直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計成品

1、課程設(shè)計說明書 第一節(jié) 緒論.2第二節(jié) 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計.0.22.1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理.22.2 方案選擇與參數(shù)設(shè)計.32.3 pwm控制調(diào)速系統(tǒng)介紹.4第三節(jié) pwm雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計.53.1 控制電路設(shè)計.53.2 主電路的設(shè)計.9第四節(jié) 參數(shù)計算.154.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計.154.2 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計.16第五節(jié) 心得體會.18參考文獻(xiàn).19 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.1 abstractin this paper, dc timing system controlled by microcomputer had been researched deep

2、ly. beginning with the theory of the dc timing system, the math model of the double closed loops dc timing system had been build up, the controller parameter had been adjusted after the system had been simulated with matlab, based on the result of the simulation, digital signal processor (dsp) is ta

3、ken as the controller, the design of the double closed loops timing system of the dc motor has been realized through the design of the systems hardware and software. the result shows that this timing system has strong robust.keywords: microcomputer control, double closed loops, dc timing, dsp 沈 陽 大

4、學(xué)課程設(shè)計說明書 no.2第一節(jié) 緒論在電氣時代的今天，電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔貌煌I(lǐng)域?qū)τ陔姍C的調(diào)速性能有著不同的要求。直流電機是最常見的一種電機，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機調(diào)速問題一直是自動化領(lǐng)域比較重要的問題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場合。本文基于pwm的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并設(shè)計出應(yīng)用于直流電動機的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。首先描述了變頻器的發(fā)展歷程，提出了pwm調(diào)速方法的優(yōu)勢，指出了未來pwm調(diào)速方法的發(fā)展前景，點

5、出了研究pwm調(diào)速方法的意義。應(yīng)用于直流電機的調(diào)速方式很多，其中以pwm變頻調(diào)速方式應(yīng)用最為廣泛，而pwm變頻器中，h型pwm變頻器性能尤為突出，作為本次設(shè)計的基礎(chǔ)理論，本文將對pwm的理論進(jìn)行詳細(xì)論述。在此基礎(chǔ)上，本文將做出sg3524單片機控制的h型pwm變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計，然后對各個部分分別進(jìn)行論證，力圖在每個組成單元上都達(dá)到最好的系統(tǒng)性能。第二節(jié) 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主要由給定環(huán)節(jié)、asr、acr、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測環(huán)節(jié)以及電流檢測環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器acr和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

6、器asr。電流調(diào)節(jié)器acr和電流檢測反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr和轉(zhuǎn)速檢測反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路中，asr和acr串聯(lián)，即把asr的輸出當(dāng)做acr的輸入，再由acr得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的pi調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。原理圖如下 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.3速度檢測電流檢測負(fù)載電動機整流觸發(fā)裝置acrasr電壓 圖1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.2方案選擇與設(shè)計參數(shù) 設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求2.1 直流電動機

7、：型號：dj15功率：485w電樞電壓：220v電樞電流：1.2a額定轉(zhuǎn)數(shù)：1600rpm2.2 調(diào)速范圍：1：12002.3起動時超調(diào)量：電流超調(diào)量:；轉(zhuǎn)速超調(diào)量: 直流電動機的調(diào)速方法有三種：2.3.1 調(diào)節(jié)電樞供電電壓u。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.4圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。2.3.2 改變電動機主磁通。改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)

8、速，屬恒功率調(diào)速方法。變化時間遇到的時間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。2.3.3 改變電樞回路電阻r。在電動機電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；還會在調(diào)速電阻上消耗大量電能。改變電阻調(diào)速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往

9、以調(diào)壓調(diào)速為主速。改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：（1）旋轉(zhuǎn)變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。（2）靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。2.3 pwm控制調(diào)速系統(tǒng)介紹脈寬調(diào)制器upw sg3524，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強的單片集成pwm控制器。由于它簡單、可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的

10、設(shè)計及調(diào)試，故獲得廣泛使用。pwm系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性 ：2.3.1 pwm調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少。2.3.2 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小。2.3.3 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到1：10000左右。2.3.4 如果可以與快速響應(yīng)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強。2.3.5 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。 2.3.6 直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.5變頻調(diào)速很快為廣大電動機用戶所接

11、受，成為了一種最受歡迎的調(diào)速方法，在一些中小容量的動態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式。由此可見，變頻調(diào)速是非常值得自動化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中，pwm調(diào)速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對象的重要原因。第三節(jié) pwm控制直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計3.1控制電路設(shè)計本控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其原理圖如下圖2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)原理圖為了獲得良好的靜動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用pi 調(diào)節(jié)器下圖為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.6圖3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。下圖為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖4 雙閉環(huán)調(diào)

12、速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。acr和asr的輸入、輸出信號的極性，主要視觸發(fā)電路對控制電壓的要求而定。若觸發(fā)器要求acr的輸出uct為正極性，由于調(diào)節(jié)器一般為反向輸入，則要求acr的輸入ui*為負(fù)極性，所以，要求asr輸入的給定電壓un*為正極性。本文基于這種思想進(jìn)行asr和acr設(shè)計。3.1.1 電流檢測電路設(shè)計電流檢測電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號，經(jīng)過濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中該電路主要由電流互感器構(gòu)成，將電流互感器接于主電路中，在輸出端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號，起到電氣隔離的作用。 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.7圖5電流檢測電路原理圖3.1.2 速度檢測電

13、路設(shè)計轉(zhuǎn)速檢測電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號。轉(zhuǎn)速檢測電路主要由測速發(fā)電機組成，將測速發(fā)電機與直流電動機同軸連接，測速發(fā)電機輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，經(jīng)過濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號反饋回系統(tǒng)。其原理圖如下圖所示。 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.8 圖6 轉(zhuǎn)速檢測電路原理圖3.1.3 轉(zhuǎn)速給定設(shè)計轉(zhuǎn)速給定電路主要由滑動變阻器構(gòu)成，調(diào)節(jié)滑動變阻器即可獲得相應(yīng)大小的給定信號。轉(zhuǎn)速給定電路可以產(chǎn)生幅值可調(diào)和極性可變的階躍給定電壓或可平滑調(diào)節(jié)的給定電壓。其電路原理圖如圖所示。 圖7 轉(zhuǎn)速給定電路原理圖 沈 陽

14、 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.93.2主電路設(shè)計圖8 控制電路原理圖3.2.1 pwm變換器介紹脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱pwm變換器。pwm變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下面分別對各種形式的pwm變換器做一下簡單的介紹和分析。 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.10不可逆pwm變換器分為無制動作用和有制動作用兩種。圖9（a）所示為無制動作用的簡單不可逆pwm變換器主電路原理圖，其開關(guān)器件采用全控型的電力電子器件。電源電壓一般由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控整流電路提供。電容c的作用是濾波，二極管vd在電力晶體管vt關(guān)斷時為電動機電樞回

15、路提供釋放電儲能的續(xù)流回路。圖9 簡單的不可逆pwm變換器電路（a）原理圖 （b）電壓和電流波型電力晶體管vt的基極由頻率為f，其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動。在一個開關(guān)周期t內(nèi)，當(dāng)error! no bookmark name given.時，為正，vt飽和導(dǎo)通，電源電壓通過vt加到電動機電樞兩端；當(dāng)時，為負(fù)，vt截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管vd續(xù)流。電動機電樞兩端的平均電壓為 式中，pwm電壓的占空比，又稱負(fù)載電壓系數(shù)。的變化范圍在01之間，改變，即可以實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 圖9（b）繪出了穩(wěn)態(tài)時電動機電樞的脈沖端電壓、平均電壓和電樞電流的波型。由圖可見，電流是脈動的，其平均值等于負(fù)載電

16、流（負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 直流電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比）。 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.11由于vt在一個周期內(nèi)具有開關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在期間 在期間 式中，r，l電動機電樞回路的總電阻和總電感；e電動機的反電動勢。pwm調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率都較高，至少是14khz，因此電流的脈動幅值不會很大，再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動勢e的波動就更小，在分析時可以忽略不計，視n和e為恒值。這種簡單不可逆pwm電路中電動機的電樞電流不能反向，因此系統(tǒng)沒有制動作用，只能做單向限運行，這種電路又稱為“受限式”不可逆pwm電路。這種pwm調(diào)速系統(tǒng)，空載或輕載下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，系統(tǒng)的靜

17、、動態(tài)性能均差。圖10（a）所示為具有制動作用的不可逆pwm變換電路，該電路設(shè)置了兩個電力晶體管vt1和vt2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流的通路。這種電路組成的pwm調(diào)速系統(tǒng)可在第i、ii兩個象限中運行。vt1和vt2的基極驅(qū)動信號電壓大小相等，極性相反，即。當(dāng)電動機工作在電動狀態(tài)時，在一個周期內(nèi)平均電流就為正值，電流分為兩段變化。在期間，為正，vt1飽和導(dǎo)通；為負(fù)，vt2截止。此時，電源電壓加到電動機電樞兩端，電流沿圖中的回路流通。在期間，和改變極性，vt1截止，原方向的電流沿回路2經(jīng)二極管vd2續(xù)流，在vd2兩端產(chǎn)生的壓降給vt2施加反壓，使vt2不可能導(dǎo)通。因此，電動機工作在

18、電動狀態(tài)時，一般情況下實際上是電力晶體管vt1和續(xù)流二極管vd2交替導(dǎo)通，而vt2則始終不導(dǎo)通，其電壓、電流波型如圖10（b）所示，與圖2-1沒有vt2的情況完全一樣。如果電動機在電動運行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使電動機電樞兩端的平均電壓降低。但是由于慣性，電動機的轉(zhuǎn)速n和反電動勢e來不及立刻變化，因而出現(xiàn)的情況。這時電力晶體管vt2能在電動機制動中起作用。在期間，vt2在正的 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.12和反電動勢e的作用下飽和導(dǎo)通，由e產(chǎn)生的反向電流沿回路3通過vt2流通，產(chǎn)生能耗制動，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場能存儲在

19、回路電感中，直到t=t為止。在（也就是）期間，因變負(fù)，vt2截止，只能沿回路4經(jīng)二極管vd1續(xù)流，對電源回饋制動，同時在vd1上產(chǎn)生的壓降使vt1承受反壓而不能導(dǎo)通。在整個制動狀態(tài)中，vt2和vd1輪流導(dǎo)通，vt1始終截止，此時電動機處于發(fā)電狀態(tài)，電壓和電流波型圖10（c）。反向電流的制動作用使電動機轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。圖 10 具有制動作用的不可逆pwm變換電路這種電路構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)還存在一種特殊情況，即在電動機的輕載電動狀態(tài)中，負(fù)載電流很小，在vt1關(guān)斷后（即期間）沿回路2徑vd2的續(xù)流電流很快衰減到零，如在圖10（d）中的期間的時刻。 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.13這時vd

20、2兩端的壓降也降為零，而此時由于為正，使vt2得以導(dǎo)通，反電動勢e經(jīng)vt2沿回路3流過反向電流，產(chǎn)生局部時間的能耗制動作用。到了期間，vt2關(guān)斷，又沿回路4經(jīng)vd1續(xù)流，到時衰減到零，vt1在作用下因不存在而反壓而導(dǎo)通，電樞電流再次改變方向為沿回路經(jīng)vt1流通。在一個開關(guān)周期內(nèi)，vt1、vd1、vt2、vd1四個電力電子開關(guān)器件輪流導(dǎo)通，其電流波形示圖2-2（d）。綜上所述，具有制動作用的不可逆pwm變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動機電樞回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實現(xiàn)二象限運行，有較好的靜、動態(tài)性能?？赡鎝wm變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有t型和h型兩種，其基本電路如圖11

21、所示，圖中（a）為t型pwm變換器電路，（b）為h型pwm變換器電路。圖11 可逆pwm變換器電路 （a）t型 （b）h型 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.14t型電路由兩個可控電力電子器件和與兩個續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡單，構(gòu)成系統(tǒng)時便于引出反饋，適用于作為電壓低于50v的電動機的可控電壓源；但是t型電路需要正負(fù)對稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為h型電路的一半。h型電路是實際上廣泛應(yīng)用的可逆pwm變換器電路，它由四個可控電力電子器件（以下以電力晶體管為例）和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路，這種電路只需要單極

22、性電源，所需電力電子器件的耐壓相對較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動機電樞兩端浮地。h型變換器電路在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式三種，本次設(shè)計我們選擇雙極式h型可逆pwm變換器。主電路如圖所示：圖12 主電路圖3.1.2 電源電路設(shè)計該模塊的主要功能是為轉(zhuǎn)速給定電路提供電源，眾所周知，電源是一切電路的心臟，其性能在很大程度上影響著整個電路的性能。為使系統(tǒng)很好的工作，本文特設(shè)計一款15v的直流穩(wěn)壓電源供電，其電路圖如圖13所示。直流穩(wěn)壓電源主要由兩部分組成：整流電路和濾波電路。 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.15整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)?/p>

23、通作用，因此二極管是組成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率（1kw）整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計采用橋式整流電路，其主要特點如下：輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，電源變壓器充分利用，效率高。 圖13 15v電源電路原理圖濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩側(cè)并聯(lián)電容器；或在整流電路輸出端與負(fù)載間串聯(lián)電感l(wèi)，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。第四節(jié) 參數(shù)計算4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計按所用運算放大器取=20k，電樞回路總電阻r=20acr積分時間常數(shù)， 電流環(huán)開環(huán)增益：要求時應(yīng)取 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.16因此 于是，acr的比例系數(shù)為 計算控制器的電阻電容值 ,取50k 4.2 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)： 近似條件: 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖14（a）所示。把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改為u*n(s)/；再把時間常數(shù)為ton和2ti的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為tn的慣性環(huán)節(jié)，且tn=ton+2ti,，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可轉(zhuǎn)化成圖14 沈 陽 大 學(xué)課程設(shè)計說明書 no.