直流雙閉環(huán)控制脈寬H橋調(diào)速系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄第一章 緒論電動(dòng)機(jī)作為最主要的動(dòng)力源和運(yùn)動(dòng)源之一，在生產(chǎn)和生活中占有十分重要的地位。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方法過去多用模擬法，隨著單片機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展以及新型自關(guān)斷元器件的不斷涌現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的控制也發(fā)生了深刻的變化1。直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)是一項(xiàng)以直流電動(dòng)機(jī)作為機(jī)械本體，融入了電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的多學(xué)科交叉機(jī)電一體化技術(shù)。單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用使調(diào)速系統(tǒng)具有了數(shù)值運(yùn)算、邏輯判斷及信息處理的功能。1.1 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法介紹直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：（1）改變電樞電阻（R）調(diào)速。（2）改變電樞電壓（U）調(diào)速。（3）改變主磁通（）調(diào)速。前

2、兩種調(diào)速方法主要適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，后一種調(diào)速方法適用于恒功率負(fù)載。串電阻調(diào)速為有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性比較差，機(jī)械特性斜率增大，速度穩(wěn)定性比較差，受靜差率的限制，調(diào)速范圍比較小。改變電樞電壓調(diào)速為無級(jí)調(diào)速，機(jī)械特性斜率不變，速度穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍比較大。改變主磁通調(diào)速，控制方便，能量損耗比較小，調(diào)速平滑，但受最高轉(zhuǎn)速限制，調(diào)速范圍不大2。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以改變電樞電壓調(diào)速方式為最好。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主要調(diào)節(jié)方式。1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電壓控制的方式來調(diào)節(jié)電樞電壓需要一個(gè)特殊的可控直流電源。比較常用的可以控制直流電源有

3、以下三個(gè)：（1）靜態(tài)控制整流器。使用靜態(tài)可控整流得到一個(gè)可調(diào)的直流電壓。（2）直流斬波器或脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器。用不變的直流電源或者不可以控制的整流電源提供電能，使用電力電子開關(guān)器件斬波器或脈寬調(diào)制，從而產(chǎn)生可以變化的直流電壓。（3）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。由交流電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成單位，獲得可調(diào)的直流電壓。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組需要的設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低，安裝需打地基，運(yùn)行有噪聲，維護(hù)不方便。靜止式可控整流器雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且還大大縮短了響應(yīng)時(shí)間，但閘流管容量小，汞弧整流器造價(jià)較高，體積仍然很大，維護(hù)麻煩，萬一水銀泄漏，將會(huì)污染環(huán)境，危害身體健康3。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)

4、速系統(tǒng)，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。同時(shí)，其對(duì)過電壓、過電流都十分敏感，容易損壞器件。由于以上種種原因，所以選擇了脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行改變電樞電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)。1.3 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制的控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)4。PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：（1）主電路線路非常簡(jiǎn)單，需要用到的功率器件比較少。（2）開關(guān)頻率比較高，電機(jī)損耗及發(fā)熱都比較少，電流很容易連續(xù)，并且諧波少。（3）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀

5、態(tài)，導(dǎo)通損耗比較小，裝置效率比較高。（4）低速性能比較好，調(diào)速范圍比較寬，穩(wěn)速精度比較高。（5）若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。（6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。由于有上述優(yōu)點(diǎn)，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速系統(tǒng)，這是我們選取它作為研究對(duì)象的重要原因。1.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性1.4.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖1-1是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖。在此系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，這是為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流

6、兩種負(fù)反饋分別起作用。二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接，或稱串級(jí)聯(lián)接。+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLM-MTGUPE圖1-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.4.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖可以很方便地畫出穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1-2。 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE圖1-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖a轉(zhuǎn)速反饋系數(shù); b

7、電流反饋系數(shù)這種PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和和不飽和。輸出如果達(dá)到限幅值就是飽和，輸出如果沒有達(dá)到限幅值就是不飽和5。當(dāng)輸出為恒值，輸入量的變化不會(huì)再影響輸出時(shí)，調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)。當(dāng)PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是等于零時(shí)，調(diào)節(jié)器處于不飽和狀態(tài)6。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用，此時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于飽和輸出時(shí)，負(fù)載電流達(dá)到最大電流，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，此時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差7。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。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性要好得多。1.5

8、 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正-PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-3所示： U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASRWACRKs Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E 圖1-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，常常會(huì)遇到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況。為了使系統(tǒng)同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求，必須設(shè)計(jì)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置。在此調(diào)速系統(tǒng)中，由于其傳遞函數(shù)的階次不是很高，采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就可以完成動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并且具有足夠的快速性，可是穩(wěn)態(tài)精度卻不高

9、；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，但是快速性卻不高；用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的滯后超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體的操作和調(diào)試卻非常復(fù)雜8。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對(duì)快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是：先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)，后設(shè)計(jì)外環(huán)。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。第二章.相關(guān)參數(shù)計(jì)算圖2-1 系統(tǒng)原理框圖2.1設(shè)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)備本次課程設(shè)計(jì)給出的初始條件：直流電機(jī)參數(shù)：240V,37.5Kw,1750r/min,點(diǎn)數(shù)電阻Ra=0.1113，電機(jī)過載倍數(shù)=1

10、.5，=0.025S, =0.15S。主電路采用三相全控橋，進(jìn)線交流電源：三相380V。根據(jù)初始條件，參照?qǐng)D2-22和圖2-32對(duì)轉(zhuǎn)速和電流環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)所必要的參數(shù)準(zhǔn)備如下：圖2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖額定電流2：；電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)2：；轉(zhuǎn)速環(huán)放大系數(shù)2：；電流環(huán)放大系數(shù)2：；晶閘管滯后時(shí)間常數(shù)2：；電流濾波時(shí)間常數(shù)2：；電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和2：；轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)2：；轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和2：。2.2 ACR設(shè)計(jì)電流環(huán)超前時(shí)間常數(shù)2：； 電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)，按表2-12，應(yīng)取，因此；表2-1 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系

11、參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時(shí)間8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度截止頻率0.243/T0.367/T0.445/T0.596/T0.786/T電流環(huán)比例系數(shù)2：=（總電阻）； 電流環(huán)傳遞函數(shù)2：。2.3 ASR設(shè)計(jì)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)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此需要由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)間常數(shù)

12、2：按跟隨和抗擾動(dòng)性能都較好的原則，所以；轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益2：;轉(zhuǎn)速環(huán)比例系數(shù)2：；轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)2：。第三章.MATLAB仿真圖31仿真電路圖圖32 仿真結(jié)果分析：圖上部為電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，下部為電機(jī)電流曲線。加電流啟動(dòng)時(shí)電流環(huán)將電機(jī)速度提高，并且保持為最大電流，而此時(shí)速度環(huán)則不起作用，使轉(zhuǎn)速隨時(shí)間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，轉(zhuǎn)速換起主要作用，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。1.電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線在電流上升階段，由于電動(dòng)機(jī)機(jī)械慣性較大，不能立即啟動(dòng)。此時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和，電流調(diào)節(jié)器ACR起主要作用。轉(zhuǎn)速一直上升。當(dāng)?shù)竭_(dá)恒流升速階段時(shí)，ASR一直處于飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)

13、，系統(tǒng)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)的加速度為恒值，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)直至給定轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)在最短時(shí)間內(nèi)完成啟動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，ASR的輸入偏差為0，但其輸出由于積分作用仍然保持限幅值，這時(shí)電流也保持為最大值，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，極性發(fā)生了變化，則ASR推出飽和。其輸出電壓立即從限幅值下降，主電流也隨之下降。此后，電動(dòng)機(jī)在負(fù)載的阻力作用下減速，轉(zhuǎn)速在出現(xiàn)一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。當(dāng)突加給定負(fù)載時(shí)，由于負(fù)載加大，因此轉(zhuǎn)速有所下降，此時(shí)經(jīng)過ASR和ACR的調(diào)節(jié)作用后，轉(zhuǎn)速又恢復(fù)為先前的給定值，反映了系統(tǒng)的抗負(fù)載能力很強(qiáng)。2.電機(jī)電流曲線直流電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，由于電動(dòng)

14、機(jī)機(jī)械慣性較大，不能立即啟動(dòng)。此時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和，達(dá)到限幅值，迫使電流急速上升。當(dāng)電流值達(dá)到限幅電流時(shí)，由于電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使電流不再增加。當(dāng)負(fù)載突然增大時(shí)，由于轉(zhuǎn)速下降，此時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR起主要的調(diào)節(jié)作用，因此，電流調(diào)節(jié)器ACR電流有所下降，同啟動(dòng)時(shí)一樣，當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和，達(dá)到限幅值，使電流急速上升。但是由于電流值達(dá)到限幅電流時(shí)，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使電流不再增加。當(dāng)擾動(dòng)取電以后，電流調(diào)節(jié)器ACR電流又有所增加，此后，電動(dòng)機(jī)在負(fù)載的阻力作用下減速，電流也在出現(xiàn)一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。第四章 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用一個(gè)8位單片機(jī)C8051F00

15、5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。4.1 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)4.1.1 PWM變

16、換器脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱PWM變換器。直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)分為不可逆和可逆系統(tǒng)。不可逆系統(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)只能單向旋轉(zhuǎn)；可逆系統(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)可以正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。對(duì)于可逆系統(tǒng)，又可以分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)兩種方式。單極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是單一極性的；雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是正負(fù)交替的。本設(shè)計(jì)采用雙極性驅(qū)動(dòng)可逆PWM變換器。圖4-1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，VT1，VT4為一組；VT2，VT3為另一組。同一組的IGBT管同

17、時(shí)導(dǎo)通或截止，不同組的IGBT管的導(dǎo)通與截止是不相同的。圖4-1 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。

18、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。4.1.2 選擇IGBT的H橋型主電路的理由絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是由MOSFET和GTR技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型開關(guān)器件9。它也是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。選用IGBT的理由：（1）IGBT的開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。（2）在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，

19、而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。本設(shè)計(jì)中選用的IGBT管的型號(hào)是IRGPC50U，它的參數(shù)如下：管子類型：NMOS場(chǎng)效應(yīng)管極限電壓Vm：600V極限電流Im：27 A耗散功率P：200 W 額定電壓U：220V額定電流I：1.2A4.1.3 整流電路設(shè)計(jì)整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?。本設(shè)計(jì)采用三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖3-2所示，陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。圖4-2 三相橋式全控整流電路原理圖這種整流電路的輸出電壓一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形完全相同，

20、故該電路為6脈動(dòng)整流電路10。4.1.4 泵升限制電路當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由高變低時(shí)（減速或者停車），儲(chǔ)存在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)能將會(huì)變成電能，并通過雙極式可逆 PWM 變換器回送給直流電源。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回送電能，電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好給濾波電容充電，從而使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。過高的泵升電壓會(huì)損壞元器件，所以必須采取預(yù)防措施，防止過高的泵升電壓出現(xiàn)?？梢圆捎糜煞至麟娮鑂和開關(guān)元件（電力電子器件）VT組成的泵升電壓限制電路，如圖4-3所示。當(dāng)濾波電容器C兩端的電壓超過規(guī)定的泵升電壓允許數(shù)值時(shí)，VT導(dǎo)通，將回饋能量的一部分消耗在分流電阻R上。在本設(shè)計(jì)中泵

21、升電路電解電容選取C=2000F；電壓U=450V；VT選取IRGPC50U 型號(hào)的IGBT管；電阻選取R=20。圖4-3 泵升電壓限制電路4.2 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì)4.2.1 單片機(jī)的選擇本設(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：（1）10/12位多通道輸入模/數(shù)（ADC）；（2）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

22、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）32KB 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4-4所示。圖4-4 C8051F005單片機(jī)的引腳及其部分電路4.2.2 雙極型PWM的實(shí)現(xiàn)基于C8051F005單片機(jī)的PWM 軟件實(shí)現(xiàn)的重要硬件支撐是該單片機(jī)內(nèi)部的16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列（PCA）。在C8051F005內(nèi)實(shí)現(xiàn)PWM 的基本過程：首先，由控制信號(hào)的變化范圍和設(shè)定的脈沖頻率T，求出t時(shí)刻通過控制信號(hào)V（t）的對(duì)應(yīng)正、負(fù)脈沖的持續(xù)時(shí)間。通過給定時(shí)器賦與相應(yīng)的初值從而得到正、

23、負(fù)脈沖在單片機(jī)里的時(shí)間長(zhǎng)度，在機(jī)器周期的同步下，定時(shí)器會(huì)從這個(gè)初值的基礎(chǔ)上加1計(jì)數(shù)，如果產(chǎn)生了溢出中斷就代表定時(shí)器已滿，單片機(jī)上某一引腳相應(yīng)的正、負(fù)電平極性的持續(xù)時(shí)間就是由這個(gè)中斷所響應(yīng)的服務(wù)程序所控制的。只要上述過程是持續(xù)進(jìn)行的，就可以在這個(gè)引腳上獲得寬度隨控制信號(hào)V（t）大小變化的PWM方波信號(hào)。通常單片機(jī)是單極型的，實(shí)際電平0V對(duì)應(yīng)單片機(jī)的邏輯0，實(shí)際電平+5 V對(duì)應(yīng)單片機(jī)的邏輯1。一般來說，只能夠?qū)螛O型的PWM 脈沖信號(hào)從這種單片機(jī)上輸出。采用C8051F005結(jié)合軟件編程實(shí)現(xiàn)雙極型PWM 控制的設(shè)計(jì)思想是這樣的：從C8051F005的一個(gè)引腳（P3.0）得到正的單極型PWM 信號(hào)輸

24、出，對(duì)另一個(gè)引腳（P3.1）做相應(yīng)的設(shè)計(jì)和定義，讓它承擔(dān)對(duì)應(yīng)的負(fù)的單極型PWM 信號(hào)的輸出。即當(dāng)調(diào)制PWM 脈寬的誤差信號(hào)（這個(gè)信號(hào)是由電流傳感器及測(cè)速發(fā)電機(jī)采集后經(jīng)過相關(guān)處理后得到的誤差信號(hào)）為正時(shí)，對(duì)應(yīng)的PWM 信號(hào)就從C8051F005單片機(jī)的一個(gè)引腳（P3.0）輸出；當(dāng)誤差信號(hào)為負(fù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的PWM 信號(hào)就從C8051F005單片機(jī)的另外一個(gè)引腳（P3.1）輸出，雖然這個(gè)輸出信號(hào)的模擬電平也是正的，但是它反映的是負(fù)值的誤差信號(hào)所產(chǎn)生的PWM 輸出；當(dāng)這兩個(gè)引腳都沒有輸出時(shí)，表示誤差信號(hào)是零。通過對(duì)誤差信號(hào)正負(fù)的定義和判別，再利用C8051F005單片機(jī)的兩個(gè)引腳就實(shí)現(xiàn)了雙極型的PWM11

25、。4.2.3 測(cè)速電路直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出是一個(gè)模擬量，當(dāng)它與單片機(jī)接口時(shí)，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換。由于C8051F005單片機(jī)內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，它具有812位的轉(zhuǎn)換精度，因此，A/D轉(zhuǎn)換可以全部在片內(nèi)完成，沒有必要再外接A/D轉(zhuǎn)換器。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)安裝在被測(cè)電動(dòng)機(jī)軸上，以與被測(cè)電動(dòng)機(jī)相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓通過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。圖45 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)與單片機(jī)接口對(duì)圖4-5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

26、用C8051F005的AIN0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。4.2.4 電流檢測(cè)電路在直流電源的正極引線上安裝有霍爾電流傳感器CHB-50P，它由15V電源供電，二次電流通過測(cè)量電阻形成電流反饋信號(hào)，霍爾電流傳感器的另一端連接單片機(jī)的AIN1引腳?；魻栯娏鱾鞲衅鰿HB-50P是磁平衡式電流傳感器，即原邊電流在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過一個(gè)次級(jí)線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電流精確的反映原邊電流，從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。4.2.5 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。圖4-6 獨(dú)立式按鍵電路圖獨(dú)立式按鍵電路如圖4-6所示，這種獨(dú)立式按鍵電路所需器件比較少、軟件編程結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，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。第五章 課