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)速、電流雙閉環(huán)可逆直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí): 專(zhuān) 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(chēng)為直流PWM變換器，是在全控型電力電子器件問(wèn)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(lèi)。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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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1一、設(shè)計(jì)的目的及意義3二、設(shè)計(jì)要求3三、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8四、轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的設(shè)計(jì)104.1、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104.2、調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)104.3

3、、電流環(huán)的設(shè)計(jì)114.4、速度環(huán)的設(shè)計(jì)12五、PWM可逆直流調(diào)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(shè)計(jì)166.1、單片機(jī)166.2、測(cè)速電路176.3、鍵盤(pán)電路17七、雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的仿真18八、結(jié)論20附錄21附錄A21附錄B22參考文獻(xiàn)23一、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(wèn)題的能力。 2、學(xué)生通過(guò)課程設(shè)計(jì)，熟悉運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)、研制的過(guò)程，軟、硬件設(shè)計(jì)的工作方法、工作內(nèi)容、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

4、實(shí)際，提高動(dòng)手能力和分析問(wèn)題、解決問(wèn)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)控制電源采用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、副邊電流比為1000:1，額定電流50A，已知直流電動(dòng)機(jī)： 電動(dòng)勢(shì)系數(shù)=0.135 Vmin/r , 主回路總電阻=2.5,。電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)=0.0025s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)=0.015s。額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓(U

5、n*)N =10V,調(diào)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(dòng)機(jī)(一)： （1）輸出功率為:7.5Kw 電樞額定電壓220V （2）電樞額定電流 36A 額定勵(lì)磁電流2A （3）額定勵(lì)磁電壓110V 功率因數(shù)0.85 （4）電樞電阻0.2歐姆 電樞回路電感100mH （5）電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)2S 電樞允許過(guò)載系數(shù)1.5 （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; （

6、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：D10;（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(guò)程的時(shí)間，達(dá)到圖1所示的理想過(guò)度過(guò)程曲線，完成時(shí)間最優(yōu)控制。即在過(guò)渡過(guò)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，

7、圖1所示的理想過(guò)度過(guò)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的恒流啟=制動(dòng)過(guò)程。 圖1 時(shí)間最優(yōu)的理想過(guò)渡過(guò)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(guò)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(wú)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)速系統(tǒng)。在啟、制動(dòng)過(guò)程中，電流閉環(huán)起作用，保持電流恒定，縮小系統(tǒng)的過(guò)度過(guò)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)

8、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(jiàn)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)器一般都采用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(guò)它的輸出不再作為電力電子變換器的控制電壓，而是用來(lái)和電流反饋量作比較，故被稱(chēng)為電流給定。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，ACR調(diào)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(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)

9、 TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器 -轉(zhuǎn)速給定電壓 -轉(zhuǎn)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(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 -轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) -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：飽和輸出達(dá)到限幅值，不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(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(shuō)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(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，

10、PI的作用使輸入偏差電壓在穩(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(lái)說(shuō)，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都是零，因此， （1） （2）由式（1）可得 （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)器都不飽和時(shí)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(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，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，若電動(dòng)機(jī)負(fù)載繼續(xù)增大，造成，在此的情況

11、下，ASR的輸出維持在限幅值不變，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) （4） 圖4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性其中，最大電流取決于電動(dòng)機(jī)的容許過(guò)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。這樣是下垂特性只適合于的情況，因?yàn)槿绻?則,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)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)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)到時(shí),對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出,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(wú)靜差,得到過(guò)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

12、，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，因此，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見(jiàn)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)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，和分別表示了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 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(guò)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(guò)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)載條件下啟動(dòng)過(guò)程的電流波形和轉(zhuǎn)速波形。 圖6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)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(guò)程有

13、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(lái)分析，不能簡(jiǎn)單的用線形控制理論來(lái)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(lái)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(chēng)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(guò)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(guò)程、兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過(guò)程與理想啟動(dòng)過(guò)程相比還有一些差

14、距，不過(guò)這兩段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，無(wú)傷大局，可稱(chēng)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(guò)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(kāi)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(guò)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(wú)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

15、調(diào)節(jié)器的作用： 其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流；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(wú)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(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（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(guò)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(guò)程；當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)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。一旦故障消失，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

16、靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。4.2、調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)用到的參數(shù)如下：直流電動(dòng)機(jī)(一)： （1）輸出功率為:7.5Kw 電樞額定電壓220V （2）電樞額定電流 36A 額定勵(lì)磁電流2A （3）額定勵(lì)磁電壓110V 功率因數(shù)0.85 （4）電樞電阻0.2歐姆 電樞回路電感100mH （5）電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)2S 電樞允許過(guò)載系數(shù)1.5 （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)

17、速超調(diào)量小于等于10%;（3）調(diào)速范圍：D10;（4）靜差率小于等于0.1 。4.3、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Idm=1.5In，則Idm=1.5*36=54A =8/54=0.148V/A整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)； 電流濾波時(shí)間常數(shù)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。(和一般都比小得多,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：，可按典型型設(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型的。（3）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)；電流環(huán)開(kāi)環(huán)時(shí)間增益;ACR的比例系數(shù)。 （4）校驗(yàn)近似條

18、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(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件：， 現(xiàn)為，滿足近似條件； 3）小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：， 現(xiàn)為，滿足近似條件。電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：，也滿足設(shè)計(jì)要求。(5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取=404.4、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)：； 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：； 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理： 。（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(wú)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)

19、選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器。典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)見(jiàn)附錄表三。（3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益：； ASR的比例系數(shù)：（4）近似校驗(yàn) 轉(zhuǎn)速截止頻率為：； 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：，滿足條件； 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：（5）檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)時(shí)，,不能滿足要求。按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量:，滿足設(shè)計(jì)要求。(6) 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容五、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PW

20、M脈沖。改變PWM脈沖的占空比可以改變IGBT的輸出電壓，以此來(lái)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(guò)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，VT1，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)通與截止是不相同的。 圖

21、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(kāi)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(kāi)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(guò)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

22、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(kāi)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 圖8 三相橋式全控整流電路原理圖5.3、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(hào)的IGBT管；電阻選取R=20。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

23、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： 圖10 單片機(jī)最小應(yīng)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(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）32KB Flash內(nèi)部程序存儲(chǔ)器；（7）片內(nèi)看門(mén)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)的輸出電壓通過(guò)R2和C1組成的濾波環(huán)節(jié)后，濾去測(cè)速發(fā)電機(jī)

24、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11 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)與單片機(jī)接口對(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(guò)軟件啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。6.3、鍵盤(pán)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(kāi)時(shí)，I/O口線上有確定的高電平。通過(guò)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。圖12 獨(dú)立式按鍵電路圖七、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(kù)中選取所需的元件,連接好原理圖,加上激勵(lì)源,