PWM直流脉宽调速系统毕业设计.docx

1、PWM直流脉宽调速系统毕业设计PWM直流脉宽调速系统毕业设计摘 要以电力电子学和电机调速技术为基础，本文设计了一种基于直流脉宽调速控制技术的直流电机调速系统。为了得到较好的动静态性能，该控制系统采用了双闭环控制，同时速度调节器和电流调节器都选用PI调节器。本调速系统采用半桥型电路作为主电路,它相当于降压斩波电路和升压斩波电路的串联组合,选用全控型器件IGBT作开关器件。控制电路以集成PWM控制器SG3525为核心,3525输出的脉宽调制信号经LM1413放大后作为IGBT的驱动信号。实验证明本调试系统直流电压大小调节和电机可逆运行的实现非常方便，并具有较硬的静特性和机械特性。 关键词: 升/降

2、压斩波电路；SG3525；直流脉宽调速AbstractOn the basis of Power Electronic and electric motor speed adjusting technology, the calibrator designs a speed adjusting system in which Pulse Width Modulation (PWM) controlling technology is used to control D.C. motor. Dual closed loop controlling technic is alse adopted

3、so that the sysetem has satisfactory steady-state and dynamic characters. The system uses single chip micro computer as an auxiliary unit.Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is selected as power semiconductor on-off element in the system The thesis explains the principle of PWM controlling. The

4、 special integrated PWM controller-SG3525 which can help us realize PWM control easily is elaborated , this chips internal structure and its peripheral circuit are analyzed, and its applying example in this system is given.Key words: Boost/Buck chopper；SG3525；DC Pulse Width speed control过渡过程作为典型的抗扰过

5、程。1.3课题来源目前，直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。目前国内各大专院校，科研单位和厂家也都在开发直流调速装置，但大多数调速技术都是结合工业生产中，而在民用中应用相对较少，所以应用已有的成熟技术开发性能价格比高，具有自主知识产权的直流调速单元，将有广阔的应用前景。直流斩波电路原理实验和直流电机的PWM调速实验都是电力电子技术课程要求必须开设的实验。本课题是应生产教仪的厂家的需要,研制开发出一套控制平滑、稳定、经济、实用、简便、可靠性高、操作方便的直流调速控制挂箱以供大中专院校实验教学之用,利用该挂箱设备可以进行

6、的实验项目有: 降压斩波电路实验升压斩波电路实验可逆直流PWM调速实验，实现了斩波实验电路与可逆PWM调速实验电路的兼容。1.4文献综述1.4.1 PWM直流调速系统研究直流电动机因其可以方便地通过改变电枢电压和励磁电流实现宽范围的调速而得到广泛的应用调节电枢串联电阻来改变电枢上的电压，是最经典的直流电机调速方法，有相当部分的电能消耗在所串联电阻上，很不经济。80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广但晶闸管斩波调速器不足之处是晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现换流电容和电感增加了装置的成本，也增加了换流损耗；电源电压下降还

7、会导致换流失败，使系统的可靠性降低；此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高(一般在300Hz以下)，电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重。因此直流斩波调速呼唤快速自关断器件。于是90年代出现了以IGBT为代表，具有自关断能力并可在高速下工作的功率器件作为开关元件的PWM直流调速系统成为更为先进的直流调速方案2。随着电力电子技术的发展和新型电力电子器件的不断涌现，直流PWM 驱动技术近年来发展更加迅速，由其构成的调速系统也已成为现代调速系统的佼佼者，受到越来越多电气控制技术人员的重视。传统的PWM 直流传动系统常采用的主功率元件一般为功率晶体管(GTR)

8、，随着驱动对象的日益复杂和系统性能及可靠性的逐步提高，采用场控器件- - 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的逐渐增多，这里就是采用IGBT作为主电路的控制元件。1.4.2 PWM直流调速系统设计理论分析基于80Cl96KC控制的双闭环直流调速系统电路。主要由电机转速、电流检测电路；转速、电流双闭环单片机PI数字调节器；功率调节电路；直流电机；保护电路等组成，系统硬件主要由80C196KC单片机、外部存储器、驱动芯片TC787、光电编码器、8279键盘显示电路等构成。实现显示、命令输入、循环检测、过压过流保护及软件PI调节功能。80C196KC单片机是INTEL公司新一代高性能、低功耗l6位单片机

9、，具有丰富的软硬件资源和较强的抗干扰能力，它是MCS96系列的芯片中第三类产品，内含AD转换。具有四个高速输入口和六个高输出口 。具有以下显著特点：算术逻辑单元采用寄存器一寄存器结构，消除了一般CPU中存在的累加器瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力；采用垂直窗口技术，大大加速了程序运行速度和精简了程序结构。在中断服务程序或子程序中，其优点尤其显得突出。增添了新的256字节寄存器，使得每个服务程序都可能拥有自已的寄存器组，而在服务程序的人口和出口处，可以用简单的垂直窗口切换代替常用的人栈和出栈指令。具有外设事务服务器，能有效地处理中断事务。外设事务服务器PTS(Peripheral Tran

10、saction Serve)对中断能提供一种类似直接存储器访问DMA(Direct Memory Access)的响应，CPU 的开销比一般的中断响应少得多。本系统中，对转速的测量、AD转换、闭环运算和发触发脉冲，都对实时性要求很高，鉴于以上特点，80C196KC能够满足系统的要求，并极大地提高了系统的运行可靠性及控制策略的灵活性，同时也将提高系统的控制精度。 双闭环直流调速系统引入80C196KC单片机控制后，整个系统硬件结构简单、运算速度快、逻辑判断能力强，静动态特性良好，抗负载及电网电压扰动能力强，稳速精度高，节省了设备的投资、提高了设备的利用率，在自动控制系统的实验与科研以及工业电力拖

11、动装置的改造等方面具有较好的应用价值13。 基于模拟电路仿真的双闭环直流调速系统课程设计。介绍了一种基于模拟电路仿真实验平台实现双闭环直流调速系统课程设计的方法，该方法利用计算机完成实验数据的采集、存储和计算处理，根据实验结果可以准确直观地分析转速一电流双闭环调速系统的起动过程及动态抗扰性能，可方便地设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其对系统性能的影响，取得了很好的教学效果。该方法亦可用于对其他类型自控系统的分析设计。利用模拟电路仿真实验平台实现双闭环直流调速系统课程设计，生动直观地再现了调速系统的起动过程及抗扰过程，说明了调节器的有关设计问题，将抽象的理论问题变得直观易懂，取得了较好的

12、教学效果，该方法同样适用于学生学习设计其他各种自动控制系统。 基于MATLAB的双闭环可逆直流调速系统的仿真研究。对双闭环无环流可逆直流调速系统进行了计算机仿真研究。双闭环可逆直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整。运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难。随着计算机技术的发展，在软件和硬件方面提供了良好的设计平台。该文运用MATLAB软件建立了调速系统的仿真模型。在建立系统计算机仿真模型时，由于系统复杂，首先利用MATLAB的子系统模块将主电路和触发电路封装成一个子系统；然后将子系统与其他模块一起组成整个调速系统的仿真模型。利用SLMULINK中仿

13、真功能对系统进行了仿真，仿真的结果证明了该方法的可行性、合理性。利用仿真技术可以很大程度地减少双闭环可逆直流调速系统设计和调试强度。 此外还有由单片微机控制的IGBT-PWM直流调速系统11。单片微机由于体积小，重量轻，功能全，价格便宜，在电气传动实时控制系统中越来越受到重视和普遍应用。利用单片微机逻辑功能强和软件灵活的优点，不仅可使很多控制硬件软件化，且便于参数的设定和调整，同时可以对系统工作中的各种信息数据作诊断，检洲并及时处理，加强实时维护和提高控制系统的可靠性。由单片微机控制的IGBT-PWM调速系统是一种新型的控制系统，由于IGBT是一种高频垒控型器件，可方便地控制其通断，因此由它组

14、成的控制系统除结构简单外，更具有开关频率高、主回路脉动成分系统采用单闭环结构，省去了电流环，而电流环的作用则由反电势跟踪控制来取代。使系统在动态过程中输出最大电流，以加快过渡过程。由于用单片微机实现了全数字控制。它不仅简化了系统的结构，而且使系统具有良好的动静态特性。由于调速系统采用了徽机控制，使系统结构得以简化，且系统参数可调，使系统得动静态特性得以优化。1.4.3 如何设计好PWM直流调速系统 在转速的比例控制系统中，提高放大器的电压放大倍数，只能减小静差，而不能消除静差。要想消除静差，就必须在放大器中增加一个积分环节，使放大器变成比例积分(PI)控制器。PI反馈网络是由一些电阻和电容组成

15、的线性网络。其中有一个可变电阻器和一个可变电容器。可变电阻器用于PI控制器的比例度值的调节。可变电容器用于P1控制器的积分时间的调节。在转速的PI控制系统中，只要有静差的存在，积分环节就要工作，一直到静差为0时，积分环节才停止工作。积分环节能完全消除静差。 在生产实际中会出现这样的现象：虽然转速的偏差的绝对值不大，但是它的变化速度却很快。PI控制对于这样的偏差(动偏差)的控制力度很小。因此，这个快速变化的偏差很快就会造成很大的偏差。等到大的偏差出现后，再来实施控制，已经为时过晚，这样必定会使控制精度大幅度地下降。为了及时消除这种快速变化的转速偏差，必须在PI控制器中再引进一个微分(D)环节使P

16、I控制器变成PID控制器。具体的作法是：在PI控制器的反馈网络中再增加一个微分环节就可以了。在微分环节中设置一个可变电容器，用来调节微分时间值。将PI控制系统中的PI控制器换成PID控制器，就成了转速的PID控制系统。当绝对值很小而变化速度很快的转速偏差出现后，PID控制器中的微分环节就会输出一个很大的控制电压，来提前对转速作相应的大幅度的调整，这样就避免了今后大的速度偏差的出现，使控制精度大幅度地提高。对于PID控制器，可以用工程整定的方法确定出一组最佳的比例度、积分时间和微分时间的值，使转速控制达到最佳的效果这时，转速的最大超调量最小，调节时间最短。或者说，此时控制精度最高，控制速度最快1.5直流电机参数 直流并励电动机 型号：ZYDJ04 功率：PN=150W 电枢电压：UN=220V 电枢电流：IN=1.06A 测速发电机： 48V/2400r/min第2章 PWM直流调速系统