数字式双闭环直流调速系统设计.docx

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数字式双闭环直流调速系统设计

青岛理工大学自动化工程学院

课程设计报告

课程：

电机与运动控制系统

设计题目：

数字式双闭环直流调速系统设计

专业自动化班级机电121

姓名飞飞飞学号******

***************************

时间：

2015年7月16日

成绩：

评语：

电机与运动控制系统课程设计任务书

一、设计题目

数字式双闭环直流调速系统设计

二、目的意义：

本课程设计是自动化专业学生在学完专业课程“电机与运动控制系统”之后进行的一项实践性教学环节。

通过此环节，使学生能结合已完成的基础课、技术基础课和专业课对“电机与运动控制系统”课程的主要内容进行较为综合的实际运用，进一步培养学生应用所学的理论知识解决实际设计问题的能力，为毕业设计和将来从事实际工作奠定基础。

双闭环调速系统是工业生产中重要的拖动控制系统，应用很广泛，也是其他复杂控制的基础。

本专业学生应充分掌握速度和电流双闭环控制系统的结构、系统构成、设备及器件选择、参数整定计算以及绘制系统电路原理图等内容，并能用先进控制器实现控制策略，初步掌握设计的方法和步骤，增强独立查阅资料、分析问题和解决问题的能力，以及刻苦钻研的工作作风和严肃认真的工作态度。

三、基本参数和设计要求

（一）基本参数

直流电机：

额定功率PN=18Kw,UN=220V,IN=94A,nN=1000r/min,电枢回路电阻Ra=0.45Ω,电磁时间常数Tl=0.0297s，机电时间常数Tm=0.427s,电动势系数CE=0.2059V/r.min,过载系数

。

晶体管PWM功率放大器：

工作频率2kHz，工作方式H型双极性。

直流电源电压：

264V。

（二）设计要求

主要技术指标：

调速范围D:

0---1000r/min,额定时速度控制精度为0.1%（稳态无静差）；

PWM占空比变化为0——0.5——1时，对应输出电压为-264——0——+264V,为电机提供最大25A电流。

速度检测采用光电编码器，其输出的两相A、B脉冲经光电隔离辩相后获得每相1024个脉冲角度分辨力和方向信号。

电流检测采用霍尔电流传感器，其原副边比为1000:

1，额定电流50A。

采用双闭环控制方式。

系统具有过流、过压、过载保护等。

四、设计内容

（一）主回路选择和计算

1．选择整流器

包括：

整流二极管的选择、绝缘栅双极晶体管的选择。

2．泵升电压限制、滤波电容计算。

3．主电路保护环节的选择和计算

包括：

交流侧过电压保护、直流侧过电压保护、过电流保护

（二）控制电路设计

包括：

PWM驱动电路、反馈电路、芯片选择等

（三）控制系统的动态计算及调节器设计

包括：

ACR的参数选择、ASR的参数选择

（四）绘图

画出控制系统电路原理图（包括主电路和控制电路，采用标准图纸打印）。

（五）设计报告（说明书）要求

1.论述全面，叙述简洁，层次分明，书写清楚，图形、符号、曲线、数据等符合规范；

2.有完整的设计说明、计算过程和系统工作原理；

3.图纸清晰，规范，使用标准A×号图纸；

4.封面、任务书、图纸、须打印；课设报告摘要、正文、参考文献一律手写，统一为A4纸；

5.报告字数不少于3000字（正文）。

中、英文摘要（各不少于200字），关键字（3～5个），列出参考文献（格式规范）；

6.装订：

页面上端装订。

装订顺序：

封面，任务书，中、英文摘要，目录，正文，参考文献，附录1：

电气元部件明细表，附录2：

控制系统电路原理图。

五、设计时间

2014——2015学年第2学期第15、16周

2014-6-16

注:

学号尾数为1、6的同学选该题

摘要

直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和抑郁控制等优点，所以在电气传动中获得广泛应用。

本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细的分析了系统的原理及动态、静态性能。

然后再对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，并且对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。

在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套用双闭环调速系统，详细介绍了系统主电路、控制电路、调速电路的具体实现。

对系统的性能指标进行了实验测试，达到了设计要求。

采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并进行了动态数字仿真，同时查看仿真波形，一次验证设计的调速系统是否可行。

关键词：

直流电机直流调速系统双闭环系统仿真

Abstract

Dcspeedcontrolsystemhasawidespeedrange,highaccuracy,gooddynamicperformanceanddepressioncontroletc,andsoarewidelyusedinelectrictransmission.Fromtheworkingprincipleofdcmotor,thispaperestablishedamathematicalmodelofdoubleclosed-loopdcspeedregulatingsystem,anddetailedanalysisoftheprinciple,dynamicandstaticperformanceofthesystem.Thenthedesignofdoubleclosedloopspeedregulationsystemparameteranalysisandcalculation,andthesystemhascarriedonthesimulationofvariousparameterstosetthebasisofobtainedparameterssettingthroughsimulation.Onthebasisoftheoreticalanalysisandsimulation,thispaperdesignedasetofdeadsamplewithdoubleclosedloopspeedregulationsystem,detailedintroducesthesystemmaincircuit,controlcircuit,controlcircuitofthespecificimplementation.Experimentshavebeencarriedouttotesttheperformanceofthesystem,hasreachedthedesignrequirements.UsingcontroltoolboxofMATLABsoftwaretodcmotordoubleclosedloopspeedregulationsystemforcomputeraideddesign,andhascarriedonthedynamicdigitalsimulation,colleaguescheckthesimulationwaveform,avalidationofdesignspeedregulatingsystemisworkable.

Keywords:

dcmotorspeedregulationsystemofdcdoubleclosedloopsystemsimulation

一、设计目的

1.1课程设计的目的

通过此次课程设计，使我们能结合已完成的基础课、技术基础课和专业课对“电机与运动控制系统”课程的主要内容进行较为综合的实际运用，进一步提高应用所学的理论知识解决实际设计问题的能力，为毕业设计和将来从事实际工作奠定基础。

双闭环调速系统是工业生产中重要的拖动控制系统，应用很广泛，也是其他复杂控制的基础。

我们应充分掌握速度和电流双闭环控制系统的结构、系统构成、设备及器件选择、参数整定计算以及绘制系统电路原理图等内容，并能用先进控制器实现控制策略，初步掌握设计的方法和步骤，增强独立查阅资料、分析问题和解决问题的能力，以及刻苦钻研的工作作风和严肃认真的工作态度。

二、系统总体方案设计

2.1数字控制双闭环直流调速系统原理

图2-1数字式直流双闭环PWM调速系统原理图

根据设计任务要求整个系统原理如图1所示。

采用了转速、电流双闭环控制结构，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为PWM的控制电压。

从闭环反馈结构上看，电流调节环在里面，是内环，按典型Ⅰ型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型Ⅱ型系统设计。

为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用PI调节器并对系统进行了校正。

检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置（TA）对电流环进行检测，转速环则是采用了光电码盘进行检测，达到了比较理想的检测效果。

PWM采用8051单片机以及4858、4040共同实现，驱动电路采用了IR2110集成芯片，具有较强的驱动能力和保护功能。

2.2数字控制双闭环直流调速系统硬件结构

根据系统原理我们设计了数字控制双闭环直流调速系统硬件结构，如图2所示，系统的特点：

双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采用数字PI算法。

由软件实现转速、电流调节系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路组成。

主电路：

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。

检测回路：

包括电压、电流、温度和转速检测。

电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速（光电码盘）。

故障综合：

利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。

这也是采用微机控制的优势所在。

图2-2微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图

三、主电路设计

3.1主电路

主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。

3.1.1限流电阻

为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入时影响整流电路的正常工作，并产生附加损耗。

3.1.2泵升电压限制

当滤波电容C的端电压超过规定的泵升电压允许值时，VT导通，接入分流电路，把回馈能量的一部分消耗在分流电阻中。

对于更大功率的系统，为了提高效率，可以在分流电路中接入逆变器，把一部分能量回馈到电网中去。

3.2主电路参数计算和元件选择

主电路参数计算包括整流二极管计算，滤波电容计算、功率开关管IGBT的选择及各种保护装置的计算和选择等。

3.2.1整流二极管的选择

根据二极管的最大整流平均IF和最高反向工作电压UR分别应满足：

IF>1.1×IO（AV）÷2≈1.1*99/2=54.5（A）UR>1.1××U2=1.1×2×220=340.2（V）

选用2ZC系列的大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：

型号ZP100

额定正向平均电流IF（A）100

额定反向峰值电压URM（V）100～1600

正向平均压降UF（V）0.5～0.7

反向平均漏电流IR（MA）

6

散热器型号SL18

在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容C值，使RC≥（3～5）T/2,且有

Udmax=0.9×220×0.95=188（V）2×C≥1.5×0.02,即C≥15000uF

故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400v，标称容量为22000uF3.2.2绝缘栅双极晶体管的选择

最大工作电流Imax≈2Us/R=440/0.45=978（A）

集电极－发射极反向击穿电压（BVCEO）BVCEO≥（2～3）Us=440～660v

3.3调节器参数设计

3.3.1系统设计的一般原则

按照“先内环后外环”的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。

在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器

图3-2直流双闭环调速原理图

3.3.2调节器参数设计

电流环结构图

最大允许电流Idm=1.5×94=141（A）电枢电流范围为，A

==0.0297s=0.0005s=1/==0.

=0.5/T∑i=0.5/0.001=500=R/（β）=500*0.0297*0.45/（0.264*0.904）=28校验近似条件

电流环截止频率：

wci＝KI=500

脉宽调制变换器传递函数近似条件wci≤1/（3Ts）1/（3Ts）＝1/（3×0.00025）=666.67>500=wci

可见，满足近似条件。

小时间常数近似条件wci≤

满足近似条件。

忽略反电势对电流环影响的条件：

wci≥

满足近似条件。

＝2.96´3.3.3转速环的参数设计1111＝<＝654.03´＝´0.02971111´3TmT130.427´500>0.0005´5003TsToi30.0005

转速环结构图

速度反馈回路的滞后时间机电时间常数=0.427s约为=1ms速度环的小时间常数为=1/+=1/500+0.001=0.003s

；按跟随性能和抗干扰性能要求，取中频宽h=5，则积分时间常数为

=（h+1）/2h²²=（5+1）/（2*5*5*0.003²）=13333.333

速度调节器比例系数

检验近似条件转速环截止频率Wcn＝KNTn=13333.333*0.015=200

转速环传递函数简化条件

KI1iS=235.73T´Wcn≤

满足近似条件。

小时间常数近似处理条件

KI1=235.73Ton´Wcn≤

满足近似条件。

当h=5，查表可知，σn=37.6℅,不满足设计要求。

实际上，由于表中是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按照退饱和时的情况重新计算超调量。

由公式代入数据计算得σn=0.35℅，能够满足设计要求

3.4主电路保护电路设计

电力半导体元件虽有许多突出的优点但承受过电流和过电压的性能都比一般电气设备脆弱的多，短时间的过电流和过电压都会使元件损坏，从而导致变流装置的故障。

因此除了在选择元件的容量外还必须有完善的保护装置。

3.4.1过电压保护

过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护，前者常采用的保护措施有阻容吸收装置、吸收装置、金属氧化物压敏电阻。

这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。

1.交流侧过电压保护

阻容吸收装置接在变压器二次侧

（1）单相电路

电阻电容串联后并联在绕组两端其参数估算可以用下列公式

电阻R的额定功率应选择计算值

的2倍。

式中,

为系数,单相200V·A以下的电路

取700，单相200V·A以下的电路

取400，

为整流变压器容量；

为晶闸管的额定电压；

为等效负载电阻（

）；f为电源频率；

为变压器二次侧电压；

为容抗（

）。

电容器应采用纸质金属膜电容器。

（2）三相电路

常见的阻容吸收装置有两种接法，即三角形和星形联接

其参数

为参数，见下表；

电容器采用应采用纸质金属膜电容器，电阻值计算同单相。

不同联接时的

值

表3-1不同联接时的

值对照图

2.直流侧电压保护

电容取100

，电阻取10

。

3.4.2过电流保护设计

过电流保护使用快速熔断器实现：

它可以安装在交流侧或直流侧在直流侧与元件直接串联。

在选择时应注意以下问题

①快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。

②熔断器的额定电流

应大于溶体的额定电流。

③溶体的额定电流可按下式计算：

1.一次侧过电流保护设计:

取：

熔断器的额定电压可选400V，额定电流选220A

2、晶闸管过电流保护设计：





取

四、控制回路设计

4.1PWM控制电路

4.1.1PWM的基本原理

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。

PWM可以应用在许多方面，比如：

电机调速、温度控制、压力控制等等。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。

通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。

也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

如下图所示：

图4-1PWM脉冲宽度调制原理

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度

为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D=t1

/T是指占空比。

由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。

严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在

一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。

4.1.2PWM信号发生电路设计

PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。

当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。

在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。

两片数值比较器4585，即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2—Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。

只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。

12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。

计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2—Q9加1，当计数值小于或者等于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端为高电平。

随着计数值的增加，Q2—Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（A>B）输出端又变为低电平，这样就在U2的（A>B）端得到了PWM的信号，它的占空比为（255-X/255）*100%，那么只要改变X的数值，就可以相应的改变PWM信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。

使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。

由于单片机上电复

位时P1端口输出全为“1”，使用数值比较器4585的B组与P1端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。

4.2PWM功率放大驱动电路设计

该驱动电路采用了IR2110集成芯片，该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。

4.2.1芯片IR2110性能及特点

IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术，于1990年前后开发并且投放市场的，IR2110是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。

它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，可以达到600V，其内设欠压封锁，成本低、易于调试。

高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得MOSFET和IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。

与此同时，IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。

降低了产品成本和减少体积。

4.2.2IR2110的引脚图以及功能

引脚1（LO）与引脚7（HO）：

对应引脚12以及引脚10的两路驱动信号输出端，使用中，分别通过一电阻接主电路中下上通道MOSFET的栅极，为了防止干扰，通常分别在引脚1与引脚2以及引脚7与引脚5之间并接一个10KΩ的电阻。

引脚2（COM）：

下通道MOSFET驱动输出参考地端，使用中，与引脚13（Vss）直接相连，同时接主电路桥臂下通道MOSFET的源极。

引脚3（Vcc）：

直接接用户提供的输出极电源正极，并且通过一个较高品质的电容接引脚2。

引脚5（Vs）：

上通道MOSFET驱动信号输出参考地端，使用中，与主电路中上下通道被驱动MOSFET的源极相通。

与引脚6（VB）：

通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚3的高反压快恢复二极管，与用户

提供的输出极电源相连，对Vcc的参数要求为大于或等于—0.5V，而小于或等于+20V。

引脚9（VDD）：

芯片输入级工作电源端，使用中，接用户为该芯片工作提供的高性能电源，

为抗干扰，该端应通过一高性能去耦网络接地，该端可与引脚3（Vcc）使用同一电源，也可以分开使用两个独立的电源。

引脚10（HIN）与引脚12（LIN）：

驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率MOS器件的驱动脉冲信号输入端。

应用中，接用户脉冲形成部分的对应两路输出，对此两个信号的限制为Vss-0.5V

至Vcc+0.5V，这里Vss与Vcc分别为连接到IR2110的引脚13（Vss）与引脚9（VDD）端的电压值。

引脚11（SD）：

保护信号输入端，当该引脚为高电平时，IR2110的输出信号全部被封锁，其对应的输出端恒为低电平，而当该端接低电平时，则IR2110的输出跟随引脚10与12而变化。

引脚13（Vss）：

芯片工作参考地端，使用中，直接与供电电源地端相连，所有去耦电容的一端应接该端，同时与引脚2直接相连。

引脚8、引脚14、引脚4：

为空引脚。

4.2.3延时保护电路

利用IR2110芯片的完善设计可以实现延时保护电路。

IR2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互琐时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。

4.3PWM控制H桥双极性主电路

从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。

因此在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的。

我们可以采取双PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。

将IC1的