直流电动机双闭环系统软件设计毕业论文

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沈阳化工大学

本科毕业论文

题目：直流电动机双闭环系统软件设计院系：科亚学院专业: 电气工程及其自动化班级：学生姓名：指导教师：

论文提交日期： 2012 年 6 月15 日

论文答辩日期： 2012年 6 月 18 日

摘要

近年来，自动化控制系统在各行业中得到了广泛的应用和发展，而直流调速系统作为电力拖动系统的主要方式之一，在现代化生产中起着十分重要的作用。随着微电子技术的不断发展，计算机在调速系统中的应用使控制系统得到简化，体积减小，可靠性提高，而且各种经典和智能算法也都分别在调速系统中得到了灵活的应用，以此来达到最优控制效果。

以单片机为控制核心的数字直流调速系统有着许多优点：由于速度给定和测速采用了数字化，能够在很宽的范围内高精度测速，所以扩大了调速的范围，提高了测速控制系统的精度；由于硬件的高度集成化，所以使得零部件数量大大减少；由于很多功能都是由软件实现的，使硬件得以简化，因此故障率小；单片机以数字信号工作，控制方法灵活便捷，抗干扰能力较强。

本论文在直流调速系统理论研究的基础上，以80C196KC单片机为控制核心，对双闭环直流调速系统中的转速调节器采了用PID控制算法、电流调节器采用了PI算法，设计了一套全数字直流电机双闭环调速系统。并且介绍了直流电机调速系统的功能和特性，分析了双闭环PID控制的

调速系统的数学模型，确定了电流环和转速环的比例和积分系数。此外，本次设计采用了数字式速度给定和数字式测速方法，大大提高了速度控制的精度。

关键词：直流电动机；调速；PID 控制；双闭环

Abstract

In recent years, automation control system in all a wide range of applications and development, and dc speed control system as the main way of electric drive system in one of the modern production plays a very important role. With the development of the microelectronics, the use of the computer in speed regulation system simplified the system, reduces the volume，increases the reliability. The Optimum Control is achieved by the use of both classical methods and intelligent methods.

The digital speed control system for DC motor, which use Chip Microcomputer(SCM) as its processor has many merits. The speed giving and speed measuring adopt digital method, the system can measure the speed accuracy within a wide range, which expand the speed control scope and enhances its precession; the hardware is highly integrated, the number of the parts is sharply minimized; as most functions are carried out by software, Moreover, as SCM works with digital signal, its control is flexible and its ability to anti-interference is very high.

The paper is based on the theory of DC speed regulation. In this paper， a

80C196KC SCM is used as the processor for the speed control system of DC motor. The kind of speed controller is PID and that of current controller is PI. It is also discussed in this paper how to analyze the math model of double- close- loop speed control system by analyzing the functions and characteristics of the speed controlling system for DC motor，and find out the proportion and integral factors of the current and voltage loop. Moreover，the system adopted digital speed measuring method to enhance the accuracy of speed control.

Key words：DC motor; Speed regulation; PID control; Double-closed-loop

第一章绪论 ................................................................................. 1

1.1 引言 ....................................................................................... 1 1.2 课题的背景 .............................................................................. 2 1.3 课题研究的目的和实际意义 ......................................................... 2

第二章直流调速系统理论研究和方案确定 .......................................... 4

2.1 调速方案的选择 ........................................................................ 4 2.1.1 电动机型号的选择 ................................................................... 4 2.1.2 直流调速系统的控制方法的选择 ................................................ 4 2.1.3 电动机供电方案的选择 ............................................................. 5 2.2 调速系统的性能指标 .................................................................. 6 2.2.1 调速系统的稳态指标 ................................................................ 6 2.2.2 调速系统的动态性能指标 .......................................................... 6 2.3 总体结构设计 ........................................................................... 8 2.3.1 系统结构选择 ......................................................................... 8

第三章数字直流电机调速系统的数字PID控制 ................................. 10

3.1 PID调节器的基本原理 .............................................................. 10

3.2 PID调节器的数字化设计 ........................................................... 11 3.3 位置式PID算法 ...................................................................... 13 3.4 调速单元PI参数的整定 ................................ 错误！未定义书签。 3.4.1 直流电动机的数学模型 ........................................................... 15 3.4.2 转速、电流双闭环调速系统的分析 ........................................... 16 3.4.3 比例、积分系数初值的确定 ..................................................... 17

第四章主电路的设计与参数计算 .................................................... 19

4.1 变压器的设计 ......................................................................... 19 4.1.1 变压器二次侧电压U2的计算 ................................................... 19 4.1.2 一次、二次侧相电流I1、I2的计算 ............................................ 20 4.1.3 变压器容量的计算 ................................................................. 20 4.2 晶闸管型号的选择 ................................................................... 20 4.2.1 晶闸管的额定电压 ................................................................. 20 4.2.2 晶闸管的额定电流 ................................................................. 21 4.3 直流调速系统的保护 ................................................................ 21 4.3.1 过电压保护和

du限制 ............................................................ 21 dtdi限制 ............................................................. 23 dt4.3.2 过电流保护和

4.4 主电路及保护电路图 ................................................................ 24

第五章数字直流调速系统的软件设计 .............................................. 26

5.1 采样周期T的选择 ................................................................... 26 5.2 主程序的设计 ......................................................................... 26 5.3 数字测速的软件设计 ................................................................ 28 5.4 显示模块的软件设计 ................................................................ 31 5.5 触发脉冲的软件设计 ................................................................ 31

第六章总结与展望 ...................................................................... 34

6.1 工作总结 ............................................................................... 34 6.2 研究展望 ............................................................................... 35 致谢 ........................................................................................... 36 参考文献 ..................................................................................... 36

沈阳化工大学学士学位论文第一章绪论

第一章绪论

1.1 引言

按照拖动的电动机的类型来划分，自动调速系统可以分为直流调速系统和交流调速系统两大类。由于直流电动机的电压、电流和磁通的耦合较弱，使直流电动机具有良好的运行性能和控制特性，能够在大范围内平滑调速，启动、制动性能良好，其在20世纪70年代以来一直在高精度，大调速范围的传动领域内占据主导地位。在要求高起、制动转矩，快速响应和较宽速度调节范围的电气传动领域中，采用直流电动机作为调速系统的执行电机。由于直流电动机具有良好的机械特性和调速特性，调速平滑，方便，易于在大范围内进行平滑调速，过载能力较大，能够承受频繁的冲击负载，可以实现无级快速制动和反转，能够满足工业生产过程中的特殊运行要求，因此直流调速系统至今仍然被广泛用于自动控制要求较高的生产过程，仍然是调速系统的主要形式。

在传统的直流调速系统中，控制回路全部采用模拟电子器件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽然一定程度上满足了生产过程的要求，但是因为在使用中易受外界干扰影响，线路复杂、通用性差，而且容易老化，控制系统的效果受到器件性能、温度等不确定因素的影响，致使系统的运行特性也随之变化，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，可靠性较差。

随着微电子技术、微处理器的出现和运算速度的提高以及计算机控制技术的发展电机调速系统由原来的以模拟量反馈、模拟调速器为核心的连续调速系统发展到以数字量处理为主，以微处理器为基础的数字调速系统，即从过去的模拟控制向模拟和数字混合控制发展，最后实现全数字化。数字化调速系统是指用微机处理器代替以往的模拟调速器，它具有体积小、实现方便等优点，不仅是一般的PID控制，就是复杂的矢量控制、非线性鲁棒控制、模糊控制等方法都可以通过编程实现，这给设计和构造调速系统带来了许多便利。

数字化调速系统通过数字控制器和数字触发器实现对系统调速控制，从而达到预期的控制精度和要求。调速系统的控制方案是依靠软件程序来实现，软件的模块化结构可以实时增加、更改、删减应用程序，当时及系统变化时也可以彻底更新，软件控

沈阳化工大学学士学位论文第一章绪论

制的这种灵活性大大增强了控制器对被控对象的适应能力，使各种新的控制策略和控制方法得到实现。

1.2 课题的背景

我国从上世纪60年代研制出第一只晶闸管以来，晶闸管直流调速系统得到了快速的发展和广泛的应用。晶闸管整流装置逐渐取代了水银整流装置，使直流电力拖动完成了一次巨大的飞跃。同时，控制电路已经实现高度集成化、小型化，可靠性及低成本，以上技术的应用，使得直流调速系统的性能指标大幅度提升，应用范围不断地扩大，直流调速系统得到较大的发展。

随着微型计算机技术、电力电子技术、自动控制理论的发展，电力电子器件、超大规模集成电路和传感器的出现，电力拖动控制系统不断向前发展。微机的应用使电力拖动系统变得数字化、智能化，极大地推动了电力拖动的进步。世界上许多国家都开发出了数字式调速装置，当前直流调速技术已经发展到一个很高的水平：功率元件采用可控硅，控制方式采用换相、相位控制等。特别是采用微处理器和其他先进技术，数字式直流调速系统具有越来越具有优良的控制性能，较高的精度和较强的抗干扰能力，在国内外得到了广泛的应用。

直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。在轧钢机、冶金、金属切削机床和造纸机、高层电梯等需要高性能的可控电力拖动领域中得到了广泛的应用。目前，国内外一些主要电气公司，已经研制出全数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模块化的应用产品供各生产企业和科研单位选用。

1.3 课题研究的目的和实际意义

数字化和智能化已被公认为运动控制系统的主要发展方向，在直流电机调速系统中的应用也已成为发展趋势。直流调速系统是指人为地或自动地调节直流电动机的转速，以满足控制系统性能的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，使电动机的运转速度发生变化。电机调速通常通过给定环节,中间放大环节,校正环节，反馈环节和保护环节等来实现。

沈阳化工大学学士学位论文第一章绪论

随着微电子技术，微处理器以及计算机软件的发展，使调速控制的各种功能几乎全部可通过微处理机，借助软件来实现,实现全数字化。在数字化系统中，除具有常规的调速功能外，还具有故障报警，诊断及数据采集和显示等功能，同时，数字系统通常具有较强的通信能力和较强的抗干扰能力。国外一些电气公司都有成系列的与模拟调速系统相对应的全数字交、直流调速装置产品可供选用，新开发的调速系统几乎全是数字式的。

采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化、智能化，标准化程度高，制作成本低，结构简单，可靠性高，操作和维护较为方便，电机运行的动态性能较高，精度也达到了一定的要求。直流电动机具有良好的调速特性，可以平滑调速，调速范围广，操作方便；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可以实现频繁的无级快速起、制动和反转，因而能够满足生产过程中自动控制系统等各种不同场合的需要。由于微机具有较高的性价比，因此在工业生产过程和设备控制中得到了广泛的应用。近年来，尽管交流调速技术得到了飞速发展，但由于直流电机良好的起、制动性能，在矿井卷扬机、轧钢机、金属切削机床、造纸机和高层电梯等需要在较大范围内平滑调速的电力拖动领域中得到广泛的应用。

现阶段，我国在具有完全自主知识产权的全数字化调速装置的研发水平上还落后于发达国家，而且进口的控制器价格昂贵，因此，学习和研究国外先进的控制器，具有重大的经济价值和实际意义。根据目前的发展趋势，展望未来，全数字直流调速系统必将向高性能、高精度的方向发展，朝着调试手段更加先进，控制、通讯功能更丰富的方向迈进，尤其是它的控制精度和平滑性还可以得到进一步的提高。

沈阳化工大学学士学位论文第二章直流调速系统理论研究和方案确定

这样就能够获得良好的静、动态性能。与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。其硬件结构如图2-1所示

器码编电光路电频倍器送变零大流过放电压电较比脚换口引转口入断口路中口出输行电部入输速速高串示外输显高给度定速冲路极脉电门发动管触驱闸晶图2-1 系统的总体框图

图框体总的统系

沈阳化工大学学士学位论文第三章数字直流电机调速系统的数字PID控制

第三章数字直流电机调速系统的数字PID控制

单片机控制的操作功能包括从控制对象中获取各种信息，执行反映控制规律的控制算法，把计算结果以一定的形式传送到行机构或显示报警装置，实现操作人员--控制台--单片机系统之间的联系等。其中，最主要的任务是执行控制算法。系统构成后，控制规律是反映单片机控制系统性能的核心。随着控制理论和单片机水平的不断发展，单片机控制系统的功能日益增强，适用的控制规律也越来越多，如PID调节、史密斯(Smith)预估控制、最优控制、基于状态空间模型的设计方法和基于输入输出模型的设计方法等。PID控制式工业控制过程中应用最为广泛的一种控制方式。

在本系统中，采用了PID控制算法。PID控制器具有简单而固定的控制形式，可以在很管得范围内保持较好的鲁棒性，三种不同形式的控制作用组合起来跟随被控对象的变化，可以减小动态误差。它是一种基于负反馈的控制方法，不仅在模拟调节器得到了广泛应用，而且更适合于单片机控制系统。PID具有结构简单，参数的物理意义明确，动态特性和静态特性较好的优点。在控制理论不断发展的今天，常规PID控制器仍然是过程控制中应用最广泛、最基本的一种控制器，

3.1 PID调节器的基本原

控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图3-1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

比例积分控制对象微分

如图3-1 常规PID控制系统原理框图

沈阳化工大学学士学位论文第三章数字直流电机调速系统的数字PID控制

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差：

e(t)=r(t)-c(t) （3-1）将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。

简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：

⑴比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

⑵积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用度强弱取决于积分时间常数

TI，

TI越大，积分作用越弱，反之则越强。

⑶微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

3.2 PID调节器的数字化设计

在连续控制系统中，模拟调节器的PID控制规律为：

1de(t)u(t)?Kp[e(t)??e(t)dt?TD] （3-2）

TI0dt或写成传递函数形式

G(s)?U(s)1?Kp(1??TDS)E(s)TIS （3-3）

t式中

TITDKp--比例系数；

--积分时间系数； --微分时间常数。

将上式离散化为数字PID，只要将式中各项分别离散化就可以了，即为：

u(t)?u(kT)

沈阳化工大学学士学位论文第三章数字直流电机调速系统的数字PID控制

（3-4）

e(t)?e(kT)

（3-5）

?e(t)?T?e(jT)?T?e(j)0j?0j?0tkk （3-6）

de(t)e(kT)?e(kT?T)e(k)?e(k?1)??dtTT （3-7）

其中，T为采样周期。在上面离散化的过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将e（kT）简化表示为e（k），将上式（3-4）、（3-5）、（3-6）、(3-7)代入式（3-2）中，可得离散的PID表达式为

?T?u(k)?kp?e(k)?Ti???e(j)?j?0k?Td[e(k)?e(k?1)]?T? （3-8）

或

u(k)?kpe(k)?ki?e(j)?kd[e(k)?e(k?1)]j?0k （3-9）

上式中，k是采样序号k=0、1、2...;

u(k)是k次采样时刻的输出值； e(k)是第k次采样时刻输入的偏差值；

e(k?1)是k-1次采样时刻输入的偏差值：

kjkd是积分系数，是微分系数，

kj?kpT/Tjkd?kpTd/T; .

3.3 位置式PID算法

在单片机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。由于本文的PID控制算法的输出量要控制晶闸管的输出电压，此类对象适合用位置式PID控制算法，所以下面主要介绍

沈阳化工大学学士学位论文第三章数字直流电机调速系统的数字PID控制

位置式PID控制算法。

由于单片机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式 (3-2)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按照模拟PID算法的算式(3-2)，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可以作如下近似变换；

t?kT(k?0,1,2?)

?e(t)dt?T?e(jT)?T?e(j)0j?0j?0ttk (3-4)

de(t)e(kt)?e[(k?1)]e(k)?e(k?1)??dtTT

式中T--采样周期。

显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)，即省去T。将式(3-4)代入(3-2)，可得离散的PID表达式为

u(k)?Kp?Te(k)?TI?e(j)?j?0kkTD[e(k)?e(k?1)]T? （3-5）

或

u(k)?Kpe(k)?KI?e(j)?KD[e(k)?e(k?1)]j?0 （3-6）

式中k--采样序号，k = 0，1，2? u(k)--第k次采样时刻的单片机输出值； e(k)--第k次采样时刻输入的偏差值； e(k - 1)--第k-1次采样时刻输入的偏差值；

KIKD

-积分系数，

KI=

TI；

--微分系数，

KDKPTD=/T；

由z变换的性质

z[e(k?1)]?z?1E(z)

z[?e(j)]?j?0kE(z)(1?z?1)

沈阳化工大学学士学位论文第四章主电路的设计与参数计算 4.4 主电路及保护电路图系统的主电路是晶闸管三相全控桥和直流电动机，保护电路采用了阻容吸收电路和快速熔断器进行保护。 RRRT1CT3CT5CBTLRvDRRRRCCCT4T6RRCCT2C 图4-2 主电路 3424 56沈阳化工大学学士学位论文第五章数字直流调速系统的软件设计

第五章数字直流调速系统的软件设计

5.1 采样周期T的选择

微机数字控制系统是离散系统，数字控制其必须定定时对给定信号和反馈信号进行采样。必须对系统的采样频率作出一定的要求，才能保证离散的数字信号在处理完毕后能够不失真地重复连续的模拟信号。如何合理的选择采样周期，同时能够达到最高的控制特性是个重要的问题。

目前，对于采样周期的选择，还没有特别有效的办法，一般凭经验选择相对合理的采样周期，因此选择应综合考虑各方面因素，采取折衷的办法。其中的两个主要因素有：

⑴保证单片机在一个采样周期内完成所需操作

从数字PI控制器对连续PI调节器的模拟精度考虑，采样周期越小越好。但采样周期小，控制器占用CPU的时间就长，增加了控制系统对CPU的占用率。在一个采样周期内，单片机要采集A/D转换数据，数字滤波，进行PI运算，输出控制量，显示，启动A/D转换，处理其它中断等。所以采样周期不能太小。

⑵ 保证有用信号不失真

根据香农采样定理，采样频率应不低于有用信号频率的两倍，实际工程上采样频率通常取有用信号频率的4-10倍。

在双闭环调速系统中电流环作为速度环的内环，响应速度快，采样周期取3ms；速度环是外环，采样周期取15ms,每个工频周期转速环PID算一次，电流环算三次。这样即方便编程，也能满足采样精度。

5.2 主程序的设计

数字控制的双闭环直流调速系统的控制规律是靠软件来实现，系统中的所有硬件也靠软件来管理。运行在数字控制器中的软件有主程序、初始化子程序和中断服务子程序等。

沈阳化工大学学士学位论文第五章数字直流调速系统的软件设计