可逆直流PWM调速系统.docx
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可逆直流PWM调速系统
新疆工业高等专科学校电气与信息工程系课程设计说明书
可逆直流PWM调速系统
专业班级：
自动化09-40
（1）班
学生姓名：
指导教师：
何颖
完成日期：
2011.06.02
新疆工业高等专科学校
电气与信息工程系课程设计任务书
10/11学年下学期2011年05月30日
专业
电气自动化
班级
09-40
（1）班
实训名称
电力电子设计
设计题目
可逆直流PWM调速系统
指导教师
起止时间
2011.05.30----2011.06.03
周数
一周
设计地点
电力电子实验室
设计目的：
1、对课程电力电子设计的进一步理解。
2、运用理论知识设计出可行的直流调速系统，仿真验证理论分析的正确性。
3、同时能够加强对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。
4、达到综合提高工程设计与动手能力的目的。
设计任务或主要技术指标：
1、总体方案的确定；
2、主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；
3、系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图；
4、控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择；
5、调节器、PWM信号产生电路的设计；
6、检测及反馈电路的设计与计算；
技术指标：
二极管1N4148单片AT89C51示波器OSCILLOSCOPE
直流电机驱动芯片L298直流电动机MOTOR-DC
设计进度与要求：
进度：
（1）根据电机与拖动实验室提供的直流电动机，设计基于PWM的电动机调速方案。
（2）选用合适的功率器件，设计电动机的驱动电路。
（3）设计PWM波形发生电路，使能通过按键对电机转速进行调节，要求至少有两个速度控制按键，其中一个为加速键（每按一次，使电机转速增加）；另一个为减速键，功能与加速键相反。
（4）撰写课程设计报告。
要求：
了解并掌握电力电子装置的一般设计方法；
初步掌握电力电子装置的组装和调试的基本技能；
提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力；
进一步掌握电子仪器的使用方法。
主要参考书及参考资料：
1、电气传动控制系统设计指导李荣生主编机械工业出版社2004.6
2、新型电力电子变换技术陈国呈中国电力出版社
3、电力拖动自动控制系统，上海工业大学陈伯时机械工业出版社
4、电力电子技术王兆安黄俊主编机械工业出版社2000.1
教研室主任（签名）系（部）主任（签名）年月日
新疆工业高等专科学校电气与信息工程系
课程设计评定意见
设计题目：
可逆直流PWM调速系统
学生姓名：
的的专业电气自动化班级09-40
（1）班
评定意见：
评定成绩：
指导教师（签名）：
年月日
评定意见参考提纲：
1.学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。
2.学生的勤勉态度。
3.设计或说明书的优缺点，包括：
学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。
摘要
当今，自动化控制系统己经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。
本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。
长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。
微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。
本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，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，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微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回顾的基础上，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。
在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。
论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术。
在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理，并给出了软、硬件实现方案。
该方案以89C52微机为核心，分别采用了8255,8253,8279,ADC0809,741914等芯片与一些外围电路。
通过实时测试与调节电动机的转速/电流，此调速系统可获得快速、精确的调速效果。
关键词：
直流可逆调速，数字触发，PWM，数字控制器
目录
前言1
1绪论2
1.1直流调速系统的概述2
1．2研究课题的目的和意义2
1．3设计内容和要求3
1.4任务3
1.5任务分析3
1.6设计方案比较与分析4
2双闭环直流调速系统设计框图5
2.1整流5
2.2控制电路的设计6
3系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成8
3.1主电路的选择与确定8
4系统的软件设计9
4.1系统的软件设计9
4.2软件设计中的特点11
5仿真设计12
5.1接线图12
5.2程序编译18
总结22
致谢23
参考文献24
前言
直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。
直流电动机具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高。
针对直流电机调速的方法也很多，目前国内外也研究了一些调速的控制器。
例如已经用于实际生产的直流电机无级电子调速控制器采用国际先进的IGBT大功率模块器件和独特自行设计的PWM微电子控制技术，以及节能反馈电路和丰富的保护功能控制电路。
适用于无轨机车、矿山井下窄轨机车、磨床、木工机械、服装制作、纺织、造纸印刷等场所。
该控制器具有调速平稳，安全可靠，提高生产效率；直流电机正反转控制简便；可以与计算机连接控制等特点。
直流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统的主要调速方式。
直流调压调速需要有专门的可控直流电源给直流电动机，随着电力电子的迅速发展，直流调速系统中的可控变流装置广泛采用晶闸管，将晶闸管的单向导电性与相位控制原理相结合,构成可控直流电源,以实现电枢端电压的平滑调节。
本设计的题目是双闭环直流电机调速系统的设计。
采用静止式可控整流器即改革后的晶闸管—电动机调速系统作为调节电枢供电电压需要的可控直流电源。
由于开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是许多需要调速的生产机械常常对静差率有要求则采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。
如果对系统的动态性能要求较高，则单闭环系统就难以满足需要。
而转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。
所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。
本设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路，本课题内容重点包括调速控制器的原理，并且根据原理对控制器的两个调节进行了详细地设计。
概括的整个电路的动静态性能，并各个部分的保护和晶闸管的触发电路设计，最后将整个控制器的电路图设计完成,并且进行仿真。
1绪论
1.1直流调速系统的概述
三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。
首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。
同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。
直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。
直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。
从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。
近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。
1．2研究课题的目的和意义
目的：
对课程电力电子的进一步理解与应用
运用控制系统的理论知识设计出可行的直流调速系统，
同时加强对一些的常用的单元电路的设计综合提高学生设计与动手能力的目的
意义：
在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。
双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。
用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。
大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。
若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。
这样，就有了建立工程设计方法的可能性。
1．3设计内容和要求
内容
用protues绘制主电路和控制电路的原理图，电路设计过程的详细说明书及仿真结果比较。
要求
了解并掌握电力电子装置的一般设计方法；
初步掌握电力电子装置的组装和调试的基本技能；
提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力；
进一步掌握电子仪器的使用方法。
1.4任务
1、总体方案的确定；
2、主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算。
3、系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图；
4、控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择；
5、调节器、PWM信号产生电路的设计；
6、检测及反馈电路的设计及计算
1.5任务分析
PWM系统在很多方面具有较大的优越性：
1）PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。
2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。
3）低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：
10000左右。
4）如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。
5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。
6）直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。
由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。
在变频调速方式中，PWM调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。
1.6设计方案比较与分析
电机调速控制模块
方案一：
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：
采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案三：
采用由达林顿管组成的H型PWM电路。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。
兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。
调速工作方式
方案一：
双极性工作制。
双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。
方案二：
单极性工作制。
单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。
由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。
PWM调脉宽方式
调脉宽的方式有三种：
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
PWM软件实现方式
方案一：
采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。
方案二：
采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围，故采用方案二。
2双闭环直流调速系统设计框图
2.1整流
直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。
如图2.1设计的总框架。
图2.1双闭环直流调速系统设计总框架
三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。
一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。
根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方法。
根据选用的方法，分别计算保护电路的各个器件的参数。
驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。
采用性能良好的驱动电路，可使是电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。
驱动电路的基本任务，就是就将信息电子电路穿来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。
本设计使用的是晶闸管，即半控型器件。
驱动电路对半控型只需要提供开通控制信号。
对与晶闸管的驱动电路叫作触发电路。
所以对晶闸管的触发电路也是重点设计。
直流调速系统中应用最普通的方案是转速、电流双闭环系统，采用串级控制的方式。
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。
本课题设计主要是设计双闭环的中两个调节器参数计算与检测。
2.2控制电路的设计
双闭环控制电路的工作原理
对双闭环控制电路的稳态工作原理的分析，可根据系统的稳态结构框图如下图（a）。
分析稳态工作原理的关键是要了解PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：
饱和-----输出达到限幅值；不饱和-------输出未达到饱和状态。
当调节器饱和时，输出为恒值，输入值的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入与输出间的联系，相当于是该调节环开环；不饱和的调节器，PI的作用使输入偏差电压都为0。
在实际的正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的，因此，只有转速调节器饱和和不饱和两种情况。
当转速调节器不饱和时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是0。
而当转速饱和时，ASR输出达到限幅值，转速环呈开环转态，转速的变化对系统不再产生作用，双闭环系统相当于一个电流无静差的单电流闭环调节系统。
在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于转速和负载电流。
PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为0，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。
当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。
这样的静特性比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。
对其启动过程的分析，由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退保和三种情况，整个动态过程就分成I、II、III三个阶段。
第一个阶段是电流上升阶段。
突加给定电压U后，经过两个调节器的跟随作用，Uc、Ud0、Id都跟着上升，但是在Id没有达到负载电流Idl以前，电动机还不能转动。
当Id》=Idl，电动机开始启动。
由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值强迫电枢电流Id迅速上升。
直到Id=Idm，Ui=Uim，电流调节器很快就压制了Id的增长，标志着这一阶段的结束，在这一阶段中，ASR很快就进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和；
第二个阶段是恒流上升阶段，是起动过程中的主要阶段。
在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给的那个Uim下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量。
为了克服这个扰动，Udo和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。
当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm，此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中ACR不应饱和，电力电子装置UPE的最大输出电压也需留有余地，这些都是设计时必须注意的。
第三阶段是转速调节阶段。
当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim，所以电动机仍在加速，使转速超调。
转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，Ui和Id很快下降。
但是，只要Id仍大于负载电流Idl，转速就继续上升。
直到Id=Idl时，转矩Te=Tl，则转速n才能到达峰值，此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，如果调节器参数整定的不够好，也会有一段振荡过程。
在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则使Id尽快跟随其给定值，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。
综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：
对其动态抗扰性能的分析，动态原理图框图如下图（b）对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。
主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。
从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。
负载扰动能够比较快的反应到被调量n上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用被调量稍远，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。
3系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成
3.1主电路的选择与确定
直流调速系统常用的直流电源有三种①旋转变流机组；②静止式可控整流器；③直流斩波器或脉宽调制变换器。
机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机还要仪态励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低。
1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图3.1晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）的原理图。
通过调节处罚装置GT的控制电压
来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压
，从而实现平滑调速。
和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不进在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。
直流斩波器-电动机系统的原理图示于，其中VT用开关符号表示任何一种电力电子开关器件，VD表示续流二极管。
当VT导通时，直流电源电压US加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。
如此反复，得到电枢端电压波形
，所示,好像是电源电压US在
时间内被接上,又在（T--
）时间内被斩断,故称“斩波”。
这样，电动机得到的平均电压为
（3-1）
式中T------功率开关器件的开关周期；
------开通时间；
------占空比，
，其中
为开关频率。
4系统的软件设计
4.1系统的软件设计
本系统编程部分工作采用KELI-C51语言完成，采用模块化的设计方法，与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别和功能、PWM脉宽控制等部分的设计。
单片机资源分配如下表：
P1^0开关1中断开控制
P1^2脉宽宽度减小电机减速
P1^3脉宽宽度增大电机加速
P2^5PWM信号输出端
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
sbitP10=P1^0;
sbitP11=P1^1;
sbitP12=P1^2;
sbitP13=P1^3;
sbitP20=P2^0;
sbitP24=P2^4;
uchartime=0;
ucharperiod=20;
ucharhigh=10;
ucharth0=0;
uchartl0=1;
bitdir;
voidtimer0（）interrupt1
{
TH0=0xfc;/*定时器初值重装载*/
TL0=0x18;
time++;
if（time==high）/*高电平持续时间结束，变低*/
{P20=tl0;
P24=th0;
}
else
if（time==period）/*周期时间到，变高*/
{time=0;
P20=tl0;
P24=tl0;
}
}
voidmain（）
{
P2=0x00;
TMOD=0x01;/*定时器0方式1*/
TH0=0xfc;/*定时器装载初值，设置脉冲信号的占空比为1／5*/
TL0=0x18;
ET0=1;/*开定时器0中断*/
TR0=1;/*启动定时器0*/
while
（1）
{
if（P10==0）
EA=1;/*开CPU中断*/
if（P11==0）
EA=0;/*关CPU中断*/
if（P12==0）
{
high=high-1;
if（high==0）
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