自動控制系統(tǒng)設計課程設計-數(shù)字式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設計.doc

課 程 設 計課 程 自動控制系統(tǒng)設計 題 目 數(shù)字式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設計班 級 08自Y2 姓 名 學 號 數(shù)字式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)一、 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的概述直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是由脈寬調(diào)制變換器(簡稱PWM變換器)對直流電動機電樞供電的自動調(diào)速系統(tǒng)。脈寬調(diào)制變換器是把脈沖寬度進行調(diào)制的一種直流斬波器，其基本原理已在電力電子技術中闡述。自從全控式電力電子器件問世以來，應用于實踐的脈寬調(diào)速系統(tǒng)，以它的線路簡單，諧波少，損耗小，效率高和靜、動態(tài)性能好等優(yōu)勢，引發(fā)了直流調(diào)速領域的一場革命。將直流PWM調(diào)速推廣到一般工業(yè)應用中取代晶閘管相控式整流器調(diào)速有著廣闊的前景。只是由于器件的發(fā)展，同時帶來交流變壓變頻調(diào)速的更快速發(fā)展，使得直流PWM調(diào)速還沒有來得及完全占領市場，幾乎是剛剛興起，就變成了傳統(tǒng)領域。不過，在一些仍需要使用直流電動機的場合，例如電動叉車、城市無軌電車、地鐵機車等，直流PWM調(diào)速仍有用武之地。與V-M系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000左右；（4）若與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；（5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。由于有上述有點，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了V-M系統(tǒng)。特別是近幾年大功率CTR、GTO、IGBT的相繼問世，促使其生產(chǎn)水平已達到4500V、2500A，組成的PWM變換器用來驅動上千千瓦的電動機，廣泛用于交通、工礦企業(yè)等電動傳動系統(tǒng)中。因此對PWM調(diào)速系統(tǒng)的進一步研究，在調(diào)速精度要求較高的場合，對解決傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速精度低、穩(wěn)定性差的難題，具有廣泛的意義和價值。二、 根據(jù)設計指標進行參數(shù)計算2.1 設計指標直流電動機參數(shù)：PN=20kW，nN=1500r/min，UN=220V，IN=106A，Ra=0.16，R=0.6，Tl=0.02s，Tm=0.24s，Unm=Uim=Ucm=10V，電樞電源采用直流脈寬調(diào)制電源供電，系統(tǒng)過載能力1.5，調(diào)速范圍20，最高轉速2000r/min，電流超調(diào)量i5，轉速、電流無靜差，主電路電力電子器件開關頻率f1kHz。2.2 參數(shù)計算2.2.1 電流反饋系數(shù)和轉速反饋系數(shù)電流反饋系數(shù)： 轉速反饋系數(shù)： 2.2.2 ACR的設計（1）確定時間常數(shù)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： （2）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)根據(jù)設計要求i5，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： 電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5時，查相關表，應取，此時，阻尼系數(shù)=0.707，超調(diào)量。因此，于是，ACR的比例系數(shù)為： （3）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率： 1 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件。2 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 滿足近似條件。3 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件電源：電機： 圖2-1 ACR電流環(huán)框圖圖2-2 ACR電流環(huán)simulink仿真2.2.3 ASR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)： （2）計算轉速調(diào)節(jié)器參數(shù)按典型II型系統(tǒng)設計轉速調(diào)節(jié)器，可用PI型電流調(diào)節(jié)器。按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為電勢系數(shù)： 求得轉速環(huán)開環(huán)增益： ASR的比例系數(shù)： （3）校驗近似條件轉速環(huán)截止頻率 電流環(huán)化簡條件，滿足簡化條件 轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件，滿足近似條件電源：電機： 圖2-3 ASR轉速環(huán)框圖圖2-4 ASR轉速環(huán)的simulink仿真三、 硬件設計3.1 系統(tǒng)總體設計方案微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路中的UPE用的是直流PWM功率變換器，具體結構圖如圖3-1所示。圖3-1 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結構（1）主回路三相交流電源經(jīng)不可控整流變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動機供電。（2）檢測回路檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉速檢測，其中電壓、電流和溫度檢測由A/D轉換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機，轉速檢測用數(shù)字測速。（3）故障綜合對電壓、電流、溫度等信號進行分析比較，若發(fā)生故障立即通知微機，以便及時處理，避免故障進一步擴大。（4）數(shù)字控制器數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，選用專為電機控制設計的Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列單片微機。這種微機芯片本身都帶有A/D轉換器、通用I/O和通用接口，還帶有一般微機并不具備的故障保護、數(shù)字測速和PWM生成功能，可大大簡化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。3.2 主電路3.2.1 整流電路二極管的選擇可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式電路。如圖4-2所示。圖3-2 橋式可逆PWM變換器這時，電動機M兩端電壓UAB的極性隨開關器件驅動電壓極性變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，最常用的是雙極式控制的可逆PWM變換器。整流二極管所承受的正反向電壓最大值為三相交流電網(wǎng)線電壓的峰值，即為。實際應用當中需要考慮到電網(wǎng)電壓的波動及各類浪涌電壓的影響，因此需要留有一定的安全裕量，一般取為此峰值電壓的23倍，所以整流二極管的正反向額定電壓為： 通過二極管的峰值電流及電機最大負載時的峰值電流，為電機額定電流的5-6倍，取，則 二極管的電流有效值為，其最大峰值為。考慮一定的安全裕量可以求得整流二極管的額定正向平均電流為： 根據(jù)整流二極管的選型手冊，選取50A/1200V的電力二極管作為整流電路的主開關管。3.2.2 主電路的開關器件選取根據(jù)設計的要求，選用MG200Q2YS50型IGBT。具有如下參數(shù)極值：共射極飽和電壓為1200V，柵射極最大額定電壓為20V，集電極功耗（Tc=25C）為400W，結溫為150C，存儲溫度范圍為-40125C。柵極驅動電壓:IGBT開通時，正向柵極電壓的值應該足夠令IGBT產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時也應限制短路電流和它所帶來的功率應力。在任何情況下，開通時的柵極驅動電壓，應該在1220V之間。當柵極電壓為零時，IGBT處于關斷狀態(tài)。但是，為了保證IGBT在集電極、發(fā)射極電壓上出dv/dt噪聲時仍保持關斷，必須在柵極上施加一個反向關斷偏壓，采用反向偏壓還減少了關斷損耗。反向偏壓應該在-5-15V之間。IGBT的開通和關斷是通過柵極電路的充放電來實現(xiàn)的，因此柵極電阻值將對IGBT的動態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。數(shù)值較小的電阻使柵極電容的充放電較快，從而減小開關時間和開關損耗。為了使單片機發(fā)出PWM脈沖信號能夠控制IGBT的導通，在中間必須使用一個驅動裝置來實現(xiàn)脈沖信號的放大。本文所設計的驅動電路采用300A，1200V快速型IGBT專用驅動模塊EXB841。該電路的信號延遲時間不超過1 ，最高開關頻率可達40kHz-50kHz，外部只需要提供單電源20V，內(nèi)部自己產(chǎn)生-5V反偏壓。該模塊采用高速光電隔離，射極輸出，并且有短路保護及慢速關斷功能。3.2.3 電流、轉速、電壓檢測電路選擇檢測與傳感是實現(xiàn)單片機控制的關鍵環(huán)節(jié)，它與信息系統(tǒng)的輸入端相連。并將檢測到的信號輸送到信息處理部分，是單片機控制系統(tǒng)的感受器官。傳感器是一種以一定精確度將被測量（如位移、力、加速度等）轉換為與之有確定對應關系的，易于精確處理和測量的某種物理量的測量部件或裝置。檢測是檢出和測量的總和。檢出定義為指示某些特殊量的存在，但無需提供量值的過程。測量則被定義為以確定被測對象量值為目的的全部操作。傳感檢測技術就是應用傳感器將被測信息轉換成便于傳輸和處理的物理量，進而進行變換、傳輸、顯示、記錄和分析數(shù)據(jù)處理的技術。本設計中電壓V檢測采用運算放大器配合光電耦合器件與單片機實現(xiàn)接口；電流I檢測采用霍爾傳感器LA50-NP檢測直流電流；一旦檢測到電壓或電流超過設定的參數(shù)，單片機則立刻產(chǎn)生中斷處理，即可封鎖輸出給IGBT的PWM信號，并控制發(fā)生聲光報警。3.2.3.1 電流檢測電路選擇電流檢測裝置選用傳感器中所學的霍爾元件直接檢測直流控制回路中的電流，然后輸出一個電壓信號送入單片機。電流霍爾傳感器分為電壓輸出和電流輸出。電壓輸出型電流霍爾元件中內(nèi)部集成了放大器，接入電源（通常為正負電源），當被測電流經(jīng)過霍爾的窗口時，可以直接輸出和電流成正比的電壓信號。該電壓可以直接用于系統(tǒng)控制或顯示。電流輸出型電流霍爾元件的輸出是和被測電流成正比的電流信號，使用時需接上適當?shù)碾娮?，將電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘枴１驹O計中可直接選用電壓輸出型電流霍爾元件。它是根據(jù)霍爾效應制成的，在一個半導體薄片相應兩側面通以控制電流I，在薄片的垂直方向加磁場B，則在半導體另兩側產(chǎn)生一個大小與控制電流I和磁場的乘積成比例的電動勢UH。這一現(xiàn)象叫霍爾效應，其所產(chǎn)生的電動勢稱為霍爾電動勢，其半導體片稱為霍爾元件。若霍爾元件有N型半導體制成，則自由電子沿與電流I相反的方向運動。由于電子運動時受磁場中洛侖茲力FL作用，電子向一側偏轉，并使該側形成電子的積累。與此同時，元件的橫向變形成了磁場，它使隨后的電子在受到FL的同時，還受到與此反向的電場力FE的作用。當兩力相等時，電子的積累變達到動態(tài)平衡，這時在兩橫端面之間建立的電場成為霍爾電場EH，相應的電勢稱為霍爾電勢UH。N型霍爾元件的 ,P型霍爾元件的 兩式中，n為電子密度；p為空穴密度；e為電子電量；d為元件厚度，單位為m。令 或，則，RH稱為霍爾系數(shù)，其值反映霍爾效應的強弱。設，則 ,KH稱為霍爾元件靈敏度，它表示在單位電流單位磁場作用下，開路的霍爾電勢輸出值。3.2.3.2 轉速檢測電路選擇 本次設計采用75CYB0型永磁直流測速發(fā)電機進行轉速檢測。測速發(fā)電機的工作原理類似于發(fā)電機的工作原理，兩者都是將轉動的機械能轉換為電信號輸出。當測速發(fā)電機工作時，在某一瞬間其輸出電壓跟角速度成正比，而極性有旋轉方向確定。 3.2.3.3 電壓檢測電路選擇 采用隔離電路可將AT89C51與被控對象隔離開，以防止來自現(xiàn)場的干擾或強電侵入。數(shù)字信號比模擬信號的隔離易于實現(xiàn)，所以輸出通道中大部分采用數(shù)字隔離。(1)光電耦合器的結構及特點 普通光電耦合器以發(fā)光二極管為輸入端，光敏三極管為輸出端。光電耦合器絕緣電阻可達1010以上，并能承受1500V以上的高電壓。被隔離的兩端可以不共地自成系統(tǒng)，避免輸出端對輸入端可能產(chǎn)生的反饋和干擾。另外，以發(fā)光二極管作為發(fā)光源，其動態(tài)電阻很小，可以抑制系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾。(2)光電耦合器輸入控制和輸出形式光電耦合器的發(fā)光二極管正常發(fā)光電流為毫安級，為滿足電流要求，長采用限流電阻的開關輸入控制。輸出也分為集電極輸出和發(fā)射極輸出等形式。3.3 控制電路3.3.1 鍵盤電路設計 本次設計采用44鍵盤，因此，電路圖可以設計成如圖3-3所示。由圖中可知，P2的高4位連接44鍵盤的Y3、Y2、Y1及Y0，P2的低4位連接44鍵盤的X3、X2、X1及X0。圖3-4鍵盤電路3.3.2 顯示電路設計 本次設計要求8位顯示，因此使用兩個4位數(shù)的7段LED數(shù)碼顯示模塊，連接成8位數(shù)字的顯示電路，再使用74138和7447進行譯碼，具體的電路圖如圖3-4所示。圖3-5顯示電路3.3.3 轉速反饋量與單片機的接口設計 直流測速發(fā)電機的輸出是一個模擬量，當它與單片機接時，必須經(jīng)過A/D轉換。現(xiàn)在，有許多單片機內(nèi)部集成了A/D轉換器，它們大多具有812位的轉換精度。因此，如果這樣的轉換精度能滿足要求，就沒有必要再外接A/D轉換器。本設計采用了AT89C51單片機，直流測速發(fā)電機與單片機的接口如圖4-6所示。圖36直流測速發(fā)電機與單片機的接口它內(nèi)部集成有12位8通道的A/D轉換器，以及2.43V內(nèi)部參考電壓，因此A/D轉換可以全部在片內(nèi)完成。直流測速發(fā)電機安裝在被測電動機軸上，以與被測電動機相同的轉速旋轉。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(diào)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。3.4 軟件3.4.1 主程序設計主程序完成實時性不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計算機和其他外設通信等功能。主程序框圖如圖3-6所示。圖3-7 主程序框圖3.4.2 鍵盤、顯示子程序設計鍵盤和顯示的具體程序如下：鍵盤子程序： ORG 0 顯示子程序：ORG 0 START: MOV R0,#0 START:MOV P1,#10H MOV R1,#4 CALL DELAY MOV R2,#EFH MOV P1,#11H SCAN: MOV A,R2 CALL DELAY MOV P2,A MOV P1,#12H JNB P2.0,KEYIN CALL DELAY INC R0 MOV P1,#13H JNB P2.1,KEYIN CALL DELAY INC R0 MOV P1,#14H JNB P2.2,KEYIN CALL DELAY INC R0 MOV P1,#15H JNB P2.3,KEYIN CALL DELAY INC R0 MOV P1,#16H MOV A,R2 CALL DELAY RL A MOV P1,#17H MOV R2,A CALL DELAY DJNZ R1,SCAN JMP START JMP START DELAY:MOV R7,#10 KEYIN:CALL DEBOUNCE D1: MOV R6,#200 MOV A,R0 DJNZ R6,$ DA A DJNZ R7,D1 MOV P1,A RET JMP START END DEBOUNCE:MOV R7,#40 D1: MOV R6,#200 DJNZ R6,$ DJNZ R7,D1 RET END3.4.3 轉速調(diào)節(jié)數(shù)字PI子程序設計進入轉速調(diào)節(jié)器中斷服務子程序后，首先應保護現(xiàn)場，再計算實際轉速，完成轉速PI調(diào)節(jié)，最后啟動轉速檢測，為下一步調(diào)節(jié)器做準備。在中斷返回前應恢復現(xiàn)場，使被中斷的上級程序正確可靠地恢復運行。具體的程序如下：ORG 0 POP APUSH PSW POP PSWPUSH A CALL PISFSETB RS0 MOV R0,32HMOV A,20H MOV R1,33HMOV 22H,32H RETMOV 23H,33H ENDCPL RS03.4.4 電流調(diào)節(jié)器數(shù)字PI子程序設計電流調(diào)節(jié)器中斷服務子程序主要完成電流PI調(diào)節(jié)器和PWM生成功能，然后啟動A/D轉換，為下一步調(diào)節(jié)左準備。具體的程序如下：ORG 0 POP PSWPUSH PSW CALL PISFPUSH A MOV R0,52HSETB RS0 MOV R1,53HMOV A,22H RETMOV 22H,52H ENDMOV 23H,53HCPL RS0POP A3.4.5 數(shù)字濾波子程序設計在檢測得到的轉速信號中，不可避免地要混入一些干擾信號。采用模擬測速時，常用由硬件組成的濾波器來濾除干擾信號；在數(shù)字測速中，硬件電路只能對編碼器輸出脈沖起到整型、倍頻的作用，往往用軟件來實現(xiàn)數(shù)字濾波。數(shù)字濾波具有使用靈活、修改方便等優(yōu)點，不但能代替硬件濾波器，還能實現(xiàn)硬件濾波器無法實現(xiàn)的功能。數(shù)字濾波可以用于測速濾波，也可以用于電壓、電流檢測信號的濾波。常用的數(shù)字濾波方法：算術平均值濾波、中值濾波和中值平均濾波。本次設計用的數(shù)字濾波程序的流程圖如圖4-10所示。圖3-10 數(shù)字濾波的程序流程圖數(shù)字濾波的具體程序如下：ORG 0MOV A,30HMOV 31H,AMOV A,30HMOV B,#aMUL ABMOV 30H,AMOV A,#1CLR CSUBB A,#aMOV B,31HMUL ABADD A,30HRETEND3.4.6 其它程序設計初始化程序完成硬件器件工作方式的設定、系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化等。進入故障保護中斷服務子程序后，首先封鎖PWM輸出，再分析、判斷故障，顯示故障原因并報警，最后等待系統(tǒng)復位。當故障保護引腳的電平發(fā)生跳變時申請故障保護中斷，而轉速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)均采用定時中斷。三種中斷服務中，故障保護中斷的優(yōu)先級別最高，電流調(diào)節(jié)中斷次之，轉速調(diào)節(jié)中斷的級別最低。四、 總結4.1 個人小結 這次的自動控制系統(tǒng)課程設計整整做了兩周，比起以前的數(shù)電模電微機等課程要復雜的多，難得多，同時也讓我深深的體會到自己的很多不足之處。在計算參數(shù)的時候首先根據(jù)教材中的例題進行參數(shù)計算，加以適當?shù)男薷?，最終得到了很適當?shù)膮?shù)值，驗證理論與實踐的結合。 這次課程設計讓我學到了很多，不僅是鞏固先前學的自動控制系統(tǒng)的理論知識，而且也培養(yǎng)了自己的獨立思考的能力，讓思維得到拓展。 15