表1.13 双闭环控制直流调速系统电流调节器参数和滤波器参数3.仿真与分析设置双闭环控制直流调速系统模型参数后，再设置仿真参数，仿真算法取ode15s，仿真时间预定为3s，启动仿真得到的转速和电枢电流波形如图1.56所示。......
2023-06-19
微机双闭环直流调速控制系统
【摘要】：作为微机控制的全数字式双闭环直流电动机调速系统，其给定信号的输入是数据指令，通常由上位微型计算机通过串行或并行等通信方式来确定直流调速系统的速度和工作方式。微机控制的双闭环直流电动机调速系统的软件有主程序、初始化子程序和中断服务子程序等。
采用微型计算机（微机）来实现双闭环直流电动机调速系统的控制，用全数字方式取代传统的模拟控制方式，不仅提高了系统的可靠性、灵活性，而且还为整个系统的多功能、智能化提供了必要条件。
微机控制的双闭环直流电动机调速系统的组成框图如图8-1所示，就控制规律而言，微机控制的双闭环直流电动机调速系统，与用模拟器组成的双闭环直流调速系统完全等同。微机控制的双闭环直流调速系统与模拟控制的双闭环直流调速系统的区别主要在于：
（1）原来用电压量表示的给定信号现在改为用数字量给定，转速反馈信号直接由数字式测速装置光电编码器PG获得，电流反馈信号可以经过A/D转换后成为数字信号输入到微机系统中；
（2）用数字式转速调节器、电路调节器代替模拟调节器；
（3）直接采用数字PWM信号发生器产生PWM信号，从而构成微机控制的双闭环直流电动机调速系统。
图8-1 微机控制的双闭环直流调速系统框图
微机控制的双闭环直流电动机调速系统的硬件结构原理图如图8-2所示，主要由主电路、检测电路、数字控制器、微机单元等部分组成。
1）主电路
图8-2 微机控制的双闭环直流调速系统原理图
三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电，PWM变换器通常选用直流PWM功率变换器。
2）检测回路
检测回路包括电压、电流、温度和转速检测通道，检测回路将信号变为数字量送入微机，转速检测用数字测速，电压、电流、转速和温度检测既可用输出为模拟量的传感器，经过A/D转换后将信号送至微机，也可直接用数字测量方法，将信号直接送入微机。由图8-2可知，在本系统中，最重要的检测为电流检测和转速检测，下面分别介绍电流检测回路和转速检测回路的组成。
（1）电流检测回路。
电流检测主要由霍尔元件实现，由于电动机电枢电流可能是双极性的（正向的和反向的电枢电流），与之相对应霍尔元件输出的信号也是双极性的弱电流信号，因此需要对霍尔元件的输出信号进行滤波和放大。在电流检测回路中，要进行计算机的检测计算，还需要将经过滤波和放大的模拟信号转换成计算机可以接收的数字信号。在系统设计时，可选用满足测量精度要求的A/D转换器件，将模拟信号转换为数字信号。
（2）转速检测回路。
转速检测由光电脉冲编码器实现，光电脉冲编码器的安装与电动机转子同轴，它输出的A、B脉冲信号进入微机控制电路之前，必须经过光电隔离，防止电磁干扰影响微机控制电路的正常工作。当电动机高速运行时，A、B脉冲信号的频率也很高，要求光电隔离器件有比较快的响应速度。
由于电动机要正、反转运行，因此还需要对A、B脉冲进行分频和鉴相，产生A、B脉冲的4倍频、2倍频、4分频、2分频信号和电动机的转向信号，这些信号才可以输出到微机中进行计数、定时和处理，进行转速测量。
（3）数字给定信号。
作为微机控制的全数字式双闭环直流电动机调速系统，其给定信号的输入是数据指令，通常由上位微型计算机通过串行或并行等通信方式来确定直流调速系统的速度和工作方式。一旦上位微型计算机和直流调速系统实现了通信联系，不仅可以通过上位微型计算机给直流调速系统发送各种各样的运行命令，还可以随时修改调速系统的参数、显示其运行过程中的状态变量，为系统调试提供了极大的方便。
3）数字控制器
数字控制器是系统的核心，可选用专为电动机控制设计的2000系列、DSP或其他电动机控制用的单片机，并配以显示、键盘等外围电路，通过通信接口与上位微型计算机或其他外设交换数据。这种微机芯片本身都带有A/D转换器、通用I/O接口和通信接口，还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能，可大大简化数字控制系统的硬件电路。
2.微机控制的双闭环直流调速系统的软件结构
微机控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。微机控制的双闭环直流电动机调速系统的软件有主程序、初始化子程序和中断服务子程序等。
1）主程序
主程序在完成系统初始化后，可以完成一些实时性要求不高的工作，例如键盘处理、显示、与上位微型计算机和其他外设通信等。微机控制系统的主程序框图如图8-3（a）所示。
图8-3 微机控制的双闭环直流电动机调速系统软件框图
2）初始化子程序
初始化子程序主要完成硬件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等任务，初始化子程序是保证微机控制系统正常工作的基本条件。
3）中断服务子程序
中断服务子程序完成实时性强的工作，如PWM生成、状态监测和数字PI调节等。在双闭环直流电动机调速系统中需要分别对转速和电流进行调节，因此设置了转速调节和电流调节两个中断服务子程序。中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。
转速调节中断服务子程序框图如图8-3（b）所示。进入转速调节中断服务子程序后，首先应保护现场，再计算实际转速，完成转速PI调节，最后进行转速检测，为下一步调节做准备。在中断返回前应恢复现场，使被中断的上级程序正确、可靠地恢复运行。
电流调节中断服务子程序框图如图8-3（c）所示，主要完成电流PI调节和PWM生成，然后进行A/D转换，为下一步调节做准备。
转速调节和电流调节均可采用定时中断。需要注意的是，电流调节器在内环，转速调节器在外环。选择定时时间常数时，转速定时时间常数应大于电流定时时间常数。
3.应用说明
直流调速系统具有良好的调速特性，在容量不是很大、速度不是很高、要求高精度的调速系统中仍然有一定应用价值。在冶金、轻工、物流等行业有应用场合。
采用PI调节的转速、电流双闭环控制使系统静态、动态的性能均得到改善。应用微机控制容易实现数字给定、数字反馈和数字调节，但是为了提高系统的快速性，也有采用模拟调节器来实现PI调节的，要根据实际系统的具体要求，完成方案的分析对比，确定方案后，再进行系统硬件和软件的设计。
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