双闭环可逆直流脉宽调速H型PWM系统设计.docx

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双闭环可逆直流脉宽调速H型PWM系统设计

双闭环直流脉宽调速系统设计

摘要

在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着非常重要的作用。

直流电机是比较常见的一种电机，在各领域中得到了非常广泛应用。

直流电机调速问题一直是自动化领域非常重要的问题之一。

采用传统的调速系统主要有以下缺陷：

模拟电路非常容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，并且对噪声十分敏感等。

采用单片机构成的双闭环直流脉宽调速系统，其控制核心主要由触发、测速、双极性H型PWM变换电路、转速与电流控制器等组成。

本文从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用单片机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将单片机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面兼顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。

利用单片机实现对直流电动机的双闭环调速，此系统使直流电机具有优良的调速特性，调速方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，制动和反转，能满足生产过程自动化系统的各种特殊运行要求。

关键词：

双闭环，PWM，直流电动机

DesignofDCPWMSpeedRegulationSystemBasedonDoubleClosed-loopControl

Abstract

Intheageofelectricity,electricmotorplaysaveryimportantroleintheindustrialandagriculturalproductionandpeople'sdailylife.DCisamuchmorecommonformofmotorandhasbeenverywidelyusedinvariousareas.DCmotor’sspeedmutilationisoneveryimportantissueintheautomation.Thetraditionalcontrolsystemhasthefollowingshortcomings:

analogcircuitisveryeasytodriftovertimeandsensitivetonoise,producingsomeunnecessaryheatlossandsoon.

DoubleloopDCPWMspeedcontrolsystemformedbySCMismainlymadeupofthecircuitoftrigger,thecircuitofspeedmeasurement,bipolarH-PWMconversioncircuit,speedandcurrentcontrollerandothercomponents.BasedontheprincipleoftheDCspeedcontrolsystemandwegraduallyestablishamathematicalmodelofdouble-loopDCPWMspeedcontrolsystem.Weusethelatestresultsofsingle-chipmicrocomputerhardwareandsoftwaretoexploreanewcontrolmethodwhichcombinesthesingle-chipcomputerandelectricdrivecontrolsystem.Theresearchgivesattentiontoboththecomprehensivecontrolobjectandfocusesonthecontrolsection,whichincludesthehardwareandsoftwareachievingcontrolofsystem,controlstrategyandcontrolalgorithmandsoon.

Usingsingle-chipmicroprocessortoachievedouble-loopDCmotorspeedcontrol,thissystemenablesDCmotorhasexcellentspeedfeatures,easytospeed,widespeedrangeandlargeoverloadrange.Besidesthissystemcanwithstandfrequentimpactloads,brakeandreversion.Aboveall,thissystemcanmeetvariousspecialrunningrequirementsintheproductionprocessautomationsystems.

Keywords:

Double-loop,PWM,DCmotor

第一章绪论

电动机作为最主要的动力源和运动源之一，在生产和生活中占有十分重要的地位。

电动机的调速控制方法过去多用模拟法，随着单片机的产生和发展以及新型自关断元器件的不断涌现，电动机的控制也发生了深刻的变化[1]。

直流电动机控制技术是一项以直流电动机作为机械本体，融入了电力电子技术、微电子技术、单片机控制技术和传感器技术的多学科交叉机电一体化技术。

单片机在电动机控制中的应用使调速系统具有了数值运算、逻辑判断及信息处理的功能。

1.1直流电动机的调速方法介绍

直流电动机的调速方法有三种：

（1）改变电枢电阻（R）调速。

（2）改变电枢电压（U）调速。

（3）改变主磁通（

）调速。

前两种调速方法主要适用于恒转矩负载，后一种调速方法适用于恒功率负载。

串电阻调速为有级调速，调速平滑性比较差，机械特性斜率增大，速度稳定性比较差，受静差率的限制，调速范围比较小。

改变电枢电压调速为无级调速，机械特性斜率不变，速度稳定性好，调速范围比较大。

改变主磁通调速，控制方便，能量损耗比较小，调速平滑，但受最高转速限制，调速范围不大[2]。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以改变电枢电压调速方式为最好。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主要调节方式。

1.2直流调速系统用的可控直流电源

直流驱动系统电压控制的方式来调节电枢电压需要一个特殊的可控直流电源。

比较常用的可以控制直流电源有以下三个：

（1）静态控制整流器。

使用静态可控整流得到一个可调的直流电压。

（2）直流斩波器或脉宽调制转换器。

用不变的直流电源或者不可以控制的整流电源提供电能，使用电力电子开关器件斩波器或脉宽调制，从而产生可以变化的直流电压。

（3）旋转变流机组。

由交流电机和直流发电机组成单位，获得可调的直流电压。

旋转变流机组需要的设备多，体积大，费用高，效率低，安装需打地基，运行有噪声，维护不方便。

静止式可控整流器虽然克服了旋转变流机组的许多缺点，而且还大大缩短了响应时间，但闸流管容量小，汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维护麻烦，万一水银泄漏，将会污染环境，危害身体健康[3]。

目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。

同时，其对过电压、过电流都十分敏感，容易损坏器件。

由于以上种种原因，所以选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。

1.3选择PWM控制系统的理由

自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统[4]。

PWM系统在很多方面有较大的优越性：

（1）主电路线路非常简单，需要用到的功率器件比较少。

（2）开关频率比较高，电机损耗及发热都比较少，电流很容易连续，并且谐波少。

（3）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗比较小，装置效率比较高。

（4）低速性能比较好，调速范围比较宽，稳速精度比较高。

（5）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应比较快，动态抗干扰能力强。

（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

由于有上述优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了其他调速系统，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。

第二章双闭环直流脉宽调速系统的原理设计

2.1双闭环调速系统及其静特性

2.1.1双闭环调速系统的组成

图2-1是转速、电流双闭环直流调速系统电路原理图。

在此系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，这是为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用。

二者之间实行嵌套联接，或称串级联接。

图2-1双闭环直流调速系统电路原理图

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

2.1.2稳态结构图和静特性

由双闭环直流调速系统电路原理图可以很方便地画出稳态结构框图，如图2-2。

图2-2双闭环调速系统静态结构图

—转速反馈系数;—电流反馈系数

这种PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：

饱和和不饱和。

输出如果达到限幅值就是饱和，输出如果没有达到限幅值就是不饱和[5]。

当输出为恒值，输入量的变化不会再影响输出时，调节器处于饱和状态。

当PI的作用使输入偏差电压

在稳态时总是等于零时，调节器处于不饱和状态[6]。

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时，转速负反馈起主要调节作用，此时，系统表现为转速无静差。

当转速调节器处于饱和输出时，负载电流达到最大电流，电流调节器起主要调节作用，此时，系统表现为电流无静差[7]。

这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。

这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性要好得多。

2.2系统的动态校正----PI调节器设计

转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图2-3所示：

图2-3双闭环直流调速系统的动态结构图

在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况。

为了使系统同时满足动态稳定和稳态指标两方面的要求，必须设计合适的动态校正装置。

在此调速系统中，由于其传递函数的阶次不是很高，采用PID调节器的串联校正方案就可以完成动态校正的任务。

由PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并且具有足够的快速性，可是稳态精度却不高；由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，但是快速性却不高；用PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体的操作和调试却非常复杂[8]。

一般的调速系统要求以动态稳定和稳态精度为主，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI调节器。

系统设计的一般原则是：

先设计内环，后设计外环。

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。

2.3转速环与电流环的关系

外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。

这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。

图2-4是本设计的系统原理框图。

图2-4系统原理框图

第三章双闭环直流脉宽调速系统的硬件电路设计

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。

3.1双闭环直流脉宽调速系统的主电路设计

3.1.1PWM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。

3.1.2选择IGBT的H桥型主电路的理由

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是由MOSFET和GTR技术结合而成的复合型开关器件[9]。

它也是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。

选用IGBT的理由：

（1）IGBT的开关速度高，开关损耗小。

（2）在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。

本设计中选用的IGBT管的型号是IRGPC50U，它的参数如下：

管子类型：

NMOS场效应管

极限电压Vm：

600V

极限电流Im：

27A

耗散功率P：

200W

额定电压U：

220V

额定电流I：

1.2A

3.1.3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[10]。

3.1.4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=2000μF；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

3.2双闭环直流脉宽调速系统的控制电路设计

3.2.1单片机的选择

本设计选用C8051F005单片机。

C8051F005单片机是一种与51系列单片机内核兼容的单片机，具有高速、高性能、高集成度等优点。

它使用Cygnal的CIP-51内核，工作在最大系统时钟频率为25MHz。

以下是对C8051F005单片机片内资源的介绍：

（1）10/12位多通道输入模/数（ADC）；

（2）2路12位数/模转换器（DAC）；

（3）16位可编程定时器/计数器阵列（PCA），可用于PWM波发生器等；

（4）4个通用16位定时器；

（5）32个通用I/O口；

（6）32KBFlash内部程序存储器；

（7）片内看门口定时器、片内时钟源。

C8051F005单片机的引脚及其部分电路如图3-4所示。

图3-4C8051F005单片机的引脚及其部分电路

3.2.2双极型PWM的实现

基于C8051F005单片机的PWM软件实现的重要硬件支撑是该单片机内部的16位可编程定时器/计数器阵列（PCA）。

在C8051F005内实现PWM的基本过程：

首先，由控制信号的变化范围和设定的脉冲频率T，求出t时刻通过控制信号V（t）的对应正、负脉冲的持续时间。

通过给定时器赋与相应的初值从而得到正、负脉冲在单片机里的时间长度，在机器周期的同步下，定时器会从这个初值的基础上加1计数，如果产生了溢出中断就代表定时器已满，单片机上某一引脚相应的正、负电平极性的持续时间就是由这个中断所响应的服务程序所控制的。

只要上述过程是持续进行的，就可以在这个引脚上获得宽度随控制信号V（t）大小变化的PWM方波信号。

通常单片机是单极型的，实际电平0V对应单片机的逻辑0，实际电平+5V对应单片机的逻辑1。

一般来说，只能够将单极型的PWM脉冲信号从这种单片机上输出。

采用C8051F005结合软件编程实现双极型PWM控制的设计思想是这样的：

从C8051F005的一个引脚（P3.0）得到正的单极型PWM信号输出，对另一个引脚（P3.1）做相应的设计和定义，让它承担对应的负的单极型PWM信号的输出。

即当调制PWM脉宽的误差信号（这个信号是由电流传感器及测速发电机采集后经过相关处理后得到的误差信号）为正时，对应的PWM信号就从C8051F005单片机的一个引脚（P3.0）输出；当误差信号为负时，对应的PWM信号就从C8051F005单片机的另外一个引脚（P3.1）输出，虽然这个输出信号的模拟电平也是正的，但是它反映的是负值的误差信号所产生的PWM输出；当这两个引脚都没有输出时，表示误差信号是零。

通过对误差信号正负的定义和判别，再利用C8051F005单片机的两个引脚就实现了双极型的PWM[11]。

3.2.3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R2和C1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3-5直流测速发电机与单片机接口

对图3-5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。

3.2.4电流检测电路

在直流电源的正极引线上安装有霍尔电流传感器CHB-50P，它由

15V电源供电，二次电流通过测量电阻形成电流反馈信号，霍尔电流传感器的另一端连接单片机的AIN1引脚。

霍尔电流传感器CHB-50P是磁平衡式电流传感器，即原边电流在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，其补偿电流精确的反映原边电流，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。

3.2.5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3-6独立式按键电路图

独立式按键电路如图3-6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。

第四章双闭环直流脉宽调速系统的软件设计

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。

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。

在电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器就是PI调节器。

在单片微机数字控制系统中，如果采样频率非常高，可以先根据模拟系统的设计方法设计调节器，然后再对其进行离散化，从而得到数字控制器的算法[11]。

当输入的误差函数用e（t）表示、输出函数用u（t）表示时，PI调节器的传递函数如下式所示：

（4-1）

PI调节器时域表达式

（4-2）

其中Kp=Kpi为比例系数

=1/为积分系数

对上式进行离散化，将其化成差分方程，其第k拍输出为

（4-3）

式中Tsam为采样周期

位置式和增量式是数字P