轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)題目： 轉(zhuǎn)凍、電流雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)4學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：班 級(jí)：專 業(yè)指導(dǎo)教師：起始時(shí)間： 2016年6月6日-6月17日摘要直流脈寬變換器，或稱為直流 PWM變換器，是在全控型電力電子器件問 世以后出現(xiàn)的能取代相控整流器的直流電源。根據(jù) PWM變換器主電路的形式 可分為可逆和不可逆兩大類。電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)只能限制電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)電流不超過某一數(shù)值，而不能控制電流保持為某一所需值。根據(jù)反饋控制原理，以某物理量作為負(fù)反饋控制，就 能實(shí)現(xiàn)對(duì)該物理量的無差控制。用一個(gè)調(diào)節(jié)器難以兼顧對(duì)轉(zhuǎn)速的控制和對(duì)電流的 控制。如果在系統(tǒng)中另設(shè)一個(gè)電流調(diào)節(jié)器， 就可以構(gòu)成電流閉環(huán)。電流調(diào)節(jié)器串 聯(lián)在

2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器之后，形成以電流反饋?zhàn)鳛閮?nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速作為外環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系 統(tǒng)。利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速， 此系統(tǒng)使直流電機(jī)具有優(yōu)良的 調(diào)速特性，調(diào)速方便，調(diào)速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，制動(dòng) 和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)的各種特殊運(yùn)行要求。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)，PWM，直流電動(dòng)機(jī)，單片機(jī)目錄摘要0一、 設(shè)計(jì)的目的及意義2二、 設(shè)計(jì)要求2三、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 43.1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理43.2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析 63.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型9四、 轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的設(shè)計(jì) 1.1.4.1、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在直流雙閉環(huán)系統(tǒng)中的作用 114.2

3、、調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)12.4.3、電流環(huán)的設(shè)計(jì)12.4.4、 速度環(huán)的設(shè)計(jì) 1.4.五、PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)16.5.1、PWM 變換器1.6.5.2、整流電路 1.8.5.3、泵升電路1.8六、控制電路的設(shè)計(jì)19.6.1、單片機(jī)1.9.6.2、測(cè)速電路 20.6.3、鍵盤電路 20.七、雙閉環(huán)可逆直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)的仿真 21八、結(jié)論23.附錄24.附錄 A24.附錄 B26.參考文獻(xiàn)28.一、設(shè)計(jì)的目的及意義1、 訓(xùn)練學(xué)生正確的應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，培養(yǎng)解決工業(yè)控制、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng) 域具體問題的能力。2、學(xué)生通過課程設(shè)計(jì)，熟悉運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)、研制的過程，軟、硬 件設(shè)計(jì)的工作方法、工作內(nèi)容

4、、工作步驟。3、對(duì)學(xué)生進(jìn)行基本技能訓(xùn)練，例如組成系統(tǒng)、編程、調(diào)試、繪圖等，使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提高動(dòng)手能力和分析問題、解決問題的能力。二、設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制 PWM 可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)控制電源采H型PWM功率放大器，其占空變化為 00.51時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出電壓為-264264v,為電機(jī)提供的最大電流為25A，速度檢測(cè)采用光電編碼器，且其輸出的 A、B兩 相脈沖經(jīng)光電隔離后獲得每轉(zhuǎn)1024個(gè)脈沖角度分辨率和方向信號(hào)；電流傳感器采用霍爾傳感器，其原、畐他電流比為機(jī)：電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.135 V min/r 數(shù) T0 =0.0025s,(Un *)N1000:1，額定電流50

5、A，已知直流電動(dòng)電流反饋濾波時(shí)間常主回路總電阻R=2.5 Q,轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)T0n=0.015s=10V,調(diào)節(jié)器ASR，ACR飽和輸出電壓 Uim*=8V,Ucm額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓=6.5V。H 型PWM功率放大器、工作頻率為源電壓264V。直流電動(dòng)機(jī)(一):(1) 輸出功率為：7.5Kw(2) 電樞額定電流 36A(3) 額定勵(lì)磁電壓110V(4) 電樞電阻0.2歐姆(5) 電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)2S(6 )額定轉(zhuǎn)速1430rpm環(huán)境條件：2KHZ，采用單極性、雙極性工作方式；直流電電樞額定電壓220V額定勵(lì)磁電流2A功率因數(shù)0.85電樞回路電感100mH電樞允許過載系數(shù)1.5(1) 電網(wǎng)

6、額定電壓：380/220V;(2) 電網(wǎng)電壓波動(dòng)：10%;(3 )環(huán)境溫度：-40+40 攝氏度；(4 )環(huán)境濕度：1090% ;控制系統(tǒng)性能指標(biāo)：(1) 電流超調(diào)量小于等于5%;(2) 空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于等于10%；(3) 調(diào)速范圍：D = 10；(4 )靜差率小于等于0.1 。三、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3.1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)盡量縮短啟、制動(dòng)過程的時(shí)間，達(dá)到圖1所示的理想過度過程曲線，完成時(shí)間最優(yōu)控制。即在過渡過程中始終保持轉(zhuǎn) 矩為允許的最大值，使直流電動(dòng)機(jī)以最大的加速度加、減速。到達(dá)給定轉(zhuǎn)速時(shí)， 立即讓電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而

7、轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。對(duì)于恒磁通的他勵(lì)直流 電動(dòng)機(jī)而言，轉(zhuǎn)矩控制就成為了電流控制。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，圖1所示的理想過度過 程只能得到近似的逼近，其關(guān)鍵是要獲得使電流保持為最大值I dm的恒流啟=制動(dòng)過程。圖1時(shí)間最優(yōu)的理想過渡過程電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)只能限制電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)電流不超過某一數(shù)值，而不能控制電流保持為某一所需值。根據(jù)反饋控制原理，以某物理量作為負(fù)反饋控制，就 能實(shí)現(xiàn)對(duì)該物理量的無差控制。用一個(gè)調(diào)節(jié)器難以兼顧對(duì)轉(zhuǎn)速的控制和對(duì)電流的控制。如果在系統(tǒng)中另設(shè)一個(gè)電流調(diào)節(jié)器， 就可以構(gòu)成電流閉環(huán)。電流調(diào)節(jié)器 串聯(lián)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器之后，形成以電流反饋?zhàn)鳛閮?nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速作為外環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速

8、 系統(tǒng)。在啟、制動(dòng)過程中，電流閉環(huán)起作用，保持電流恒定，縮小系統(tǒng)的過度過程 時(shí)間。一旦到達(dá)給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制方式，轉(zhuǎn)速閉環(huán)起主導(dǎo)作用， 而電流內(nèi)環(huán)則起跟隨作用，使實(shí)際電流快速跟隨給定值（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出）， 以保持轉(zhuǎn)速恒定。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖見圖 2，為了獲得良好的 靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都米用PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速閉環(huán)環(huán)節(jié)的原理和轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)基本一致，只不過它的輸出不再作為 電力電子變換器的控制電壓Uc，而是用來和電流反饋量作比較，故被稱為電流 給定Ui。ASR調(diào)節(jié)器和ACR調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，ASR調(diào)節(jié)器的 輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值

9、，ACR調(diào)節(jié)器的輸出電壓Ucm限制了電力 電子變換器的最大輸出電壓Udm o圖2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR-電流調(diào)節(jié)器TG-測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī)TA-電流互感器UPE-電力電子變換器U n-轉(zhuǎn)速給定電壓Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓U * -電流給定電壓Ui-電流反饋電壓3.2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析根據(jù)圖2可以很方便地繪出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示,在圖中是用帶限幅的輸出特性表示了PI調(diào)節(jié)器。圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖a-轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)俟-電流反饋系數(shù)PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特性一般存在兩種狀況：飽和一一輸出達(dá)到限幅值，不飽和一一輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和

10、時(shí)當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸 入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和， 也就是說 飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI的作用使輸入偏差電壓 U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的作用使得輸入偏差電壓U都是零，因此，u； Un nno（ 1）U* UiId（ 2）*由式（1）可得n匕；0（ 3）圖4繪制了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，圖中 CA段就是描述了兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和

11、時(shí)的靜特性，電流的大小是從理想空載狀態(tài)Id0 一直延續(xù)到Id Idm，表現(xiàn)為一條水平的特性。2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)負(fù)載的電樞電流的最大值為Idm ,如圖4中的A點(diǎn)。 在此工作點(diǎn)上，ASR的輸出已達(dá)到飽和值um，若電動(dòng)機(jī)負(fù)載繼續(xù)增大，IdL Idm， 造成n no，在此n 0的情況下，ASR的輸出維持在限幅值U：不變，轉(zhuǎn)速外 環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)*Id f Idm（ 4）IAtl圖4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性其中，最大電流Idm取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加 速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這

12、樣是下垂特性只適 合于n no的情況，因?yàn)槿绻鹡 n。,則U. U；,ASR將退出飽和狀態(tài).雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于I dm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用，但負(fù)載電流達(dá)到Idm時(shí),對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸» *出Um，這時(shí)，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的 自動(dòng)保護(hù).這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。然而,實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見圖4中虛線。3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖5是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)

13、速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，Wasr(S)和Wacr(S)分別表示了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。%jOVrr s.lot.k小_1 RR H-' -叩A(chǔ)GRI即*廠孚十11ZjJ+1AE圖5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.雙閉環(huán)系統(tǒng)的啟動(dòng)過程調(diào)速系統(tǒng)的被控對(duì)象是轉(zhuǎn)速，而設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)所期望的恒加速過程，最終以最優(yōu)的形式達(dá)到所要求的性能指標(biāo)。圖6是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在帶有負(fù)載I dL條件下啟動(dòng)過程的電流波形和轉(zhuǎn)速波圖6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過程有以下 3各特點(diǎn)：（1）飽和非線形控制：隨著ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完

14、全不同 的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的 方法來分析，不能簡(jiǎn)單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。 轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法 來抑制超調(diào)。（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間 最優(yōu)控制”，對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動(dòng)，就 是時(shí)間最優(yōu)控制。但由于在起動(dòng)過程I、 U兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng) 過程與理想啟動(dòng)過程相比還有一些差距，不過這兩段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很 小的成分，無傷

15、大局，可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略， 在各種多環(huán)控制中得到普 遍應(yīng)用。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動(dòng)過程的大部分時(shí)間內(nèi)，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實(shí)現(xiàn)理想過程。 雙閉 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和, 使在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)ASR發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中表現(xiàn)為無 靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。四、轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的設(shè)計(jì)4.1、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在直流雙閉環(huán)系統(tǒng)中的作用1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允

16、許的最大電流；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快的跟隨給定電壓U；的變化；穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差；對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流；2）電流調(diào)節(jié)器的作用：為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓U；（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化；對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用；在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程； 當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。 旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重 要的4.2、調(diào)節(jié)器的

17、具體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)用到的參數(shù)如下：直流電動(dòng)機(jī)（一）：電樞額定電壓220V額定勵(lì)磁電流2A功率因數(shù)0.85電樞回路電感100mH電樞允許過載系數(shù)1.5（1）輸出功率為：7.5Kw（2）電樞額定電流 36A（3）額定勵(lì)磁電壓110V（4）電樞電阻0.2歐姆（5）電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)2S（6 ）額定轉(zhuǎn)速1430rpm環(huán)境條件：（1）電網(wǎng)額定電壓：380/220V;（2）電網(wǎng)電壓波動(dòng)：10%;（3 ）環(huán)境溫度：-40+40 攝氏度;（4 ）環(huán)境濕度：1090%.控制系統(tǒng)性能指標(biāo)：（1）電流超調(diào)量小于等于5%;（2） 空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于等于10%;（3）調(diào)速范圍：D = 10； （4 ）靜差率

18、小于等于0.14.3、電流環(huán)的設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)電流反饋系數(shù)設(shè)最大允許電流 ldm=1.5In ，貝U ldm=1.5*36=54AKsUm=8/54=0.148V/AdmCen IRU cm30.81整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts1s20000.5 ms0.0005 s ；電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi0.0025 s電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和:按小時(shí)間常數(shù)近似處理T iTsToi0.003s。 （Ts和Toi 一般都比T1小得多,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié) ）（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：i% 5%，可按典型I型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型

19、的（3 ）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)i Tl L/R 0.5s；0 50 5電流環(huán)開環(huán)時(shí)間增益Ki 旦166.7;T i 0.003ACR的比例系數(shù)KiiR© Ks166.7 0.5 0.23.660.148 30.81（4）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率 ci K|166.7s。1）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件:ci13Ts1 1現(xiàn)為3T；贏扇666.7 166.7，滿足近似條件;2)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件:ci3現(xiàn)為3 TmTi132 0.5113s1，滿足近似條件;3) 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：鳥TsToi，298.1s1ci，滿足近似條件?，F(xiàn)為1現(xiàn)為 3lTsT

20、oi 3 1 0.0005 0.0025電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為:4.3%5%，也滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取 Ro =40 KRi KiRo 3.66*40 146 KiCi3.42 FRiC0i4T 0i0.25 F R04.4、速度環(huán)的設(shè)計(jì)(1 )確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)Ki 2Ti12 0.0030.006s ；轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù):Ton0.015s ；轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理:T n 2T i Ton 0.006 0.015 0.021s。(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則，在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前

21、設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此需要U由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型U型系統(tǒng)一選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器。典型U型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)見附錄表三。(3)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)hT n 5 0.021 0.105sU nm轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：Knh2 125 12 272.11s2;2h2T2n 2 52 0.0212nn max0.007ASR的比例系數(shù):K (h 1) CTmK n2h RT n6 0.148 0.135 22 50.0070.2 0.021815.51(4 )近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為:cnKnKn272.1110.10528.57s ;電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：i5 0.00366.6

22、7s 1cn，滿足條件;轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:(5)13 2T iTon35.14s 12 0.003 0.015cn檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h 5時(shí)， % 37.6%,不能滿足要求。按 ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)Cmaxb81.2%nnIdRC36 0.20.135n2 * 81.2%1.553.3n0 .035 %10 %滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容Rn KnR0 81551*40 32.62 MCn3.22 Fn4T OnCon1.5 FRo五、PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)本系統(tǒng)采用一個(gè)8位單片機(jī)C8051F005做主控制器。以H型雙極性可逆PWM變換器為主回路核心，采用典型的雙閉環(huán)調(diào)速

23、原理組成PWM調(diào)速系統(tǒng)。C8051F005的PCA提供PWM脈沖，給定的速度值、速度反饋值和電流反饋 值可以控制PWM脈沖。改變PWM脈沖的占空比可以改變IGBT的輸出電壓， 以此來改變直流電動(dòng)機(jī)的速度。由于 C8051F005單片機(jī)內(nèi)部有模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn) 換模塊，所以直流測(cè)速機(jī)將速度值轉(zhuǎn)化為電壓值，然后直接由A/D轉(zhuǎn)換通道變成數(shù)字量送入單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速檢測(cè)。電流檢測(cè)是通過霍爾效應(yīng)電流傳感器 由A/D轉(zhuǎn)換通道變成數(shù)字量送入單片機(jī)。整流電路采用三相橋式全控整流電路。5.1、PWM變換器圖7是H型雙極性可逆PWM變換器原理圖。它包含有4個(gè)IGBT管和4 個(gè)續(xù)流二極管。4個(gè)IGBT管分成兩組，V

24、T1，VT4為一組；VT2，VT3為另一 組。同一組的IGBT管同時(shí)導(dǎo)通或截止，不同組的IGBT管的導(dǎo)通與截止是不相II同的。圖7 H型雙極性可逆PWM變換器在每一個(gè)PWM周期里，當(dāng)P3.0的控制信號(hào)為高電平時(shí)，開關(guān)管VT1、VT4 導(dǎo)通，此時(shí)P3.1的控制信號(hào)為低電平，因此 VT2、VT3截止；當(dāng)P3.0的控制 信號(hào)為低電平時(shí)，開關(guān)管 VT1、VT4截止，此時(shí)P3.1的控制信號(hào)為高電平，因 此VT2、VT3導(dǎo)通。當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)工作時(shí)，在每一個(gè) PWM周期的正脈沖區(qū)間，VT1、VT4 導(dǎo)通，VT2、VT3截止。在每一個(gè)PWM周期的負(fù)脈沖區(qū)間，VT2、VT3導(dǎo)通, VT1、VT4截止，電流的方

25、向仍然不變，只不過電流幅值的下降速率比不可逆控 制系統(tǒng)的要大，因此電流的波動(dòng)較大。H型雙極式可逆PWM 變換器的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流，從而可以消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍然比較寬，可以充分保證器件 的可靠導(dǎo)通；（5）低速時(shí)，平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1 : 20000左右5.2、整流電路VT：XT3.VTUdi-LJL?三相橋式全控整流電路原理圖5.3、泵升電路1FC、A丿-J一200(P.7?OOOilF圖9 泵升電壓限制電路其中泵升電路電解電容選取 C=2000療；電壓U=450V : VT選

26、取IRGPC50U型號(hào)的IGBT管；電阻選取R=20 Q六、控制電路的設(shè)計(jì)6.1、單片機(jī)本設(shè)計(jì)選用C8051F005單片機(jī)。C8051F005單片機(jī)是一種與51系列單片機(jī)內(nèi)核兼容的單片機(jī)，具有高速、高性能、高集成度等優(yōu)點(diǎn)。它使用Cygnal的CIP-51 內(nèi)核，工作在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為25MHz。以下是對(duì)C8051F005單片機(jī)片內(nèi)資源的介紹:S1(1)(2)t;和EQ pF圖1010/12位多通道輸入模2dCNUP1.0¥CCPI. IPO. 0P1. 2Pt), iPI. 3P0.2Pl. 1I'". :PI. nPD. 4P1.6PI ?PU. HRESETg

27、 7Pd. m LA/V.lDpy. nxuALEPD.2(hTOFN輛P3. 31 MlP2. 7P3. dTOP2,6P3. STIPM. HPN nlfiP2. 4P3. nfi1%. JKJ. 1P2 0L67LU蟄 哥21單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)/數(shù)（ADC）；2路12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）；(3)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列（PCA），可用于PWM波發(fā)生器等;(4)4個(gè)通用16位定時(shí)器;(5)32個(gè)通用I/O 口;(6)32 KB Flash內(nèi)部程序存儲(chǔ)器;(7)片內(nèi)看門口定時(shí)器、片內(nèi)時(shí)鐘源。C8051F005單片機(jī)的引腳及其部分電路如圖10所示。6.2、測(cè)速電路測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓

28、通過 R2和C1組成的濾波環(huán)節(jié)后，濾去測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的紋波，使之到達(dá)電位器Rw兩端的電壓是穩(wěn)定的直流電壓。調(diào)整Rw的位 置，使測(cè)速發(fā)電機(jī)在最大轉(zhuǎn)速時(shí)，抽頭所獲得的電壓為2.4V，R1用于限流。對(duì)圖11所示的直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。使用C8051F005的 AINO通道作為測(cè)速發(fā)電機(jī)的 A/D轉(zhuǎn)換輸入端，使用單片機(jī)內(nèi)部 2.43V電壓基 準(zhǔn)通過軟件啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。6.3、鍵盤電路本系統(tǒng)采用獨(dú)立式按鍵電路。獨(dú)立式按鍵是指直接用I/O 口線與按鍵電路構(gòu) 成的單個(gè)按鍵電路。在此形式的按鍵電路中，每個(gè)按鍵獨(dú)自占用一根 I/O 口線, I/O 口線之間的工作狀態(tài)不會(huì)受到影響。在此電路中，按鍵輸入都采用低電平有效，上拉電阻的接入保證了冷按鍵斷 開時(shí)，I/O 口線上有確定的高電平。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)如下功能：當(dāng)按下1鍵時(shí),電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)按下2鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)按下3鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)按 下4鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止；當(dāng)按下 5鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)加速；當(dāng)按下6鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī) 減速。七、雙閉環(huán)可逆直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)的仿真使用MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳 遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB的Simulink工具箱，從元件庫中選取所需的元 件,連接好原理圖，加上激勵(lì)源，然后單擊仿真按鈕即可自動(dòng)開始，可以同時(shí)觀察復(fù) 雜的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)波形，以及得到電路性能的全