外文翻譯-直流電機轉速控制的閉環(huán)電路設計

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畢業(yè)設計翻譯文獻與原文題 目： 直流電機 轉速控制 的閉環(huán)電 路設計學 院： 測控與光 電工程學 院 專 業(yè)： 測控技 術 與儀器 姓 名： 學 號： 指導教 師 ： 直流電機轉速控制的閉環(huán)電路設計這項研究是由廣州市科技攻關項目資助摘 要 本 文 介 紹 了 直 流 電 動 機 的 調 速 原 理 ， 闡 述 了 把 PIC16F877 單 片 機 作 為主 控 制 組 件 的 速 度 控 制 系 統(tǒng) ， 即 利 用 PIC16F877 單 片 機 中 的 捕 捉 模 塊 、 比 較 模 塊 、模 數(shù) 轉 換 模 塊 來 作 為 觸 發(fā) 系 統(tǒng) ， 并 給 出 了 程 序 流 程 圖 。 該 系 統(tǒng) 具 有 很 多 優(yōu) 點 ， 包 括結 構 簡 單 ， 與 主 電 路 的 同 步 ， 穩(wěn) 定 換 檔 相 ， 足 夠 的 轉 換 相 位 范 圍 ， 10000 步 控 制 的角 度 ， 電 機 的 無 級 平 滑 控 制 ， 陡 脈 沖 前 沿 ， 足 夠 的 振 幅 值 ， 設 置 脈 沖 寬 度 ， 穩(wěn) 定 性 好 ，抗 干 擾 能 力 強 ， 成 本 低 廉 ， 并 且 系 統(tǒng) 具 有 良 好 的 實 用 性 可 以 容 易 地 實 現(xiàn) 。關鍵詞 PIC16F877 電機控制 控制電路 PI 控制算法1 簡介電 子 技 術 的 快 速 發(fā) 展 使 得 直 流 電 機 的 速 度 控 制 從 模 擬 逐 步 轉 化 為 數(shù) 字 ， 目 前廣 泛 采 用 可 控 硅 設 備 在 電 氣 拖 船 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 以 將 電 力 提 供 給 電 動 機 的 KZ-D 拖帶 系 統(tǒng) ， 已 經(jīng) 取 代 笨 重 的 FD 發(fā) 電 機 電 動 機 系 統(tǒng) ， 特 別 是 單 片 機 技 術 的 應 用 使 得 電 機速 度 控 制 進 入 了 一 個 新 的 層 次 。 在 直 流 調 速 系 統(tǒng) ， 由 很 多 部 分 控 制 電 路 。 SCM 具有許多優(yōu)點，如高性能，速度快，體積小，價格便宜，可靠穩(wěn)定,應用廣泛， 提 高控 制 能 力 并 且 滿 足 實 時 控 制 得 需 要 。 采 用 模 擬 或 數(shù) 字 的 控 制 電 路 可 以 用 單 片 機 來實 現(xiàn) 。 在 這 篇 文 章 中 ， 我 們 將 介 紹 基 于 單 片 機 PIC16F877 的 一 種 直 流 電 機 調 速系統(tǒng)。2 直流電機調速原理表 一 中 ， 電 壓 時 Ua， 電 流 是 Ia， 閉 環(huán) 總 電 阻 是 Ra， 電 機 電 容 是 Ca， 磁 通 是 Φ 。根 據(jù) KVL 方 程 ， 電 機 的 轉 速 是n ? ?Ua ? Ia Ra ??C??(2,1)Ca ? pN60a(2.2)Ua ? Ia Ra ? UaTd ?k? ? Td ?k ?1?? a0e?k?? a1e?k ?1? ? Td ?k ?1?? 0.84e?k??0.63e?k ?1?(2.3)(2.4)a ? ? Tf ?0 Kp ?1? T ??a1 ? Kp Tf ? T ? Tdt ? (2.5)(2.6)(2.7)其 中 ， P 是 極 對 數(shù) ， N 是 匝 數(shù) 。 電 機 的 電 樞 支 路 數(shù) 是 a， 電 機 電 容 Ca=PN|60a, 這 意 味 著 ， 電 機 一 定 時 ， 電 容 是 一 定 的 。 但 是 在 Ua-IaRa,因 為 Ra 是 繞 線 電 阻 ， 所 以 非 常 小 ， Ua-IaRa=Ua.所 以 很 清 楚 當 我 們 改 變 了 電 壓 ， 轉 速 也 隨 之 改 變 。3 系統(tǒng)組成和工作原理3.1 系統(tǒng)的硬件結構的模塊框系 統(tǒng) 硬 件 的 模 塊 框 圖 。 如 圖 2 所 示3.2 系 統(tǒng) 的 工 作 原 理該 系 統(tǒng) 主 要 由 主 開 關 ， 電 動 機 的 勵 磁 回 路 ， 二 極 管 調 速 電 路 （包括轉速表電路）， 整 流 濾 波 電 路 ， 平 波 電 抗 器 ， 放 電 電 路 ， 能 耗 制 動 電 路 。 該 系 統(tǒng) 采 用 閉 環(huán) PI 調 節(jié)器 來 實 現(xiàn) 控 制 。 當 主 開 關 關 閉 時 ， 通 過 二 極 管 速 度 控 制 電 路 的 控 制 ， 和 橋 式 整 流 ，濾 波 和 平 面 波 反 應 堆 的 處 理 產(chǎn) 生 脈 沖 小 的 連 續(xù) 的 單 相 交 流 電 ， 同 時 通 過 激 勵 整 流 電路 。 交 流 電 使 電 動 機 獲 得 動 力 開 始 工 作 。 當 輸 入 電 壓 降 低 時 ， 觸 發(fā) 電 路 的 速 度 使 得 PIC16F877 產(chǎn) 生 的 輸 出 控 制 角 度 降 低 。 同 時 ， 晶 閘 管 隨 流 角 度 ， 主 電 路 輸 出 電 壓 ，電 機 轉 速 ， 測 速 電 路 的 輸 出 電 壓 提 高 ， 通 過 PI 調 節(jié) 器 的 作 用 ， 電機穩(wěn)定運行在設定的轉速范圍。4 系統(tǒng)的各部分電路的設計4.1 主電路設計電路中各元件的參數(shù)是在圖 3 所示按 下 開 始 按 鈕 SW，使 KM 電 容 器 充 電 ， 然 后 KM 常 開 觸 點 關 閉 ， 常 閉 觸 點 打開 ， 按 下 自 鎖 按 鈕 ， 主 電 路 接 通 。 然 后 ， 二 極 管 調 速 電 路 通 過 改 變 雙 向 導 通 二 極 管的 控 制 角 來 控 制 交 流 電 輸 出 ， 通 過 整 橋 電 路 獲 得 直 流 ， 與 此 同 時 ， 電 機 通 過 整 流電路獲得動力開始工作。為限制直流電波動，在電路中連上電容，當主電路斷電時 ，R 3 與 電 容 組 成放電回路。為 立 即 制 動 ， 設 備 中 采 用 了 能 耗 制 動 ， 制 動 部 分 由 R4 和 主 電 路 中 的 常 閉 觸點組成。電 機 激 勵 部 分 由 單 一 的 整 流 電 路 供 電 ， 為 了 防 止 電 磁 損 耗 使 得 點 擊 高 的 速 度不 能 控 制 引 起 事 故 ， 在 電 路 中 串 聯(lián) 了 繼 電 器 KA，和 滑 動 變 阻 器 RP.。4.2 二極管觸發(fā)電路的設計AB 間 的 電 壓 通 過 變 壓 器 成 為 20V，經(jīng) 過 整 橋 電 路 后 ， 大 約 一 半 100H 的 信 號 發(fā)生 在 這 兩 點 ， 再 經(jīng) 過 R6 和 R7 分壓電路進行放大，輸入三極管的兩端，在三極管 集電 極 產(chǎn) 生 過 零 脈 沖 ， 同 時 通 過 CCPI 模 塊 捕 獲 脈 沖 的 上 升 沿 并 記 錄 時 間 ， 然 后 獲 得下 降 沿 并 記 錄 時 間 ， 兩 個 時 間 的 差 是 脈 沖 的 寬 度 ， 該 值 的 一 半 是 中 點 脈 沖 ， 通 過 這 種捕 捉 模 式 ， 我 們 可 以 準 確 的 獲 得 交 流 電 的 零 值 點 。 同 時 ， 我 們 可 以 通 過 數(shù) 模 轉 換 器來 改 變 PIC16F877 的 RA1/RN1 接 口 的 模 擬 電 壓 值 作 為 二 極 管 控 制 電 路的 實 際 值 ， 改 變 變 阻 器 RP1 的 設 定 值 ， 并 極 大 改 變 二 極 管 控 制 電 路 的 設 定 值 ， 轉 速表 電 路 的 輸 出 值 輸 入 PIC16F877 的 RA1/RN1 接 口 ， 得 出 的 值 作 為 速 度 反 饋 值 通 過 模數(shù) 轉 換 器 。 在 單 片 機 系 統(tǒng) 的 振 蕩 頻 率 為 4MHz，并 根 據(jù) PIC16F877 的 命 令 特 點 ，二 極 管 控 制 角 的 分 辨 率 是 四 分 之 一 單 片 機 振 蕩 的 倒 數(shù) ， 即 1μ對 于 電 力 10ms 的 半波 時 間 ， 控 制 角 可 以 實 現(xiàn) 10000 個 步 驟 ， 完 全 實 現(xiàn) 電 動 機 的 無 級 平 滑 控 制 。4.3 轉 速 表 電 路 設 計轉 速 表 電 路 由 連 接 著 電 機 轉 子 和 放 大 整 形 電 路 的 光 電 碼 盤 組 成 。 電 脈 沖 頻 率與電動機的轉速成一定的比例，通過放大整形，由光電碼碼盤輸出的電脈沖從PIC16F877 的 引 腳 RC0/T1CK1 輸 入 作 為 標 準 的 TTL 電 平 ， 由 計 數(shù) TMR1 計 數(shù) 器 來計 算 轉 速 ， 與 設 定 的 轉 速 比 較 ， 得 到 差 值 轉 速 ， PIC16F877 進 行 PI 運 算 獲 得 這種 差 異 的 價 值 來 獲 得 控 制 增 加 ， 并 控 制 二 極 管 的 控 制 角 來 有 效 改 變 CCP2 電 機 的 兩個端口的電壓，從而控制轉速。5 軟件設計為 了 在 二 級 管 控 制 角 調 制 中 得 到 微 小 的 值 ， 我 們 設 計 了 速 度 控 制 的 典 型 一 封閉系統(tǒng)。PI 運 算 器 用 來 運 算 二 極 管 控 制 角 的 值 Td ，算法是Td ?k ? ? Td ?k ?1? ? a0e ?k ? ? a1e ?k ?1? ? Td ?k ?1? ? 0.84e ?k ? ? 0.63e ?k ?1? (5.1)a ? ? Tf ?0 Kp ?1? T ?? t ? (5.2)其中，a 1=KP，KP 是 控 制 器 的 比 例 系 數(shù) ， Tl 是積分時間常數(shù)， Ti 是采樣周期?？紤] 到 系 統(tǒng) 中 的 電 動 機 的 電 動 機 常 數(shù) 時 間 0.12s，幾 個 采 樣 周 期 內 可 以 忽 略 誤 差 ， 所 以 我 們 選 擇 采 樣 周 期 2ms 的 測 速 系 統(tǒng) 。在 系 統(tǒng) 的 軟 件 設 計 模 塊 主 要 包 括 CCP1 上 升 沿 捕 捉 模 塊 ，CCP1 下 降 沿 捕 捉 模塊 ， 控 制 角 度 設 定 值 的 A/D 轉 換 模 塊 ， 測 速 電 路 脈 沖 定 時 計 數(shù) 模 塊 ， PI 調 節(jié) 器模 塊 和 CCP2 比 較 輸 出 模 塊 。假 設 我 們 得 到 過 零 時 間 T， 二 極 管 控 制 角 時 間 Td， 那 么 被 輸 入 寄 存 器 CCP2 引 腳 CCPR2H 的 值 Tf=T+Td，當比較一定時，引腳輸出的高電平使得二極管導通， 修 改 引 腳 的 值 根 據(jù) 要 求 的 脈 沖 寬 度 值 維 持 輸 出 的 高 電 平 值 ， 然 后 返 回 低 電 平 值 。雙向二極管的觸發(fā)脈沖輸出完畢。6 總結該 速 度 控 制 系 統(tǒng) 以 PIC16F877 單 片 機 為 雙 向 導 通 二 極 管 觸 發(fā) 電 路 的 設 計 具 有許 多 特 點 ， 諸 如 結 構 簡 單 ， 運 行 可 靠 ， 調 節(jié) 范 圍 寬 ， 良 好 的 電 流 連 續(xù) 性 ， 在 中 小 型快 大 小 的 直 流 電 機 速 度 控 制 系 統(tǒng) 中 的 快 速 反 應 等 特 點 。 和 轉 速 環(huán) 采 用 PI 控 制 算法 ， 能 有 效 地 抑 制 超 調 轉 速 ， 所 以 它 是 采 用 一 種 可 行 單 片 機 速 度 控 制 系 統(tǒng) ， 并 運 行曲 線 如 圖 5 所 示 。參考書目康華光.鄒收臏. 電子技術基礎：數(shù)字部分（第四版）. 北京高等教育出版社,2000. 李血海. PIC 單片機實用教程. 北京航空航天大學出版社,2002.蘇建輝. 對光伏水泵系統(tǒng)及其控制的研究. 合肥科技大學的博士學位論文,2002. 張申. 無刷直流電動機的應用原理. 北京機械工業(yè)出版社,1996.附錄表一 電機原理圖表二 硬件結構圖注；從左到右依次是主開關電路，電機激勵電路，二極管觸發(fā)電路，整流電路，平波 濾波電路，能耗制動電路。表三 主電路圖表四 觸發(fā)電路圖表五 運行圖Design of the Closed Loop Speed Control System for DC MotorThe research is financed by the Guangzhou Municipal Science and Technology KeyProjectsAbstract This article introduces the speed control principle of DC motor, expatiates on the speed control system taking PIC16F877 SCM as the main controlcomponent, utilizes the characters of catching module, comparing module and analog-to-digital conversion module in PIC16F877 SCM to be the trigger circuit, and gives the program flow chart. The system has many advantages including simple structure, synchronization with the main circuit, stable shifting phase and enough shifting phase range, the control angle of 10000 steps, stepless smooth control of motor, steep pulse front edge,enough amplitude value, setting pulse width, good stability and anti-jamming, and cheap cost, and this speed control system with good practical values can be realized easily.Keywords PIC16F877 DC motor speed control Control circuit PI control algorithm1. IntroductionThe quick development of electric technology makes the speed control of DC motor gradually translate from analog to digital, and at present, the KZ-D towage system which extensively adopts the thyristor equipment (i.e. silicon controlled hyristor, SCR) in the electrical towage control systems to supply power to electromotor has replaced cumbersome F-D system of generator-electromotor, and especially the application of SCM technology makes the speed control technology of DC motor enter into a new phase. In the DC governor system, there are many sorts of control circuit.SCM has many advantages such as high performance, quick speed, small volume, cheap price and reliable stability,extensive application and strong currency, and it can increase the ability of control and fulfill the requirement of real-time control (quick reaction). The control circuit adopting analogy or digital circuit can be implemented by SCM.In this article, we will introduce a sort of DC motor speed control system based on SCM PIC16F877.2. Speed regulation principle of DC motorIn Figure 1, the armature voltage is Ua, the armature current is Ia, the total resistance of armature loop is Ra , the motor constant is Ca , and the excitation flux is Φ .According to KVL equation, the rotate speed of the motor isn ? ?Ua ? Ia Ra ??C??（2.1）Ca ? pN60a（2.2）Ua ? Ia Ra ? UaTd ?k ? ? Td ?k ?1? ? a0e ?k ? ? a1e ?k ?1? ? Td ?k ?1? ? 0.84e ?k ? ? 0.63e ?k ?1?（2.3）（2.4）a ? ? Tf ?0 Kp ?1? T ??a1 ? Kpt ? （2.5）（2.6）Tf ? T ? Td （2.7）Where, p s the pole-pairs, N is the number of turns. For the motor that the armaturespur track number is a, the motor constant Ca=PN/60a， that means when the motor is confirmed, the value is fixed. But in Ua-IaRa,Because only the winding resistance, s I aRa is very small, and Ua-IaRa≈U a . So it is obvious that when we change the armature voltage, the rotate speed n changes with that 。3. System composition and work principle3.1 Module frame of system hardware structureThe module block diagram of system hardware is seen in Figure 2.3.2 Work principle of the systemThe system is mainly composed by master switch, motor exciting circuit, thyristor speed control circuit (including tachometer circuit), rectifying filter circuit, flat wave reactor and discharge circuit, energy consumption braking circuit, and the system adopts the closed loop PI regulator to implement control. When the master switch closes, the single-phase AC obtains continual current with small pulse through the control of thyristor speed control circuit, and bridge rectifier, filtering and flat wave reactor for the motor, and at the same time, through the rectifying of excitingcircuit, AC makes the motor obtain excitation to begin to work. The speed in the regulation trigger circuit sets the potentiometer RP1 to make the control angle output by PIC16F877 decrease when AN1 input voltage decreases, and the flow angle of thyristor increases with that, and the output voltage of main circuit increase, and the motor speed increases, and the output voltage of tachometer circuit increases, and the motor stably runs in the setting speed range through the function of PI regulator.4. Circuit designs of various parts in the system4.1 Design of main circuitThe parameters of various components in the circuit are seen in Figure 3.Press the start-up button SW, electrify the contactor KM loop, and KM normally open contact closes, and the normally closed contact opens, and start the button self-lock, the main circuit connects, and the thyristor speed control circuit controls the AC output through changing the control angle of bidirectional thyristor, and obtains the DC through bridge rectifying and filtering, and at the same time, the motor obtainsthe excitation through rectifying of exciting circuit to begin to work. To limit thepulsation of DC, connect the flat wave reactor in the circuit, and the resistance R3 offers discharge loop for the flat wave reactor when the master circuit suddenly breaks off. To quicken braking and stopping, the energy consumption braking is adopted in the equipment, and the braking part is composed by the resistance R4 and master circuit contactor normally closed contact. The motor excitation is powered by the single rectifying circuit, and to prevent the uncontrollable high speed accident induced by the excitation loss of motor, in the exciting circuit, serially connect the under-current relay KA, and the action current can be regulated through the potentiometer RP.4.2 Design of thyristor trigger circuitThe voltages at the point A and the point B in the main circuit change to 20V through the transformer, and after bridge rectifying, the half signals about 100H occur at these two points, and the signals meet with NPN audion through voltage-division R6 and R7 to amplify, produce zero passage pulse at the collector of the audion, and catch the zero passage pulse ascending edge by CCP1 module and note the time of occurrence first, and catch the zero passage pulse descending edge, and the time difference between both is the zero passage pulse width, and the half of the value is the midpoint of pulse, and by this catching mode, we can exactly obtain the actual zero passage point of AC, and at thesame time, we can utilize ADC analog/digital conversion module to translate the simulation voltage of PIC16F877 pin RA1/AN1 as the setting value of thyristor control angle (setting value of motor speed), change the setting value of potentiometer RP1 and correspondingly change the setting value of thyristor control angle, and the output value of tachometer circuit is input by the pin RA1/AN1 of PIC16F877, and the value is taken as the speed feedback value through A/D conversion. The oscillation frequency of SCM in the system adopts 4MHz, and according to the character of PIC16F877 order period, the resolution of thyristor control angle is the reciprocal of one fourth of SCM oscillation frequency, i.e. 1μ s,for the half wave time of 10ms of the power, the control angle can achieve 10000steps, which can completely realize the stepless smooth control of motor.4.3 Design of tachometer circuitThe tachometer circuit is composed by the optical coded disc accreting with motor rotor and the electric pulse amplifying and shaping circuit. The frequency of electric pulse has fixed proportion with the rotate speed of motor, and through amplifying and shaping, the electric pulse output by the optical coded disc is input from the pins RC0/T1CK1 of PIC16F877 as the standard TTL level, count by the TMR1 counter to compute the rotate speed, and compare this rotate speed with the presetting rotate speed and obtain the difference value, and PIC16F877 implements PI operation tothis difference value to obtain the control increase, and send the thyristor control angle in CCP2 to change the effective voltage of two ports of the motor, and finally control the rotate speed.5. Software designTo obtain small super modulation of thyristor control angle, we design the speed closed control as the typical I system, i.e. PI regulator, which is used to regulate the thyristor control angle time Td and its control algorithm isTd ?k ? ? Td ?k ?1? ? a0e ?k ? ? a1e ?k ?1? ? Td ?k ?1? ? 0.84e ?k ? ? 0.63e ?k ?1? （5.1）a ? ? Tf ?0 Kp ?1? T ?? t ? （5.2）Where a1=kp,kp is the proportion coefficient of controller,Tt is the integral time constant, Tiand is the sampling cycle.Considering that the motor time constant of electromotor in the system is 0.12s, the warps couldn ’ t be eliminated in several sampling cycles, so we select 2ms as the tachometer sampling cycle in the system.The software design module in the system mainly includes CCP1 ascending catching module, CCP1 descending catching module, control angle setting value A/D conversion module, tachometer circuit pulse timing counting module, PI regulator module and CCP2 comparison output module. Suppose we obtain the zero-pass time T , and the thyristor control angle time is Td, so the comparison value which is sent into CCP2 register CCPR2H:L is Tf=T+Td. and when the comparison is consistent, output high level in the pin of CCP2 to make the thyristor connect, and modify the value of CCPR2H:L again according to the required trigger pulse width value tosustain the output high level trigger pulse for certain time and return to low levelagain, so a bidirectional thyristor trigger pulse output is completed.6. ConclusionsThe speed control system taking PIC16F877 SCM as the bidirectional thyristor trigger circuit designed in the article possesses many characters such as simple structure, reliable running, wide regulation range, good current continuity and quick response in the middle and small sized DC motor speed control system, and the rotate speed loop adopts PI control algorithm, which can effectively restrain the super modulation of rotate speed, so it is a feasible design to adopt the speed control system of SCM, and the running curve is seen in Figure 5.ReferencesKang, Huaguang & Zou, Shoubin. (2000). Base of Electric Technology: Number Part (4th Edition). Beijing: Higher Education Press.Li, Xuehai. (2002). Practical Tutorial of PIC SCM. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press.Su, Jianhui. (2002). Study on the Photovoltaic Water Pump System and Its Control. Thesis of Doctor’s Degree of Hefei University of Technology.Zhang, Shen. (1996). Principle and Application of DC Brushless Motor. Beijing: Machine Industry Press.appendixFigure1.Principle Diagram of DC MotorFigure 2.Block Diagram of Hardware Structure ModuleFigure 3.Diagram of Main CircuitFigure 4. Thyristor Trigger CircuitFigure 5.Running Curve