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双闭环直流脉宽调速系统设计文档格式.docx

1、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

2、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。第1 页 2 总体方案设计 本系统采用一个8位单片机C8051F005做主控制

3、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

4、。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。u n PI调PI调节产生H型直流电节器 器 PWMPWM动机 波形

5、 功率放大电路 电流测量 速度测量 图2.1 系统原理框图 第2 页 3 系统设计 直流电机参数:220V,20KW,1500r/min,电枢电阻Ra=0.16,电机过载倍 数=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,1

6、on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,90.91ANU220NUIR,NNaC电动机电动势系数: ,0.127enN第3 页 V10转速环放大系数: ,0.0057nNV10电流环放大系数: ,0.0427I1.5N1晶闸管滞后时间常数: T,0.001SS1000T,0.002S电流滤波时间常数: oiT,T,T,0.003S电流环小时间常数之和: ,iSoiT,0.01; 转速滤波时间常数:on1转速环小时间常数之和:。 T,,T,0.016S,nonkI3.1 ACR设计 3.1.1 确定时间常数 T整流装置滞后时间常数:=0.0017s; sT

7、电流滤波时间常数:=0.002 s(三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms,oiTT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,i3.1.3 选择电流调节器的参数 ,T

8、,0.012s,ACR超前时间常数; il第4 页 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,30,0.026s3.1.4 校验近似条件 ,1,K,135.1s,电流环截止频率; ciia、晶闸管装置传递函数近似条件:111,现为,满足近似条件。 ,196.1,135.1ci3T3T3,0.0017sssb、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,ciciTTTT0.12,0.0012mlmlc、小时间常数近似处理条件:11111

9、1,1,,,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 0.25 0.39 0.50 0.69 1.0 参数关系KT 1.0 0.8 0.707 0.6 0.5 阻尼比 0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3% 超调量 6.6T 4.7T 3.3T 2.4T 上升时间 tr8.3T 6.2T 4.7T 3.6T 峰值时间 tp相角稳定裕度 , 76.369.965.559.251.80.243/T 0

10、.367/T 0.445/T 0.596/T 0.786/T 截止频率 ,c第5 页 ,kRIi电流环比例系数:= K,0.011327iK,SR,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,sSii3.2 ASR 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,iKKIIT,0.014sb、转速滤波时间常数: onc、转速环小时间常数处理:T,2T,T,0.0074,0.014,0.0214s。 ,n,ion3.2.2 选择转速调节器

11、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,nh,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,n3.

12、2.4 近似校验 转速截止频率为:K,1,1N ,K,262.03,0.107s,28.03scnNN,1第6 页 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,ion3.2.5 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,nCIR3050.18,,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,

13、0.08; nn,nh,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,nK,KS601(,1)nnn转速环传递函数:K W,,,48.08,ASRn,S,SSnn3.3 系统硬件设计 3.3.1 PWM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

14、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第7 页 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。+UsT1T2IGBTIGBTD1D2P3.0P3.1D1D1M1METERT3T4IGBTIGBTD3D4P3.1P3.0D1D1-Us 图3.3 H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

15、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

16、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。第8 页 VT1VT2VT3TL1L2L1aL3L4L2bL5L6L3cVT4VT5VT6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

17、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

18、解电容选取C=2200F;电压U=450V;VT选取IRGPC50U 型号的IGBT管;电阻选取R=20。+C1R1R32200uf2020VTP2.7C2R2 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812位的转换精第9 页 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

19、,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。R136.8K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。+5V10k*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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