双闭环直流调速系统外文翻译

对直流电机的速度闭环控制系统的设计

钟国梁

机械与汽车工程学院华南理工大学

中国,广州510640

电子邮件：zhgl2chl@126.com

机械与汽车工程学院

华南理工大学

中国,广州510640

江梁中

电子邮件：jianglzh88@163.com

该研究是由广州市科技攻关项目赞助（No.2004A10403006）。（赞助信息）

摘要

本文介绍了直流电机的速度控制原理，阐述了速度控制PIC16F877单片机作为主控元件，利用捕捉模块的特点，比较模块和在PIC16F877单片机模数转换模块将触发电路，并

给出了程序流程图。系统具有许多优点，包括简单的结构，与主电路同步，稳定的移相和足够的移相范围，10000步控制的角度，对电动机的无级平滑控制，陡脉冲前沿，足够的振幅值，设定脉冲宽度，良好的稳定性和抗干扰性，并且成本低廉，这速度控制具有很好的实用价值，系统可以容易地实现。

关键词：单片机，直流电机的速度控制，控制电路，PI控制算法

1．简介

电力电子技术的迅速发展使直流电机的转速控制逐步从模拟转向数字，目前，广泛采用晶闸管直流调速传动系统设备（如可控硅晶闸管，SCR）在电力拖动控制系统对电机供电已经取代了笨重的F-D发电机电动机系统，尤其是单片机技术的应用使速度控制直流电机技术进入一个新阶段。在直流调速系统中，有许多各种各样的控制电路。单片机具有高性能，体积小，速度快，优点很多，价格便宜和可靠的稳定性，广泛的应用和强劲的流通，它可以提高控制能力和履行的要求实时控制（快速反应）。控制电路采用模拟或数字电路可以实现单片机。在本文中，我们将介绍一种基于单片机PIC16F877单片机的直流电机速度控制系统的分类。

2．直流电机的调速原理

在图1中，电枢电压Ua，电枢电流Ia，电枢回路总电阻Ra，电机常数Ca和励磁磁通Φ，根据KVL方程，电机的转速为

UaIaRaCan

CpN60a

UaIaRaUa

Td(k)Td(k1)a0e(k)a1e(k1)Td(k1)0.84e(k)0.63e(k1)

a0Kp(1a1KpTfTTdTl)Ti

图1 直流电机调速原理图

pN60a,这意味着当

这里，p是极对数，N是圈数，a为电机电枢支路数，电机常数是

Ca电机被证实，该值是固定的。但是当UaIaRa，只有绕组电阻Ra，所以IaRa非常小。所以很明显，当我们改变电枢电压，转速n随之变化。

3．系统的组成和工作原理

3.1系统硬件模块框架

系统的硬件模块框图如图2所示。

图2 系统硬件模块框图

3.2系统工作原理

该系统主要由主开关，电机励磁电路，晶闸管调速控制电路（包括转速表电路），整流滤波电路，平波电抗器放电电路，能耗制动电路，整个系统采用闭环PI调节器控制的实现。当主开关闭合，这单相交流获得小的脉冲持续电流通过晶闸管调速控制电路的控制，和整流桥，为电机的滤波及平波电抗器，并在同一时间，通过整流励磁电路，交流使电机获得激励去开始工作。在调节触发电路的速度设置电位器RP1由PIC16F877减少时，AN1输入电压下降使输出控制的角度，和晶闸管随流角，和主电路提高输出电压，和电机转速增加，增大和测速电路的输出电压，和电机稳定运行在设定的速度范围通过PI调节器的功能。

4．在系统各部分电路的设计

4.1主电路的设计

对电路中的各种成分的参数设置，如图3所示。按下启动按钮开关SW，使接触器KM和KM回路，常开触点闭合，其常闭触点打开，并启动按钮自锁，主电路连接，与晶闸管调速电路通过改变双向晶闸管的控制角控制的交流输出，并通过桥梁得到直流整流和滤波，同时，电机通过整流励磁电路获得激励开始工作。

图3 主电路图设计

限制直流脉动，在电路中连接平波电抗器，和电阻R3提供放电回路平波电抗器在主电路突然断了。

加快制动，能耗制动是采用的设备，和制动部分由电阻R4和主电路接触器的常闭触点。

电动机的励磁是由单一的整流电路供电，并防止无法控制的高速事故通过电机的励磁损耗引起的，在激励电路中，串联电流继电器KA，和动作电流可以通过调节电位器RP。

4.2晶闸管触发电路的设计

图4 晶闸管触发电路设计

在主电路中的A点和B点的电压变为20V通过变压器，然后整流，约100小时半的信号发生在这两个点，并与NPN三极管通过信号分压R6和R7的放大，在三极管集电极产生过零脉冲，并捕获零通道脉冲上升沿的CCP1模块和注意发生第一时间，赶过零脉冲下降的边缘，和两者之间的时间差为零的脉冲宽度，和值的一半是中点的脉冲，通过捕捉模式，我们可以准确地获得实际的过零点的交流，并在同时，我们可以利用ADC的模拟/数字转换模块将PIC16F877引脚的模拟电压RA1 / AN1所设定的晶闸管控制的角度值（设

定电机的转速值），改变设定值电位器RP1和相应地改变设置的晶闸管控制角的值，并输出值转速表电路由销RA1/AN1 PIC16F877的输入，和值作为速度反馈值通过A/D转换。在单片机系统的振荡频率为4MHz，并根据特征PIC16F877订货周期，晶闸管控制角的分辨率是四分之一单片机振荡的倒数1μ的频率，即，在电力10ms的半波时间，控制角可以达到10000的步骤，完全实现电动机的无级平滑控制。

4.3测速电路设计

转速表电路由光学编码盘吸积与电机转子和电脉冲放大整形电路。电脉冲频率固定的比例与电动机的转速，和通过放大整形，由光学码盘输出电脉冲从引脚RC0 /T1CK1输入PIC16F877作为标准的TTL电平，由计数TMR1计数器计算转速，并比较与预设转速和转速得到差值，与PIC16F877单片机实现PI操作这种差异的价值得到增加的控制，并将晶闸管的控制角来改变有效CCP2电机的两个端口的电压，从而控制转速。

5．软件设计

获得的晶闸管控制角较小的超调，我们设计的速度闭环控制系统作为典型的I系统，即PI调节器，这是用来调节晶闸管的控制角的时间Td，其控制算法是

Td(k)Td(k1)a0e(k)a1e(k1)Td(k1)0.84e(k)0.63e(k1)

a0Kp(1Tl)Ti

这里a1Kp，Kp是比例系数，Tl是积分时间常数，Ti是采样周期。考虑到系统中的电动机的电动机常数时间0.12s，偏差不能被淘汰几种采样周期，所以我们选择采样周期2ms

的测速系统。

在系统软件设计模块主要包括CCP1上升捕获模块，CCP1降捕获模块，控制角度设定值的A/D转换模块，转速表电路脉冲定时计数模块，PI调节器模块和CCP2比较输出模块的程序流程图，如图5和图6所示。

图5 PI调节器模块框图

假设我们获得过零时间T，与晶闸管控制角的时间Td，因此，比较值是发送到CCP2

寄存器CCP2H:L是TfTTd，而当比较是一致的，在该引脚输出高电平CCP2使晶闸管的连接，和修改CCP2H：L的值再根据需要的触发脉冲宽度值维持高电平输出触发脉冲一定时间后，再回到低的水平，所以双向晶闸管的触发脉冲输出已完成。

图6 CCP2比较输出模块

6．结论

速度控制系统以PIC16F877单片机为双向晶闸管触发电路的设计的文章具有许多特

点是结构简单，运行可靠，调节范围宽，良好的电流的连续性和在中小型快速响应大小的直流电机速度控制系统，和旋转速度环采用PI控制算法，能有效地抑制超调的转速，所以它是采用一种可行的设计单片机速度控制系统的运行曲线，如图7所示。

图7 速度控制系统运行曲线

工具书类

康华光、邹守彬（2000）电子技术基础：数字部分（第四版）。北京：高等教育出版社

李学海（2002）PIC单片机实用教程。北京：航空航天出版社北京大学

苏建（2002）对光伏水泵系统及其控制的研究。合肥的博士学位论文科技大学

张沈（1996）无刷直流电动机的原理和应用。北京：机械工业出版社