双闭环直流PWM调速系统Word文档格式.docx
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学生姓名：
指导教师：
课程设计时间：
2013-6-17～2013-6-23
运动控制系统课程设计任务书
学生姓名
喻刚
专业班级
自动化1003
学号
201046820701
题目
双闭环直流PWM调速系统设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟
指导教师
李智强
主要内容
（参数）
利用单片机C8051F005设计双闭环直流PWM调速系统，实现以下功能：
1.控制电机在不同速度下旋转；
2．通过控制PWM脉冲的占空比来改变IGBT的输出电压；
3．实现双闭环直流调速。
直流电机参数：
220V，20KW，1500r/min,电枢电阻Ra=0.16Ω，电机过载倍
数λ=1.5，
=0.025S,
=0.24S。
任务要求
（进度）
第1-2天：
熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。
第3-4天：
按照确定的方案设计单元电路。
要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。
第5-6天：
软件设计，编写程序。
第7-8天：
撰写课程设计报告。
要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确。
主要参考
资料
[1]王晓明.电动机的单片机控制（第二版）[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2007.8
[2]张世铭,王振和.直流调速系统[M].武汉:
华中理工大学出版社,2008.5
[3]余锡存.单片机原理及接口技术[M].西安:
西安电子科技大学出版社,2007
[4]于永权.单片机在控制系统中的应用[M].北京:
电子工业出版社,2005.1
审查意见
系（教研室）主任签字：
年月日
1总体方案设计
本系统采用一个8位单片机C8051F005做主控制器。
以H型双极性可逆PWM变换器为主回路核心，采用典型的双闭环调速原理组成PWM调速系统。
C8051F005的PCA提供PWM脉冲，给定的速度值、速度反馈值和电流反馈值可以控制PWM脉冲。
改变PWM脉冲的占空比可以改变IGBT的输出电压，以此来改变直流电动机的速度。
由于C8051F005单片机内部有模/数、数/模转换模块，所以直流测速机将速度值转化为电压值，然后直接由A/D转换通道变成数字量送入单片机，从而实现转速检测。
电流检测是通过霍尔效应电流传感器由A/D转换通道变成数字量送入单片机。
整流电路采用三相桥式全控整流电路。
直流调速系统中应用最普遍的方案是转速、电流双闭环系统，采用串级控制的方式。
本设计中，转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；
电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。
转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。
转速调节器与电流调节器串极联结，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去控制PWM装置。
其中脉宽调制变换器的作用是：
用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。
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图1.1系统原理框图
2系统设计
直流电机参数：
主电路采用三相全控桥，进线交流电源：
三相380V。
根据初始条件，参照图2-1和图2-2对转速和电流环设计时所必要的参数准备如下：
图2.1双闭环直流调速系统的稳态结构框图
图2.2双闭环直流调速系统的动态结构框图
额定电流：
；
电动机电动势系数：
转速环放大系数：
电流环放大系数：
晶闸管滞后时间常数：
电流滤波时间常数：
电流环小时间常数之和：
转速滤波时间常数：
转速环小时间常数之和：
。
3系统硬件设计
3.1PWM变换器
脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。
直流电动机PWM控制系统分为不可逆和可逆系统。
不可逆系统是指电动机只能单向旋转；
可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转。
对于可逆系统，又可以分为单极性驱动和双极性驱动两种方式。
单极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的；
双极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。
本设计采用双极性驱动可逆PWM变换器。
图3.1是H型双极性可逆PWM变换器原理图。
它包含有4个IGBT管和4个续流二极管。
4个IGBT管分成两组，VT1，VT4为一组；
VT2，VT3为另一组。
同一组的IGBT管同时导通或截止，不同组的IGBT管的导通与截止是不相同的。
图3.1H型双极性可逆PWM变换器
在每一个PWM周期里，当P3.0的控制信号为高电平时，开关管VT1、VT4导通，此时P3.1的控制信号为低电平，因此VT2、VT3截止；
当P3.0的控制信号为低电平时，开关管VT1、VT4截止，此时P3.1的控制信号为高电平，因此VT2、VT3导通。
当直流电动机正转工作时，在每一个PWM周期的正脉冲区间，VT1、VT4导通，VT2、VT3截止。
在每一个PWM周期的负脉冲区间，VT2、VT3导通，VT1、VT4截止，电流的方向仍然不变，只不过电流幅值的下降速率比不可逆控制系统的要大，因此电流的波动较大。
H型双极式可逆PWM变换器的优点如下：
（1）电流一定连续；
（2）可使电动机在四象限运行；
（3）电动机停止时有微振电流，从而可以消除静摩擦死区；
（4）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍然比较宽，可以充分保证器件的可靠导通；
（5）低速时，平稳性好，系统的调速范围可达1：
20000左右。
3.2整流电路设计
整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电。
本设计采用三相桥式全控整流电路，其原理图如图3.2所示，阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；
阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。
图3.2三相桥式全控整流电路原理图
这种整流电路的输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形完全相同，故该电路为6脉动整流电路。
3.3泵升限制电路
当脉宽调速系统的电动机转速由高变低时（减速或者停车），储存在电动机和负载转动部分的动能将会变成电能，并通过双极式可逆PWM变换器回送给直流电源。
由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回送电能，电机制动时只好给滤波电容充电，从而使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。
过高的泵升电压会损坏元器件，所以必须采取预防措施，防止过高的泵升电压出现。
可以采用由分流电阻R和开关元件（电力电子器件）VT组成的泵升电压限制电路，如图3.3所示。
当滤波电容器C两端的电压超过规定的泵升电压允许数值时，VT导通，将回馈能量的一部分消耗在分流电阻R上。
在本设计中泵升电路电解电容选取C=2200μF；
电压U=450V；
VT选取IRGPC50U型号的IGBT管；
电阻选取R=20Ω。
图3.3泵升电压限制电路
3.4测速电路
直流测速发电机的输出是一个模拟量，当它与单片机接口时，必须经过A/D转换。
由于C8051F005单片机内部集成了A/D转换器，它具有8~12位的转换精度，因此，A/D转换可以全部在片内完成，没有必要再外接A/D转换器。
直流测速发电机安装在被测电动机轴上，以与被测电动机相同的转速旋转。
测速发电机的输出电压通过R13和C3组成的滤波环节后，滤去测速发电机输出的纹波，使之到达电位器Rw两端的电压是稳定的直流电压。
调整Rw的位置，使测速发电机在最大转速时，抽头所获得的电压为2.4V，R1用于限流。
图3.4直流测速发电机与单片机接口
对图3.4所示的直流测速发电机的输出进行A/D转换。
使用C8051F005的AIN0通道作为测速发电机的A/D转换输入端，使用单片机内部2.43V电压基准通过软件启动A/D转换。
3.5键盘电路
本系统采用独立式按键电路。
独立式按键是指直接用I/O口线与按键电路构成的单个按键电路。
在此形式的按键电路中，每个按键独自占用一根I/O口线，I/O口线之间的工作状态不会受到影响。
图3.5独立式按键电路图
独立式按键电路如图3.5所示，这种独立式按键电路所需器件比较少、软件编程结构比较简单，在此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻的接入保证了冷按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。
通过软件编程实现如下功能：
当按下1键时，电动机启动；
当按下2键时，电动机正转；
当按下3键时，电动机反转；
当按下4键时，电动机停止；
当按下5键时，电动机加速；
当按下6键时，电动机减速。
3.6电流检测电路
本设计采用砷化镓系列的HW300B型霍尔元件，输出霍尔电压范围122～204mV，输入、输出阻抗为240～550Ω，补偿电压为-7～7mV，温度系数为-1．8％／℃。
其输入可采用电压模式供电，也可采用电流模式供电。
这里采用电压模式供电，即就是HW300B的引脚1、3为控制输入端，而引脚2、4为霍尔电压输出端。
由磁敏霍尔元件将集磁环收集到的磁场转换为弱电信号，输出一般为几毫伏的电压，需对其进行放大。
这里采用AD620型仪器放大器，它通过改变电阻而改变放大倍数（1～1000）。
AD620的1、8引脚之间通过跨接1只10kΩ的电位器和1只75Ω的电阻来调整放大倍数。
若要改变放大倍数，可调节电位器。
AD620的引脚7、4分别接+5V、-5V的工作电压，并且分别接0．01μF的旁路电容至地，用来滤除交流成分，使输出的直流更平滑；
而其引脚3、2分别接霍尔元件的引脚2、4，其引脚6输出放大后的电压值，接反馈线圈；
引脚5是参考基准，接REF3012的引脚3，作为整个系统的地接。
其电路如图3.6
图3.6电流检测电路
4系统软件设计
双闭环直流脉宽调速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。
双闭环直流脉宽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。
4.1主程序设计
主程序完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘按键的处理以及与上位机和其他外设通信等功能。
主程序框图如图4-1所示。
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图4.1主程序框图
4.2子程序的初始化设计
子程序的初始化完成各种硬件器件工作方式的设定、各种变量的初始化以及系统运行参数的设置等。
初始化子程序框图如图4.2所示。
图4.2初始化子程序框图
4.3中断服务子程序设计
中断服务子程序包括故障检测、PWM生成、状态检测和数字PI调节等，这些都是实时性比较强的功能。
当相应的中断源提出申请，CPU就可以实时响应。
转速调节中断服务子程序框图如图4-3所示。
在转速调节中断服务子程序中，首先应保护现场，然后再由输入量计算实际的转速，完成转速PI调节，最后进行转速检测环节，为下面的调节提前做好准备。
为了使被中断的上级程序正确稳定地恢复运行，在中断返回前应该先恢复现场。
图4.3转速调节中断服务子程序框图
电流调节中断服务子程序框图如图4.4所示，主要完成的任务有：
电流PI调节、PWM信号生成、启动A/D转换、恢复现场等。
图4.4电流调节中断服务子程序框图
因为系统用单片微机来实现对直流调速的控制，有很多原来由硬件完成的工作现在用程序来实现，如双闭环调速系统中的电流和转速环节的比例积分调节过程在本系统中用程序来实现。
这两个环节的控制的实现是十分重要的。
5双闭环直流脉宽调速系统的MATLAB仿真
5.1电流环的MATLAB仿真
进入MATLAB，单击MATLAB命令窗口工具栏中的SIMULINK图标，打开SIMULINK模块浏览器窗口，建立电流环的仿真模型，如图5.1所示。
双击阶跃输入模块可以把阶跃时刻参数从默认的1改为0，把阶跃值从默认的1改为10。
单击启动仿真工具条的按钮则可启动仿真过程，再双击示波器模块就可以显示仿真结果，如图5.2所示。
从仿真结果可以看出，电流环的参数设定使得超调量小，并且动态响应快，符合设计要求。
图5.1直流电动机电流环的仿真模型
图5.2电流环仿真结果
5.2转速环的MATLAB仿真
按照前面电流环的仿真模型的建立方法，得到转速环的仿真模型，如图5.3所示。
在仿真模型中增加了一个饱和非线性模块，用其来把饱和上界和下界参数设定为+10和-10。
在电流环的仿真模型中，是用了TransferFcn模块来仿真PI调节器，在转速环的仿真模型中，而是用了Gain模块来仿真比例器，用Integrator模块个Gain模块的串接来仿真积分器，两者通过加法器模块Sum构成了PI调节器。
双击阶跃输入模块确定阶跃值的大小，得到高速启动时的波形图，如图5.4所示。
启动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段。
如果从转速调节器的角度来考虑全部启动过程，转速调节器在此三个阶段中是经历了不饱和。
饱和以及退饱和三种情况。
图5-3直流电动机转速环的仿真模型
图5-4转速环的仿真结果
6总结体会
本设计为双闭环直流脉宽调速系统，是以控制电路为核心，采用恒频脉宽调制控制方案，由C8051F005单片机以及H型双极性可逆PWM变换器构成了PWM信号的产生和驱动。
其中C8051F005产生的脉宽调制信号作为IGBT的驱动信号。
双闭环直流脉宽调速系统，具有调速简单、调速范围大、精度高、速度平稳、电流脉动小、电机温升低等优点，使调速各项性能指标大为提高。
转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。
转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
通过本次设计，使我能够充分的把握理论与实践的结合。
在本设计中我们不但要运用电机理论知识，还要充分运用单片机、电路、电力电子等方面的知识，使我们所学过的知识进行综合的应用。
增强了我对所学知识进行综合应用的能力，从而达到学以致用的目的。
纵观整个设计，经典部分是已学过的知识，通过综合设计深入理解了工程设计方法，扩展了知识面，各门课程综合应用，收益颇多，使我对直流调速系统的控制有了更深的认识。
但由于理论水平有限，仍有许多不足之处有待解决。
总之，在设计过程中，我不仅在知识上有了进一步的巩固，而且学会了独立的去发现、面对、分析、解决新问题的能力，在学到了知识的同时，又锻炼了自己的能力，使我受益匪浅。
8参考文献
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