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、理7文孝課程設(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)：專業(yè)：指導(dǎo)教師：起始時(shí)間：2021年6月6日-6月17日摘要直流脈寬變換器,或稱為直流PWME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)PW渡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)反應(yīng)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)反應(yīng)限制原理,以某物理量作為負(fù)反應(yīng)限制,就能實(shí)現(xiàn)對(duì)該物理量的無差限制.用一個(gè)調(diào)節(jié)器難以兼顧對(duì)轉(zhuǎn)速的限制和對(duì)電流的限制.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)器用聯(lián)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器之后,形

2、成以電流反應(yīng)作為內(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,過載水平大,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、 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、 電流環(huán)

3、的設(shè)計(jì)114.4、 速度環(huán)的設(shè)計(jì)12五、PWW逆直流調(diào)速系統(tǒng)145.1、 PW度換器145.2、 整流電路155.3、 泵升電路16六、限制電路的設(shè)計(jì)166.1、 單片機(jī)166.2、 測(cè)速電路176.3、 鍵盤電路17七、雙閉環(huán)可逆直流PWMI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 、練習(xí)學(xué)生正確的應(yīng)用運(yùn)動(dòng)限制系統(tǒng),培養(yǎng)解決工業(yè)限制、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域具體問題的水平.2 、學(xué)生通過課程設(shè)計(jì),熟悉運(yùn)動(dòng)限制系統(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、工作步驟.3 、對(duì)學(xué)生進(jìn)行根本技能練習(xí),例如組成系統(tǒng)、編程、調(diào)試、繪圖等,使學(xué)生理論聯(lián)

4、系實(shí)際,提升動(dòng)手水平和分析問題、解決問題的水平.二、設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)限制pww逆直流調(diào)速系統(tǒng),電動(dòng)機(jī)限制電源采用H型PWMft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,直流電動(dòng)機(jī)：電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.135V-min/r,主回路總電阻R=2.5Q,.電流反應(yīng)濾波時(shí)間常數(shù)T0i=0.0025s,轉(zhuǎn)速反應(yīng)濾波時(shí)間常數(shù)T0n=0.015s.額定轉(zhuǎn)速時(shí)的

5、給定電壓(Un*)N=10V,調(diào)節(jié)器ASRACR®和輸出電壓Uim*=8V,Ucm=6.5V.H型PWMft率放大器、工作頻率為2KHZ采用單極性、雙極性工彳方式；直流電源電壓264V.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：(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：109

6、0%;限制系統(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,到達(dá)圖1所示的理想過度過程曲線,完成時(shí)間最優(yōu)限制.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)矩限制就成為了電流限制.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

7、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1描的恒流啟=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)反應(yīng)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)反應(yīng)限制原理,以某物理量作為負(fù)反應(yīng)限制,就能實(shí)現(xiàn)對(duì)該物理量的無差限制.用一個(gè)調(diào)節(jié)器難以兼顧對(duì)轉(zhuǎn)速的限制和對(duì)電流的限制.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,形成以電流反應(yīng)作為內(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)速限制方式,轉(zhuǎn)速閉環(huán)起主導(dǎo)作用,而電流內(nèi)環(huán)那

8、么起跟隨作用,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)根本一致,只不過它的輸出不再作為電力電子變換器的限制電壓Uc,而是用來和電流反應(yīng)量作比擬,故被稱為電流、加、*.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,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Udmo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

9、流互感福UPE電力電子父_換命Un轉(zhuǎn)速紀(jì)止電壓Un-轉(zhuǎn)速反以電壓U電流經(jīng)1止電壓U電流反以電壓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0-轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù)8-電流反應(yīng)系數(shù)PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特性一般存在兩種狀況：飽和一一輸出到達(dá)限幅值,不飽和一一輸出未到達(dá)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

10、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)到達(dá)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AU都是零,因此,由式1可得*Un=Un二：n=二n0(1)(2)*Unn=n0ct(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)1d=0一直延續(xù)到1d=1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

11、的輸出已到達(dá)飽和值Uim,假設(shè)電動(dòng)機(jī)負(fù)載繼續(xù)增大,IdLAIdm,造成n<n°,在此An>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*Uim：1dm(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Idm取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載水平和拖動(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n<n°的情況,由于如果n>n.,那么Un>Un,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Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差,這時(shí),轉(zhuǎn)速

12、負(fù)反應(yīng)起主要的調(diào)節(jié)作用,但負(fù)載電流到達(dá)Idm時(shí),對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出U：,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)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).a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)

13、速,而設(shè)置雙閉環(huán)限制的一個(gè)重要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)所期望的包加速過程,最終以最優(yōu)的形式到達(dá)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IdL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)白啟動(dòng)過程有以下3各特點(diǎn)：(1)飽和非線形限制：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分析,不能簡(jiǎn)單的用線形限制理論來籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)這樣的限制系統(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)采用其他限制方法來抑

14、制超調(diào).(3)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)限制：在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的限制稱作“時(shí)間最優(yōu)限制,對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng),在電動(dòng)機(jī)允許過載水平限制下的恒流起動(dòng),就是時(shí)間最優(yōu)限制.但由于在起動(dòng)過程I、R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,無傷大局,可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)限制.采用飽和非線性限制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)限制是一種很有實(shí)用價(jià)值的限制策略,在各種多環(huán)限制中得到普遍應(yīng)用.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),在啟動(dòng)過程的大局部時(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),從而可根本上實(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

15、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Un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,那么可實(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)

16、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.且故障消失,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)器的具體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)用到的參數(shù)如下：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：(1)電

17、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%.限制系統(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0.1.4.3、 電流環(huán)的設(shè)計(jì)(1)確定時(shí)間常數(shù)電流反應(yīng)系數(shù)一：設(shè)最大允許電流Idm=1.5In,那么Idm=1.5*36=54A1=Um=8/54=0.148V/A1ndmUcm整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=s=0.5ms=0.0005s；2000電流濾波時(shí)間常數(shù)=0.0025s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

18、5;i=7；+兀=0.003s.(Ts和T.一般者B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：%W5%,可按典型I型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器.電流環(huán)限制對(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)&=I=L/R=0.5s;電流環(huán)開環(huán)時(shí)間增益KI="=-05-=166.7;Ri0.003ACR的比例系數(shù)Ki=KI善=166.7父0.5><0.2=3.66.Ks0.14830.81(4)校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率6ci=KI=166.7s.c1)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：0ci

19、<,3Ts11現(xiàn)為,=1=666.7>166.7,滿足近似條件；3Ts30.0005s2)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件：Qci>3,TmTl現(xiàn)為3=3<=3s-1,滿足近似條件；TmTl20.53)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：«ciJ,3TsToi,現(xiàn)為二,=-J1=298.1s,>Eci,滿足近似條件.3TsToi3、0.00050.0025電流環(huán)可以到達(dá)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：仃=4.3%<5%,也滿足設(shè)計(jì)要求(5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取Ro=40K11Ri=KiR0=3.66*40=146K'1.i,Ci=3.42FRiC0i="=0.

20、25FR04.4、速度環(huán)的設(shè)計(jì)(1)確定時(shí)間常數(shù)114電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)一：一=2T=2x0.003=0.006s,；KiKJ轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：Ton-0.015s；轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理：TTn=2Tyi+Ton=0.006十0.015=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那么,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R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n型系統(tǒng)一選用設(shè)計(jì)pi調(diào)節(jié)器.典型R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=5m0.021=0.10

21、5sUi丁=0.007nmax轉(zhuǎn)速開環(huán)增益:Kn512520.0212一一_2=272.11s;ASR的比例系數(shù):Kn(h1)CTm2h：RTn60.1480.1352250.0070.20.021=815.51(4)近似校驗(yàn)K.轉(zhuǎn)速截止頻率為：C0cn=N=KNTn=272.11M0.105=28.57s；1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件:1二二66.67s50.003>«cn,滿足條件；轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:1132riTon113.20.0030.0151=35.14sAncn(5)檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí),仃=37.6%,不能滿足要求.按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)-iC

22、max%=81.2%Cbnn1dR360.2C0.135=53%冶0.035%<10%滿足設(shè)計(jì)要求.53.3TVn:n=2*81.2%*1.5*n-Tm-(6)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容Rn=KnR.=81551*40=32.62McnCn=3.22：FRn4T0nC0n1.5FR0五、PWM!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做主限制器.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、速度反應(yīng)值和電流反應(yīng)值可以限制PWM脈沖.改變PWM脈沖的占空比可以改變IGBT的輸出電壓,以

23、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PW渡換器原理圖.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7H型雙極性可逆PWM變換器在每一個(gè)PWM周期里,當(dāng)P

24、3.0的限制信號(hào)為高電平時(shí),開關(guān)管VT1、VT4導(dǎo)通,止匕時(shí)P3.1的限制信號(hào)為低電平,因此VT2、VT3截止；當(dāng)P3.0的限制信號(hào)為低電平時(shí),開關(guān)管VT1、VT4截止,此時(shí)P3.1的限制信號(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)PWMB期的正脈沖區(qū)間,VT1、VT4導(dǎo)通,VT2、VT3截止.在每一個(gè)PW靦期的負(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限制系統(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

25、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)脈沖仍然比擬寬,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5.3、 泵升電路圖9泵升電壓限制電路其中泵開電路電解電容選取C=200(VF;電壓U=450V;VT選取IRGPC50U型號(hào)的IGBT管；電阻選取R=20Q.六、限制電路的設(shè)計(jì)6.1、單片機(jī)本設(shè)計(jì)選用C8051F00M片機(jī).C8051F00M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)C8051F00M

26、片機(jī)片內(nèi)資源的介紹：XcKdPl.0VCCPl.1PO.Opi.2paiP1.3P02PL4PO-3Pl.5PO.4Pl.6PO.fiPl.TP0.6RESETP(X7ra.ORXDEA/VDDPHDALEP3.2TKT0PSENP3.3IKT1P2.7P3.ITOF文6P3.5TIP2.5P3.6WRP£4P3,7KDF2;3X2F2.2XIP2；1圖10單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)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,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.(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);

27、(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)(4) 4個(gè)通用16位定時(shí)器；(5) 32個(gè)通用I/O口；(6) 32KBFlash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)的引腳及其局部電路如圖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R2和C1組成的濾波環(huán)節(jié)后,濾去測(cè)速發(fā)電機(jī)輸使用C8051F005AIN02.43V電壓基準(zhǔn)通過軟通道作為測(cè)速發(fā)電機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換輸入端,使用單片機(jī)內(nèi)部件啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換.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)6.3、 鍵盤電路成的單個(gè)按鍵電路.在此形式的按鍵電路中,

28、每個(gè)按鍵單獨(dú)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),七、雙閉環(huán)可逆直流PW闞速系統(tǒng)的仿真使用MATLAB對(duì)限制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法是：以限制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為根底,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,加上鼓勵(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部波形.Tran:W圖13雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖仿真結(jié)果如下:圖14仿真結(jié)果圖仿真結(jié)果說明：轉(zhuǎn)速和電流滿足設(shè)計(jì)所需的靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo).八、結(jié)論本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng),是以限制電路為核