_error = (pid->sp)-(pid->pv); }

/******************************************************************************

* 函数名：pid_calc

功能描述：PID核心计算

******************************************************************************/

float pid_calc(struct _pid *pid) { int err; float pterm, dterm, result, ferror; err = (pid->sp) - (pid->pv); if (abs(err) > pid->deadband) { ferror = (float) err; /*do integer to float conversion only once*/ pterm = pid->pgain * ferror; if (pterm > 100 || pterm < -100) {//积分分离 pid->integral = 0.0; } else{ pid->integral += pid->igain * ferror; if (pid->integral > 100.0) //抗积分饱和，防最大溢出 { pid->integral = 100.0; } else if (pid->integral < 0.0) pid->integral = 0.0; } //防最小溢出 dterm = ((float)(err - pid->last_error)) * pid->dgain;//微分值 result = pterm + pid->integral + dterm; } else result = pid->integral; pid->last_error = err;

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return (result/p_gain); }

AD0809.c文件

#include\#include\sbit START=P3^4; //ATART，ALE接口。0->1->0:启动AD转换。 sbit EOC=P3^3; //转换完毕由0变1. unsigned int uiADTransform() { unsigned int uiResult; START=1; //启动AD转换。 START=0; while(EOC==0); //等待转换结束。 uiResult=OUTPORT; //出入转换结果。 //uiResult=uiResult; //需做处理，则处理结果。 return uiResult; }

主函数 main.c文件

#include\#include\

#include\#define DAC0832_on P2 #define uchar unsigned char

extern struct _pid Speed,Circuent,*pid;

extern int process_point, set_point,dead_band;

extern float p_gain, i_gain, d_gain, integral_val,new_integ; bit sample;

/******************************************************************************

* 函数名：定时器初始化

功能描述：采样时间的初始化设置 250us采样一次

******************************************************************************/

void Timer_Init(void) {

TCON = 0x50;

TMOD = 0x22;//定时器0、1均方式2自动重载 TL0 = 0x6;// TH0 = 0x6;// TL0 = 0x6;// TH0 = 0x6;//

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IE |= 0x82; }

void PID_Pramt(float p,i,d) { p_gain = p; i_gain = i; d_gain = 0; }

float Un_value=0; float Ue_value=0; void main(void) {

int count=0; pid = &Speed; Timer_Init();//定时器初始化 dead_band = 1; integral_val =(float)(0.01); while(count<=200||process_point==set_point)// { pid_init(&Speed, process_point,set_point); pid_tune(&Speed, p_gain,i_gain,d_gain,dead_band); pid_setinteg(&Speed,0.0); pid_bumpless(&Speed); if(sample) {sample=0; PID_Pramt(5.4,120); Un_value = pid_calc(&Speed); PID_Pramt(4.625,154.1); Ue_value = pid_calc(&Circuent); count++; process_point=Ue_value; } } }

void t0() interrupt 1 { uiADTransform(); sample=1; }

void t1() interrupt 3 { DAC0832_on=(Ue_value*256); }

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六、仿真分析

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。因此，本文本文用Simulink对双闭环控制系统进行仿真。

双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速分别由两个调节器控制，主电路采用三相桥式全控整流电路供电。速度调节器ASR、电流调节器ACR 均设有限幅电路，ASR 的输出U*i作为ACR的给定，利用ASR 的输出限幅起限制启动电流的作用；ACR的输出Uc作为触发器的移相控制电压。双闭环直流调速系统的电气原理结构图如图1 所示。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流,二者之间实行串联连接. 把转速调节器ASR 的输出当作电流调节器ACR 的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置GT，TA为电流传感器,TG 为测速发电机。从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环,转速调节环在外边叫做外环，这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

6.1 电路建模

双闭环直流调速系统的主电路由三相对称交流电源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的两个环节，通常作为一个组合体来讨论，所以将触发器归到主电路进行建模。以三相对称交流电压源为例，说明主电路各部分的建模和参数设置方法。首先打开电力系统(SimPower Systems)工具箱。从电源模块组(Electrical Sources)中选取一个交流电压源模块，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块，并用模块标题名称修改方法将模块标签分别改为A 相、B 相、C 相；然后从连接器模块组(Connectors)中选取“Ground”元件和“BusBar”元件，将三相电源接成星形连接方式．为了得到三相对称交流电压源，其参数设置方法及参数设置如

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下：双击A 相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框，A 相交流电源参数设置：幅值取220V、初相位设置成0°、频率为50Hz、其它为默认值，如图所示。

图6-1 电源参数设置

B、C 相交流电源参数设置方法与A 相相同，除了将初相设置成互差120°外，其它参数与A 相相同。由此可得到三相对称交流电源。采用上述原则，可分别对晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等各部分进行建模和参数设置。

如前面所述，转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、速度调节器ASR、电流调节器ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环节、速度反馈环节等．

同步脉冲触发器包括同步电源和脉冲触发器两部分。脉冲触发器可从附加元件库(Extra Library)的子模块组控制模块(Control Blocks)获得。脉冲触发器需用三相线电压同步，所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压。同步电源与脉冲触发器及封装后的子系统符号如图6-2(a)、(b)所示．

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图6-2 同步电源与脉冲触发器

给定环节的建模. 从输入源模块组中选取“Constant”模块，并将模块标签改为“给定环节”；然后双击该模块图标，打开参数设置对话框，将参数设置为某个值，此处设为130 rad/s。实际调速时，给定信号是在一定范围内变化的，读者可通过仿真实践，确定给定信号允许的变化范围。通过对Uc参数变化范围仿真实验的探索而知，当Uc在50~310 范围内变化时，同步脉冲触发器能够正常工作；当Uc为50 时，对应的整流桥输出电压最大，而Uc为310 时对应的输出电压反而最小，它们是单调下降的函数关系。为此，将限幅器的上、下限幅值设置为[130，-130]，用加法器加上偏置“-180”后调整为[-50，-310]，再经反相器转化为[50，310]。这样，在电流环系统内通过限幅器、偏置、反相器等模块的作用，就可将ACR 的输出限制在使同步脉冲触发器能够正常工作的范围之内． 同理，可设置ASR 的上、下限幅值为[40，-40]。速度调节器、电流调节器、限幅器、偏置、反相器等模块的建模与参数设置都比较简单，只要分别在Simulink 的Math、Nonlinear、Sources 模块库中找到相应的模块，并按要求设置参数即可。两个PI 调节器的参数设置分别是：ACR：Kpi=2，τi=100，上、下限幅为[130，-130]；ASR：Kpn=1.2，τn=10，上、下限幅为[40，-40]。电流反馈系数设为0.1，速度反馈系数设为1。

调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流

220V,13.6A,1480r/min,Ce?0.131V/(r/min)，调速系统, 系统参数：直流电动机：允许过载倍数??1.5；晶闸管装置：Ks?76；电枢回路总电阻：R?6.58?；时

Tl?0.018s，Tm?0.25s；??0.00337V/(r/min)，??0.4V/A；间常数：反馈系数：反馈滤波时间常数：Toi?0.005s，Ton?0.005s。

6.2 电流调节器的设计

经查表,三相桥式电路的平均失控时间Ts =0. 0017s ,电流环小时间常数TΣi = Ts + Toi = 0. 0067s ,电枢回路的电磁时间常数Tl = 0.018s。

根据性能指标要求σi ≤5 % , 保证稳态无误差。把电流环校正成典型I 型系统,其传递函数为:WACR ( s) =Ki (τis + 1)/τis式中Ki ,τi 分别为电流

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调节器的比例放大系数和领先时间常数. 其中τi = T1 = 0. 018s ,为满足的要求,应取K1TΣi = 0. 5 因此: K1 =0.5/ TΣi= 74.63s- 1 ,于是可以求得ACR 的比例放大系数Ki =K1τi R/βKs=0.29故电流调节器的传递函数WACR (s) =0.29(0.018 s + 1)/0.018s,经过校验,满足晶闸管整流装置传递函数近似条件,也满足电流环小时间常数近似处理条件,设计后电流环可以达到的动态指标σi = 4. 3 % ≤5 %满足设计要求。

6.3 速度调节器的设计

电流环等效时间常数:2 TΣi = 0. 0134s.转速环小时间常数: TΣn = 2 TΣi + Ton = 0. 0318s. 在转速调节器设计时,可以把已经设计好的电流环作为转速环的控制对象. 为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,转速调节器必须含有积分环节,又考虑到动态要求,因此把转速环设计成典型II 型系统,其传递函数为:WASR ( s) = Kn(τns + 1)/τns式中Kn ,τn 分别为转速调节器的比例放大系数和领先时间常数. 取中频宽h = 5 ,则ASR 的领先时间常数:τn = hTΣn = 0. 159s ,按Mrmin 准则确定参数关系,转速环开环放大系数:KN =(h + 1)/2 h2 T2Σn= 118.67s- 1则ASR 的比例放大系数为:Kn =KNτnβCe TmαR=( h + 1)βCe Tm/2 hαRTΣn,则Kn =11.15。

经过校验,满足电流环传递函数等效条件,也能满足转速环小时间常数近似处理条件,转速超调量σn = 8. 3 % ≤10 % 满足设计要求. 为保证电流调节器与转速调节器中的运算放大器工作在线性特性段以及保护调速系统的各个元件、部件与装置不致损坏,在电流调节器与转速调节器的输出端设置了限幅装置,幅值限制为- 6～+ 6.

6.4 仿真实验和结果分析

当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。在MATLAB 的模型窗口打开“Simulation”菜单，点击“Start”命令后，系统开始进行仿真，仿真结束后可输出仿真结果。根据图6的模型，系统有两种输出方式：当采用“示波器”模块观察仿真输出结果时，只要在系统模型图上双击“示波器”图标即可；当采用“out1”模块观察仿真输出结果时，可在MATLAB 的命令窗口输入绘制plot(tout，

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yout)即可得到未经编辑的“Figure No.1”输出的图形，对“Figure No.1”图形编辑后得到的转速、电流双闭环系统仿真图形如图所示．根据原理图和上面计算出的相关参数 ,建立双闭环直流调速系统的Matlab/Simulink 动态仿真模型，转速n波形图及仿真结果如图所示。

图6-3 双闭环调速系统的模块图

图6-4 仿真结果

仿真结果可以看出，它非常接近理论分析的波形，说明系统的建模与仿真是

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成功的．下面对仿真的结果作一分析．启动过程的第一阶段是电流上升阶段。突加给定电压，ASR 的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。 第二阶段，ASR 饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线性增长。第三阶段，当转速达到给定值后，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为0，但是由于积分的作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调之后，ASR 输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使速度保持恒定，实际结果基本上反映了这一点．由仿真计算结果表明，利用MATLAB的simulink对各调速系统进行仿真设计，可以迅速直观地分析出系统的跟随性能、抗扰性能及稳定性，使得对系统进行分析、设计及校正变得更简单方便，大大缩短了系统调试周期，提高了开发系统效率。对于调速系统的设计，MATLAB的simulink确实是个经济、简单、快速、高效的工具。

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参考文献

[1] 王兆安等.电力电子技术. 北京.机械工业出版社，2000. [2] 陈伯时.运动控制系统. 北京.机械工业出版社，2003.

[3] 陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M],第三版.北京:机械工业出版社, 2007年6月．

[4] 电力拖动自动控制系统-运动控制系统 实验报告书.大连海洋大学出版

[5] 张晓华. 控制系统数字仿真与CAD [M]. 北京: 机械工业出版社, 2006: 197-202. [6] 李海燕. 单闭环直流调速系统研究[J]. 煤矿机械 , 2004,(12) . [7] 徐月华 ,汪仁煌. Matlab在直流调速设计中的应用[J]. 微计算机信息 ,

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附录 系统电路图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9c57.html