双闭环直流脉宽调速系统设计.docx
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双闭环直流脉宽调速系统设计
双闭环直流脉宽调速系统设计
西华大学课程设计说明书
1前言.......................................................................................................................12总体方案设计........................................................................................................23系统设计...............................................................................................................3
3.1ACR设计.....................................................................................................4
3.1.1确定时间常数...................................................................................4
3.1.2选择电流调节器结构.......................................................................4
3.1.3选择电流调节器的参数...................................................................4
3.1.4校验近似条件...................................................................................5
3.2ASR设计....................................................................................................6
3.2.1确定时间常数...................................................................................6
3.2.2选择转速调节器结构.......................................................................6
3.2.3选择调节器的参数...........................................................................6
3.2.4近似校验..........................................................................................6
3.2.5检验转速超调量...............................................................................7
3.3系统硬件设计.............................................................................................7
3.3.1PWM变换器..................................................................................7
3.3.2整流电路设计...................................................................................8
3.3.3泵升限制电路...................................................................................9
3.3.4测速电路..........................................................................................9
3.3.5键盘电路........................................................................................10
3.3.6电流检测电路...............................................................................11
3.3.7C8051F005单片机.......................................................................114系统软件设计....................................................................................................13
4.1主程序设计...............................................................................................13
4.2子程序的初始化设计................................................................................13
4.3中断服务子程序设计................................................................................145双闭环直流脉宽调速系统的MATLAB仿真..................................................17
5.1MATLAB简介.......................................................................................17
5.2电流环的MATLAB仿真.......................................................................17
5.3转速环的MATLAB仿真.......................................................................196总结体会...........................................................................................................217致谢...................................................................................................................228参考文献...........................................................................................................23附录1:
硬件电路原理...........................................................................................24
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1前言
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。
流电动机控制技术是一项以直流电动机作为机械本体，融入了电力电子技直
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。
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。
PWM系统在很多方面有较大的优越性:
主电路线路非常简单，需要用到的功率器件比较少;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;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;低速性能比较好，调速范围比较宽，稳速精度比较高;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;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。
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2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。
unPI调PI调节产生H型直流电
节器器PWMPWM动机波形功率放
大电路
电流测量
速度测量
图2.1系统原理框图
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3系统设计
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。
TmTl
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3-2和图3-3对转速和电流环设计时所必要的参数准备如下:
图3.1双闭环直流调速系统的稳态结构框图
E（S）IdL（S）
--**++Id（s）+U（S）n（s）U（S）111Rk1/RniSACRASRT，1T，1CTS，1TSTS，1+lSemonoi
--Ui（s）
Un（s）,
TS，1oi电流环
TS，1on
图3.2双闭环直流调速系统的动态结构框图
3P20*10N额定电流:
;I,,,90.91ANU220N
UIR,NNaC电动机电动势系数:
;,,0.127enN
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V10转速环放大系数:
;,,,0.0057nN
V10电流环放大系数:
;,,,0.0427I1.5N
1晶闸管滞后时间常数:
;T,,0.001SS1000
T,0.002S电流滤波时间常数:
;oi
T,T，T,0.003S电流环小时间常数之和:
;,iSoi
T,0.01;转速滤波时间常数:
on
1转速环小时间常数之和:
。
T,，T,0.016S,nonkI
3.1ACR设计
3.1.1确定时间常数
T整流装置滞后时间常数:
=0.0017s;s
T电流滤波时间常数:
=0.002s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms，oi
TT为了基本滤平波头，应有（1,2）=3.3ms，因此取=2ms=0.002s）;oioi
电流环小时间常数之和:
TTTT,T，T按小时间常数近似处理（和一般都比小得多,可以当作小soil,isoi惯性群近似地看作是一个惯性环节）。
3.1.2选择电流调节器结构
5%,根据设计要求:
，并保证稳态电流无差，可按典型?
型设计电流调i
节器。
电流环控制对象是双惯性型的，所以把电流调节器设计成PI型的。
Ts0.012l检查对电源电压的抗扰性能:
，,,3.24,10Ts0.0037,i
3.1.3选择电流调节器的参数
T,0.012s,ACR超前时间常数;il
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0.50.5,1电流环开环时间增益;K,,,135.1sIT0.0037i,
KR135.1，0.012，0.18IiACR的比例系数。
K,,,0.37iK,30，0.026s
3.1.4校验近似条件
1,K,135.1s,电流环截止频率;cii
a、晶闸管装置传递函数近似条件:
111，现为，满足近似条件。
,,,196.1,135.1ci3T3T3，0.0017sss
b、忽略反电动势对电流环影响的条件:
111,1，现为，满足近似条件。
3,3,3，,79.06s,,ciciTTTT0.12，0.0012mlml
c、小时间常数近似处理条件:
111111,1,，,161.69s,,，现为，满足近似条,,cici3TT30.0017，0.00253TTsoisoi
件。
4.3%,5%,d、电流环可以达到的动态指标为:
，也满足设计要求。
i
表3.1典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系
0.250.390.500.691.0参数关系KT
1.00.80.7070.60.5阻尼比ζ
0%1.5%4.3%9.5%16.3%超调量σ
6.6T4.7T3.3T2.4T上升时间tr
8.3T6.2T4.7T3.6T峰值时间tp
相角稳定裕度γ,,,,,76.369.965.559.251.8
0.243/T0.367/T0.445/T0.596/T0.786/T截止频率,c
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kRIi电流环比例系数:
=K,0.011327iK,S
R,R，Ra，R,0.11131,（总电阻）;recL
KKs（，1）0.8091iii电流环传递函数:
。
WK,,，,0.011327，ACRi,s,sSii
3.2ASR设计
3.2.1确定时间常数
11a、电流环等效时间常数:
;,2T,2，0.0037,0.0074s,iKKII
T,0.014sb、转速滤波时间常数:
;on
c、转速环小时间常数处理:
T,2T，T,0.0074，0.014,0.0214s。
n,ion
3.2.2选择转速调节器结构
按跟随和抗扰性能都能较好的原则，在负载扰动点后已经有了一个积分环节，为了实现转速无静差，还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，因此需要?
由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型?
型系统—选用设计PI调节器。
典型?
型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三。
3.2.3选择调节器的参数
hT,5，0.0214,0.107s,ASR超前时间常数:
n,n
h，15，1,2转速开环增益:
K,,,262.03sN22222hT2，5，0.0214n,
ASR的比例系数:
hCT（，1）6，0.026，0.2，0.12emK,,,6.48nh,RT22，5，0.015，0.18，0.0214,n
3.2.4近似校验
转速截止频率为:
K,1,1N,,,K,,262.03，0.107s,28.03scnNN,1
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11,1a、电流环传递函数简化条件:
，满足条件。
,54.05s,,cn5T5，0.0037i,
b、转速环小时间常数近似处理条件:
1111,1,，,32.75s,,。
cn32TT32，0.0037，0.014,ion
3.2.5检验转速超调量
37.6%,，不能满足要求。
按ASR退饱和的情况计算超调量:
当h=5时，n
CIR3050.18,，dmaxr，，满足设计要求。
n274.5,81.2%,,,,nminCC0.2be
转速环时间常数:
按跟随和抗扰动性能都较好的原则，，所以h取5,,hT,0.08;nn,n
h，1k转速环开环增益:
;,,468.75N22hT2,n
hCT（，1）em转速环比例系数:
k;,,48.08nh,RT2,n
K,KS601（，1）nnn转速环传递函数:
KW,,，,48.08，ASRn,S,SSnn
3.3系统硬件设计
3.3.1PWM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3.3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
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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。
+Us
T1T2IGBTIGBTD1D2P3.0P3.1D1D1
M1
METERT3T4IGBTIGBTD3D4P3.1P3.0D1D1
-Us
图3.3H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。
3.3.2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3.4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。
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VT1VT2VT3
TL1L2L1a
L3L4L2b
L5L6L3c
VT4VT5VT6
图3.4三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。
3.3.3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3.5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。
+
C1R1R3
2200uf2020
VT
P2.7C2R2
2200uf20
-
图3.5泵升电压限制电路
3.3.4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
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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。
R13
6.8K
测速发电机
T5M2R14W1C3AIN0发动机
1.5K10UF10K
图3.6直流测速发电机与单片机接口
对图3.6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。
3.3.5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。
+5V
10k*6
P1.01键启动
P1.12键转动
P1.23键反转
P1.34键停止
P1.45键加速
P1.56键减速
GND
图3.7独立式按键电路图
独立式按键电路如图3.7所示，这种独立式按键电路所需器件比较少、软件
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