轉速電流雙閉環(huán)可逆直流PWM調速系統(tǒng)設計

1、 課程設計題目：轉速、電流雙閉環(huán)可逆直流 PWM調速系統(tǒng)設計學生姓名：學 號：班 級:專 業(yè)：指導教師：起始時間： 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。電流截至負反饋環(huán)節(jié)只能限制電動機的動態(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，以某物理量作為負反饋控制，就能實現(xiàn)對該物理量的無差控制。用一個調節(jié)器難以兼顧對轉速的控制和對電流的控制。如果在系統(tǒng)中另設一個電流調節(jié)器，就可以構成電流閉環(huán)。電流調節(jié)器串聯(lián)在轉速調節(jié)器之

2、后，形成以電流反饋作為內環(huán)、轉速作為外環(huán)的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。利用單片機實現(xiàn)對直流電動機的雙閉環(huán)調速，此系統(tǒng)使直流電機具有優(yōu)良的調速特性，調速方便，調速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，制動和反轉，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)的各種特殊運行要求。關鍵詞：雙閉環(huán)，PWM，直流電動機，單片機目錄摘要1一、設計的目的及意義3二、設計要求3三、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)43.1、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的原理43.2、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性分析63.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型8四、轉速環(huán)、電流環(huán)的設計104.1、轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器在直流雙閉環(huán)系統(tǒng)中的作用104.2、調節(jié)器的具體設計104.3、電流環(huán)的設

3、計114.4、速度環(huán)的設計12五、PWM可逆直流調速系統(tǒng)145.1、PWM變換器145.2、整流電路155.3、泵升電路16六、控制電路的設計166.1、單片機166.2、測速電路176.3、鍵盤電路17七、雙閉環(huán)可逆直流PWM調速系統(tǒng)的仿真18八、結論20附錄21附錄A21附錄B22參考文獻23一、設計的目的及意義1、訓練學生正確的應用運動控制系統(tǒng)，培養(yǎng)解決工業(yè)控制、工業(yè)檢測等領域具體問題的能力。 2、學生通過課程設計，熟悉運動控制系統(tǒng)應用開發(fā)、研制的過程，軟、硬件設計的工作方法、工作內容、工作步驟。 3、對學生進行基本技能訓練，例如組成系統(tǒng)、編程、調試、繪圖等，使學生理論聯(lián)系實際，提高動手

4、能力和分析問題、解決問題的能力。二、設計要求：設計一個轉速、電流雙閉環(huán)控制PWM可逆直流調速系統(tǒng)，電動機控制電源采用H型PWM功率放大器，其占空變化為00.51時，對應輸出電壓為-264264v,為電機提供的最大電流為25A，速度檢測采用光電編碼器，且其輸出的A、B兩相脈沖經(jīng)光電隔離后獲得每轉1024個脈沖角度分辨率和方向信號；電流傳感器采用霍爾傳感器，其原、副邊電流比為1000:1，額定電流50A，已知直流電動機： 電動勢系數(shù)=0.135 V·min/r , 主回路總電阻,。電流反饋濾波時間常數(shù)=0.0025s,轉速反饋濾波時間常數(shù)=0.015s。額定轉速時的給定電壓(Un*)N

5、=10V,調節(jié)器ASR，ACR飽和輸出電壓Uim*=8V,Ucm =6.5V。H型PWM功率放大器、工作頻率為2KHZ，采用單極性、雙極性工作方式；直流電源電壓264V。直流電動機(一)： （1）輸出功率為: 電樞額定電壓220V （2）電樞額定電流 36A 額定勵磁電流2A （3）額定勵磁電壓110V 功率因數(shù) （4）電樞電阻歐姆 電樞回路電感100mH （5）電機機電時間常數(shù)2S 電樞允許過載系數(shù)（6）額定轉速 1430rpm環(huán)境條件:（1）電網(wǎng)額定電壓: 380/220V; （2）電網(wǎng)電壓波動: 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

6、標:（1）電流超調量小于等于5%;（2）空載起動到額定轉速時的轉速超調量小于等于10%;（3）調速范圍：D10;（4）靜差率小于等于0.1 。三、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的原理對于經(jīng)常正、反轉運行的調速系統(tǒng)，應盡量縮短啟、制動過程的時間，達到圖1所示的理想過度過程曲線，完成時間最優(yōu)控制。即在過渡過程中始終保持轉矩為允許的最大值，使直流電動機以最大的加速度加、減速。到達給定轉速時，立即讓電磁轉矩與負載轉矩相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。對于恒磁通的他勵直流電動機而言，轉矩控制就成為了電流控制。實際上，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，其關鍵是

7、要獲得使電流保持為最大值的恒流啟=制動過程。圖1 時間最優(yōu)的理想過渡過程電流截止負反饋環(huán)節(jié)只能限制電動機的動態(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，以某物理量作為負反饋控制，就能實現(xiàn)對該物理量的無差控制。用一個調節(jié)器 難以兼顧對轉速的控制和對電流的控制。如果在系統(tǒng)中另設一個電流調節(jié)器，就可以構成電流閉環(huán)。電流調節(jié)器串聯(lián)在轉速調節(jié)器之后，形成以電流反饋作為內環(huán)，轉速作為外環(huán)的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。在啟、制動過程中，電流閉環(huán)起作用，保持電流恒定，縮小系統(tǒng)的過度過程時間。一旦到達給定轉速，系統(tǒng)自動進入轉速控制方式，轉速閉環(huán)起主導作用，而電流內環(huán)則起跟隨作用，使實際電流快速跟

8、隨給定值（轉速調節(jié)器的輸出），以保持轉速恒定。轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的原理圖見圖2，為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器。轉速閉環(huán)環(huán)節(jié)的原理和轉速單閉環(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，而是用來和電流反饋量作比較，故被稱為電流給定。ASR調節(jié)器和ACR調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，ASR調節(jié)器的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，ACR調節(jié)器的輸出電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。 圖2 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)ASR-轉速調節(jié)器 ACR-電流調節(jié)器 TG-測速發(fā)電動機 TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器 -轉速給定

9、電壓-轉速反饋電壓 -電流給定電壓 -電流反饋電壓3.2、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性分析根據(jù)圖2可以很方便地繪出雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖，如圖3所示，在圖中是用帶限幅的輸出特性表示了PI調節(jié)器。 圖3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖-轉速反饋系數(shù) -電流反饋系數(shù)PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特性一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時當調節(jié)器飽和時，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使調節(jié)器退出飽和，也就是說飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。實際上，在正常運行

10、時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1.轉速調節(jié)器不飽和這時，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，PI調節(jié)器的作用使得輸入偏差電壓都是零，因此， （1） （2）由式（1）可得 （3）圖4 繪制了雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性，圖中CA段就是描述了兩個調節(jié)器都不飽和時的靜特性，電流的大小是從理想空載狀態(tài)一直延續(xù)到，表現(xiàn)為一條水平的特性。 2.轉速調節(jié)器飽和系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時，對應負載的電樞電流的最大值為，如圖4中的A點。在此工作點上，ASR的輸出已達到飽和值，若電動機負載繼續(xù)增大，造成，在此的情況下，ASR的輸出維持在限幅值不變，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)。雙閉環(huán)

11、系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)調速系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 （4） 圖4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性其中，最大電流取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(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。這樣是下垂特性只適合于的情況，因為如果,則,ASR將退出飽和狀態(tài).雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉速無靜差,這時,轉速負反饋起主要的調節(jié)作用,但負載電流達到時,對應于轉速調節(jié)器的飽和輸出PI調節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖4中虛線。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型1. 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)

12、的動態(tài)結構框圖圖5是轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖，和分別表示了轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。 圖5 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖2.雙閉環(huán)系統(tǒng)的啟動過程調速系統(tǒng)的被控對象是轉速，而設置雙閉環(huán)控制的一個重要目標是實現(xiàn)所期望的恒加速過程，最終以最優(yōu)的形式達到所要求的性能指標。圖6是雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在帶有負載條件下啟動過程的電流波形和轉速波形。 圖6 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)啟動過程的轉速和電流波形雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的啟動過程有以下3各特點：（1）飽和非線形控制：隨著ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結構的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來分

13、析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設計這樣的控制系統(tǒng)。（2）轉速超調：當轉速調節(jié)器ASR采用PI調節(jié)器時，轉速必然有超調。轉速略有超調一般是容許的，對于完全不允許超調的情況，應采用其他控制方法來抑制超調。（3）準時間最優(yōu)控制：在設備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”,對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程、兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準時間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各

14、種多環(huán)控制中得到普遍應用。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉速環(huán)相當于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調節(jié)，從而可基本上實現(xiàn)理想過程。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的轉速響應一定有超調，只有在超調后，轉速調節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運行時ASR發(fā)揮調節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運行中表現(xiàn)為無靜差調速。故雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質。四、轉速環(huán)、電流環(huán)的設計4.1、轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器在直流雙閉環(huán)系統(tǒng)中的作用1）轉速調節(jié)器的作用： 其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流；轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使轉速n很快的跟隨給定電壓的變化；穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用PI調

15、節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差； 對負載變化起抗擾作用； 其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流；2）電流調節(jié)器的作用：為內環(huán)的調節(jié)器，在轉速外環(huán)的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化；對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用；在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程；當電動機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。4.2、調節(jié)器的具體設計本設計用到的參數(shù)如下：直流電動機(一)： （1）輸出功率為: 電樞額定電壓220V （2）電樞額定電流 36A 額定勵

16、磁電流2A （3）額定勵磁電壓110V 功率因數(shù) （4）電樞電阻歐姆 電樞回路電感100mH （5）電機機電時間常數(shù)2S 電樞允許過載系數(shù)（6）額定轉速 1430rpm環(huán)境條件:（1）電網(wǎng)額定電壓: 380/220V; （2）電網(wǎng)電壓波動: 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:（1）電流超調量小于等于5%;（2）空載起動到額定轉速時的轉速超調量小于等于10%;（3）調速范圍：D10;（4）靜差率小于等于0.1 。4.3、電流環(huán)的設計（1）確定時間常數(shù)電流反饋系數(shù)設最大允許電流Idm=1.5In，則Idm=1.5*36=54A=8/54

17、=V/A整流裝置滯后時間常數(shù)； 電流濾波時間常數(shù)電流環(huán)小時間常數(shù)之和：按小時間常數(shù)近似處理。(和一般都比小得多,可以當作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié))。（2）選擇電流調節(jié)器結構根據(jù)設計要求：，可按典型型設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,所以把電流調節(jié)器設計成PI型的。（3）選擇電流調節(jié)器的參數(shù)ACR超前時間常數(shù)；電流環(huán)開環(huán)時間增益;ACR的比例系數(shù)。 （4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率。1) 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：, 現(xiàn)為，滿足近似條件；2)忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：， 現(xiàn)為，滿足近似條件； 3）小時間常數(shù)近似處理條件：， 現(xiàn)為，滿足近似條件。電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為

18、：，也滿足設計要求。(5)計算調節(jié)器電阻和電容取=40、速度環(huán)的設計（1）確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)：；轉速濾波時間常數(shù)：；轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理：。（2）選擇轉速調節(jié)器結構按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負載擾動點后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),為了實現(xiàn)轉速無靜差,還必須在擾動作用點以前設置一個積分環(huán)節(jié),因此需要由設計要求，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設計PI調節(jié)器。典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標見附錄表三。（3）選擇調節(jié)器的參數(shù) 轉速開環(huán)增益：； ASR的比例系數(shù)：（4）近似校驗 轉速截止頻率為：；電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：，滿足條件；轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：（5）檢

19、驗轉速超調量當時，,不能滿足要求。按ASR退飽和的情況計算超調量:，滿足設計要求。(6) 計算調節(jié)器電阻和電容五、PWM可逆直流調速系統(tǒng)本系統(tǒng)采用一個8位單片機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)調速原理組成PWM調速系統(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機的速度。由于C8051F005單片機內部有模/數(shù)、數(shù)/模轉換模塊，所以直流測速機將速度值轉化為電壓值，然后直接由A/D轉換通道變成數(shù)字量送入單片機，從而實現(xiàn)

20、轉速檢測。電流檢測是通過霍爾效應電流傳感器由A/D轉換通道變成數(shù)字量送入單片機。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IGBT 管和4個續(xù)流二極管。4個IGBT管分成兩組，VT1，VT4為一組；VT2，VT3為另一組。同一組的IGBT管同時導通或截止，不同組的IGBT管的導通與截止是不相同的。 圖7 H型雙極性可逆PWM變換器在每一個PWM周期里，當?shù)目刂菩盘枮楦唠娖綍r，開關管VT1、VT4導通，此時的控制信號為低電平，因此VT2、VT3截止；當?shù)目刂菩盘枮榈碗娖綍r，開關管VT1、VT4截止，此時的控制信號為高電平，因此VT2

21、、VT3導通。當直流電動機正轉工作時，在每一個PWM周期的正脈沖區(qū)間，VT1、VT4導通，VT2、VT3截止。在每一個PWM周期的負脈沖區(qū)間，VT2、VT3導通，VT1、VT4截止，電流的方向仍然不變，只不過電流幅值的下降速率比不可逆控制系統(tǒng)的要大，因此電流的波動較大。H型雙極式可逆 PWM 變換器的優(yōu)點如下： （1） 電流一定連續(xù)； （2） 可使電動機在四象限運行； （3） 電動機停止時有微振電流，從而可以消除靜摩擦死區(qū)； （4） 低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍然比較寬，可以充分保證器件的可靠導通； （5） 低速時，平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍可達1：20000 左右。、整流電路 圖8 三相橋

22、式全控整流電路原理圖、泵升電路 圖9 泵升電壓限制電路 其中泵升電路電解電容選取C=2000F；電壓U=450V；VT選取IRGPC50U 型號的IGBT管；電阻選取R=20。六、控制電路的設計、單片機本設計選用C8051F005單片機。C8051F005單片機是一種與51系列單片機內核兼容的單片機，具有高速、高性能、高集成度等優(yōu)點。它使用Cygnal的CIP-51內核，工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率為25MHz。以下是對C8051F005單片機片內資源的介紹： 圖10 單片機最小應用系統(tǒng)（1）10/12位多通道輸入模/數(shù)（ADC）；（2）2路12位數(shù)/模轉換器（DAC）；（3）16位可編程定時器/計

23、數(shù)器陣列（PCA），可用于PWM波發(fā)生器等；（4）4個通用16位定時器；（5）32個通用I/O口；（6）32KB Flash內部程序存儲器；（7）片內看門口定時器、片內時鐘源。C8051F005單片機的引腳及其部分電路如圖10所示。、測速電路測速發(fā)電機的輸出電壓通過R2和C1組成的濾波環(huán)節(jié)后，濾去測速發(fā)電機輸出的紋波，使之到達電位器Rw兩端的電壓是穩(wěn)定的直流電壓。調整Rw的位置，使測速發(fā)電機在最大轉速時，抽頭所獲得的電壓為2.4V，R1用于限流。 圖11 直流測速發(fā)電機與單片機接口對圖11所示的直流測速發(fā)電機的輸出進行A/D轉換。使用C8051F005的AIN0通道作為測速發(fā)電機的A/D轉換輸

24、入端，使用單片機內部2.43V電壓基準通過軟件啟動A/D轉換。6.3、鍵盤電路本系統(tǒng)采用獨立式按鍵電路。獨立式按鍵是指直接用I/O口線與按鍵電路構成的單個按鍵電路。在此形式的按鍵電路中，每個按鍵獨自占用一根I/O口線，I/O口線之間的工作狀態(tài)不會受到影響。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，I/O口線上有確定的高電平。通過軟件編程實現(xiàn)如下功能：當按下1鍵時，電動機啟動；當按下2鍵時，電動機正轉；當按下3鍵時，電動機反轉；當按下4鍵時，電動機停止；當按下5鍵時，電動機加速；當按下6鍵時，電動機減速。圖12 獨立式按鍵電路圖七、雙閉環(huán)可逆直流PWM調速系統(tǒng)的仿真使用MATLAB對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎，使用MATLAB的Simulink工具箱，從元件庫中選取所需的元件,連接好原