双闭环直流脉宽调速系统设计.docx

1、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 .1 2 总体方案设计 .2 3 系统设计 .3 3.1 ACR设计 .4 3.1.1 确定时间常数 .43.1.2 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 3.2 ASR 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 3.3.1 PWM变换器 .7 3.3.2 整流电路设计 .8 3.3.3

2、 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 3.3.7 C8051F005单片机 . 11 4 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 . 14 5 双闭环直流脉宽调速系统的MATLAB仿真 . 17 5.1 MATLAB简介 . 17 5.2 电流环的MATLAB仿真 . 17 5.3 转速环的MATLAB仿真 . 19 6 总结体会 . 21 7 致谢 . 22 8 参考文献 . 23 附录1:硬件电路原理 . 24 西华大学课程设计说明

3、书 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。

4、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。 第1 页 西华大学课程设计说明书 2 总体方案设计 本系统

5、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

6、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。 u n PI调PI

7、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 第2 页 西华大学课程设计说明书 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，1TS

8、TS，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,90.91ANU220NUIR,NNaC电动机电动势系数:; ,0.127enN第3 页 西华大学课程设计说明书 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.

9、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。 T

10、s0.012l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,0.012s,ACR超前时间常数; il第4 页 西华大学课程设计说明书 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: 1

11、11,1，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: 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 0.25 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.

12、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 0.367/T 0.445/T 0.596/T 0.786/T 截止频率 ,c第5 页 西华大学课程设计说明书 ,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

13、,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,262.03sN2

14、2222hT2，5，0.0214n,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,n3.2.4 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 西华大学课程设计说明书 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。

15、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,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

16、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第7 页 西华大学课程设计说明书 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。 +UsT1T

17、2IGBTIGBTD1D2P3.0P3.1D1D1M1METERT3T4IGBTIGBTD3D4P3.1P3.0D1D1-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

18、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

19、接在一起的3个晶闸管(VT4、VT6、VT2)称为共阳极组。 第8 页 西华大学课程设计说明书 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

20、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=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C80

21、51F005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 西华大学课程设计说明书 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。 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