电气工程及其自动化专业毕业设计

太原理工大成教本科毕业设计论文PWM 直流脉宽调速系统的设计PWM 直流脉宽调速系统的设计摘 要以电力电子学和电机调速技术为基础，本文设计了一种基于直流脉宽调速控制技术的直流电机调速系统。为了得到较好的动静态性能，该控制系统采用了双闭环控制，同时速度调节器和电流调节器都选用PI调节器。本调速系统采用半桥型电路作为主电路,它相当于降压斩波电路和升压斩波电路的串联组合,选用全控型器件 IGBT 作开关器件。控制电路以集成 PWM 控制器 SG3525 为核心,3525 输出的脉宽调制信号经 LM1413 放大后作为 IGBT 的驱动信号。实验证明本调试系统直流电压大小调节和电机可逆运行的实现非常方便，并具有较硬的静特性和机械特性。关键词: 升/降压斩波电路；SG3525；直流脉宽调速；MATLAB太原理工大成教本科毕业设计论文AbstractOn the basis of Power Electronic and electric motor speed adjusting technology, the calibrator designs a speed adjusting system in which Pulse Width Modulation (PWM) controlling technology is used to control D.C. motor. Dual closed loop controlling technic is alse adopted so that the sysetem has satisfactory steady-state and dynamic characters. The system uses single chip micro computer as an auxiliary unit.Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is selected as power semiconductor on-off element in the system The thesis explains the principle of PWM controlling. The special integrated PWM controller-SG3525 which can help us realize PWM control easily is elaborated , this chips internal structure and its peripheral circuit are analyzed, and its applying example in this system is given.Key words: Boost/Buck chopper；SG3525；DC Pulse Width speed control；MATLABPWM 直流脉宽调速系统的设计目录摘要 .IIIABSTRACT .IV第 1 章 引言 .11.1 直流拖动系统 112 调速系统的性能指标 11.3 课题来源 21.4 文献综述 31.5 直流电机参数 .5第 2 章 PWM 直流调速系统总体介绍与主电路原理 .62.1 电路组成及系统分析 62.2 主电路工作原理 62.3 主电路的组成 8第 3 章 PWM 控制电路 .1031 PWM 基本原理 1032 PWM 的理论基础 1133 PWM 实现方法 1234 直流电机的 PWM 控制技术 13第 4 章 转速调节器和电流调节器的设计 .184.1 PID 调节器的基本原理 184.2 速度调节器 ASR 194.3 电流调节器 ACR 204.4 触发输入及保护装置（CSR） 214.5 PWM 波形发生器 244.6 电流检测 244.7 给定单元 24第 5 章 MATLB 仿真5.1 MATLAB 简介5.2 PWM 直流脉宽调速系统仿真 5.3 仿真结果致谢 .25参考文献 .26太原理工大成教本科毕业设计论文第1章 引言在现代科学技术革命过程中，电气自动化在 20 世纪的后四十年曾进行了两次重大的技术更新。一次是元器件的更新，即以大功率半导体器件晶闸管取代传统的变流机组，以线形组件运算放大器取代电磁放大器件。后一次技术更新主要是把现代控制理论和计算机技术用于电气工程，控制器由模拟式进入了数字式。在前一次技术更新中，电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方法。而后一次技术更新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变，电气系统的结构和性能亦随之改观。在整个电气自动化系统中，电力拖动及调速系统是其中的核心部分。现代的电力拖动控制系统都是由惯性很小的晶闸管、电力晶体管或其他电力电子器件以及集成电路调节器等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以用低阶近似。而以运算放大器为核心的有源校正网络（调节器），和由 R、C 等元件构成的无源校正网络相比,又可以实现更为精确的比例、微分、积分控制规律,于是就有可能将各种各样的控制系统简化和近似成少数典型的低阶系统结构。如果事先对这些典型系统作比较深入的研究,把它们的开环对数频率特性当作预期的特性,弄清楚它们的参数和系统性能指标的关系,写成简单的公式或制成简明的图表,则在设计实际系统时,只要能把它校正或简化成典型系统的形式,就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算,这样,就建立了工程设计方法的可能性。1.1 直流拖动系统直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为 式中 n转速（r/min）；U电枢电压 （V）；I电枢电流 （A）；R电枢回路总电阻（ ）； 励磁磁通（wb）；Ke由电机结构决定的电动势常数。由上式可以看出，调节电动机的转速有三种方法： 1）调节电枢供电电压 U:即保持 R 和 不变，通过调节 U 来调节 n，是一种大范围无级调速方式。2）减弱励磁磁通:即保持 和 U 不变，通过减少 来升高 n，是一种小范围无级调速方式。3）改变电枢回路电阻 R:即保持 U 和 不变，通过调节 R 来调节 n，是一种大范围有级调速方式。 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大。PWM 直流脉宽调速系统的设计1.2 调速系统的性能指标 1.稳态性能指标 1)调速范围 生产机械要求电动机提供的最高转速 和最低转速 之比叫调速范围，用字母 D表示 ，即其中 和 一般都指电动机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。在直流电机调压调速系统中，常以电动机的额定转速 为最高转速 。 2)静差率 当系统在某一转速下运行时负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落n，与理想空载转速 n 之比，称作静差率，即显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化下的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。然而，静差率和机械特性硬度又是有区别的。静差率不仅与转速降落有关，还与理想空载转速的大小有关 。2.动态性能指标 调速系统的动态性能指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标两类。 1) 跟随性能指标 在给定信号(或称参考输人信号)R (t)的作用下，系统输出量 C(t)的变化可用跟随性能指标来描述通常使用阶跃响应性能指标，即以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程为典型的跟随过程。一般希望在阶跃响应中输出量 C(t)与其稳态值 的偏差越小越好，达到 C 的时间越快越好。具体的指标有下列几项:(1)上升时间 在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值 C 所经过的时间称为上升时间。它表示动态响应的快速性。(2)超调量 在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量 :超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。(3)调节时间 t, 调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。定义为从加输人量的时刻起，到输出量进人其稳态值的误差带(一般取 5%或 2%)，响应曲线达到且不再超出该误差带所需的最短时间。2) 抗扰性能指标 稳定的调速系统在运行中，如果受到扰动，经历一段动态过程后，能达到新的稳态，除了稳态误差以外，在动态过程中输出量变化有多少?在多长的时间内能恢复稳定运行?这些问题标志着调速系统的抗扰能力。一般以系统稳定运行中突加一个使输出量降低的负扰动 N 以后的过渡过程作为典型的抗扰过程。太原理工大成教本科毕业设计论文1.3 课题来源目前，直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。目前国内各大院校，科研单位和厂家也都在开发直流调速装置，但大多数调速技术都已结合工业生产中，所以应用已有的成熟技术开发性能价格比高，具有自主知识产权的直流调速单元，将有广阔的应用前景。直流斩波电路原理实验和直流电机的 PWM 调速实验都是电力电子技术课程要求必须开设的实验。本课题是应生产教仪的厂家的需要,研制开发出一套控制平滑、稳定、经济、实用、简便、可靠性高、操作方便的直流调速控制挂箱以供大中专院校实验教学之用,利用该挂箱设备可以进行的实验项目有: 降压斩波电路实验升压斩波电路实验可逆直流 PWM 调速实验，实现了斩波实验电路与可逆 PWM 调速实验电路的兼容。1.4 文献综述1.4.1 PWM 直流调速系统研究直流电动机因其可以方便地通过改变电枢电压和励磁电流实现宽范围的调速而得到广泛的应用调节电枢串联电阻来改变电枢上的电压，是最经典的直流电机调速方法，有相当部分的电能消耗在所串联电阻上，很不经济。80 年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广但晶闸管斩波调速器不足之处是晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现换流电容和电感增加了装置的成本，也增加了换流损耗；电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低；此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高(一般在 300Hz 以下)，电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重。因此直流斩波调速呼唤快速自关断器件。于是 90 年代出现了以IGBT 为代表，具有自关断能力并可在高速下工作的功率器件作为开关元件的 PWM 直流调速系统成为更为先进的直流调速方案 2。随着电力电子技术的发展和新型电力电子器件的不断涌现，直流 PWM 驱动技术近年来发展更加迅速，由其构成的调速系统也已成为现代调速系统的佼佼者，受到越来越多电气控制技术人员的重视。传统的 PWM 直流传动系统常采用的主功率元件一般为功率晶体管(GTR)，随着驱动对象的日益复杂和系统性能及可靠性的逐步提高，采用场控器件- - 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的逐渐增多，这里就是采用 IGBT 作为主电路的控制元件。1.4.2 PWM 直流调速系统设计理论分析基于 80Cl96KC 控制的双闭环直流调速系统电路。主要由电机转速、电流检测电路；转速、电流双闭环单片机 PI 数字调节器；功率调节电路；直流电机；保护电路等组成，系统硬件主要由 80C196KC 单片机、外部存储器、驱动芯片 TC787、光电编码器、8279键盘显示电路等构成。实现显示、命令输入、循环检测、过压过流保护及软件 PI 调节功能。80C196KC 单片机是 INTEL 公司新一代高性能、低功耗 l6 位单片机，具有丰富的软硬件资源和较强的抗干扰能力，它是 MCS96 系列的芯片中第三类产品，内含PWM 直流脉宽调速系统的设计AD 转换。具有四个高速输入口和六个高输出口 。具有以下显著特点：算术逻辑单元采用寄存器一寄存器结构，消除了一般 CPU 中存在的累加器瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力；采用垂直窗口技术，大大加速了程序运行速度和精简了程序结构。在中断服务程序或子程序中，其优点尤其显得突出。增添了新的 256 字节寄存器，使得每个服务程序都可能拥有自已的寄存器组，而在服务程序的人口和出口处，可以用简单的垂直窗口切换代替常用的人栈和出栈指令。具有外设事务服务器，能有效地处理中断事务。外设事务服务器 PTS(Peripheral Transaction Serve)对中断能提供一种类似直接存储器访问 DMA(Direct Memory Access)的响应，CPU 的开销比一般的中断响应少得多。本系统中，对转速的测量、AD 转换、闭环运算和发触发脉冲，都对实时性要求很高，鉴于以上特点，80C196KC 能够满足系统的要求，并极大地提高了系统的运行可靠性及控制策略的灵活性，同时也将提高系统的控制精度。双闭环直流调速系统引入80C196KC单片机控制后，整个系统硬件结构简单、运算速度快、逻辑判断能力强，静动态特性良好，抗负载及电网电压扰动能力强，稳速精度高，节省了设备的投资、提高了设备的利用率，在自动控制系统的实验与科研以及工业电力拖动装置的改造等方面具有较好的应用价值 13。基于模拟电路仿真的双闭环直流调速系统课程设计。介绍了一种基于模拟电路仿真实验平台实现双闭环直流调速系统课程设计的方法，该方法利用计算机完成实验数据的采集、存储和计算处理，根据实验结果可以准确直观地分析转速一电流双闭环调速系统的起动过程及动态抗扰性能，可方便地设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其对系统性能的影响，取得了很好的教学效果。该方法亦可用于对其他类型自控系统的分析设计。利用模拟电路仿真实验平台实现双闭环直流调速系统课程设计，生动直观地再现了调速系统的起动过程及抗扰过程，说明了调节器的有关设计问题，将抽象的理论问题变得直观易懂，取得了较好的教学效果，该方法同样适用于学生学习设计其他各种自动控制系统。基于MATLAB的双闭环可逆直流调速系统的仿真研究。对双闭环无环流可逆直流调速系统进行了计算机仿真研究。双闭环可逆直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整。运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难。随着计算机技术的发展，在软件和硬件方面提供了良好的设计平台。该文运用MATLAB软件建立了调速系统的仿真模型。在建立系统计算机仿真模型时，由于系统复杂，首先利用MATLAB的子系统模块将主电路和触发电路封装成一个子系统；然后将子系统与其他模块一起组成整个调速系统的仿真模型。利用SLMULINK中仿真功能对系统进行了仿真，仿真的结果证明了该方法的可行性、合理性。利用仿真技术可以很大程度地减少双闭环可逆直流调速系统设计和调试强度。此外还有由单片微机控制的IGBT-PWM直流调速系统 11。单片微机由于体积小，重量轻，功能全，价格便宜，在电气传动实时控制系统中越来越受到重视和普遍应用。利用单片微机逻辑功能强和软件灵活的优点，不仅可使很多控制硬件软件化，且便于参数的设定和调整，同时可以对系统工作中的各种信息数据作诊断，检洲并及时处理，加强实时维护和提高控制系统的可靠性。由单片微机控制的IGBT-PWM调速系统是一种新型的控制系统，由于IGBT是一种高频垒控型器件，可方便地控制其通断，因此由它组成的控制系统除结构简单外，更具有开关频率高、主回路脉动成分系统采用单闭环结构，省去了电流环，而电流环的作用则由反电势跟踪控制来取代。使系统在动态过程中输出最大电流，以加快过渡过程。由于用单片微机实现了全数字控制。它不仅简化了系统的结构，而且使系统具有良好的动静态特性。由于调速系统采用了徽机控制，太原理工大成教本科毕业设计论文使系统结构得以简化，且系统参数可调，使系统得动静态特性得以优化。1.4.3 如何设计好 PWM 直流调速系统在转速的比例控制系统中，提高放大器的电压放大倍数，只能减小静差，而不能消除静差。要想消除静差，就必须在放大器中增加一个积分环节，使放大器变成比例积分(PI)控制器。PI 反馈网络是由一些电阻和电容组成的线性网络。其中有一个可变电阻器和一个可变电容器。可变电阻器用于 PI 控制器的比例度值的调节。可变电容器用于 P1 控制器的积分时间的调节。在转速的 PI 控制系统中，只要有静差的存在，积分环节就要工作，一直到静差为 0 时，积分环节才停止工作。积分环节能完全消除静差。在生产实际中会出现这样的现象：虽然转速的偏差的绝对值不大，但是它的变化速度却很快。PI 控制对于这样的偏差(动偏差)的控制力度很小。因此，这个快速变化的偏差很快就会造成很大的偏差。等到大的偏差出现后，再来实施控制，已经为时过晚，这样必定会使控制精度大幅度地下降。为了及时消除这种快速变化的转速偏差，必须在 PI 控制器中再引进一个微分(D)环节使 PI 控制器变成 PID 控制器。具体的作法是：在 PI 控制器的反馈网络中再增加一个微分环节就可以了。在微分环节中设置一个可变电容器，用来调节微分时间值。将 PI 控制系统中的 PI 控制器换成 PID 控制器，就成了转速的 PID 控制系统。当绝对值很小而变化速度很快的转速偏差出现后，PID控制器中的微分环节就会输出一个很大的控制电压，来提前对转速作相应的大幅度的调整，这样就避免了今后大的速度偏差的出现，使控制精度大幅度地提高。对于 PID控制器，可以用工程整定的方法确定出一组最佳的比例度、积分时间和微分时间的值，使转速控制达到最佳的效果这时，转速的最大超调量最小，调节时间最短。或者说，此时控制精度最高，控制速度最快1.5 直流电机参数直流并励电动机 型号：ZYDJ04 功率：P N=150W 电枢电压：U N=220V 电枢电流：I N=1.06A 测速发电机： 48V/2400r/minPWM 直流脉宽调速系统的设计第 2 章 PWM 直流调速系统总体介绍与主电路原理2.1 电路组成及系统分析直流脉宽调速电路原理图如图 2.1 所示,其中直流斩波电路可看成降压型变换器和升压型变换器的串联组合,采用 IGBT(800V/5A)作为自关断器件,二极管（2ZCP12）续流，利用集成脉宽调制控制器 SG3525 产生的脉宽调制信号作为驱动信号,由两个 IGBT及其反并联的续流二极管组成。IGBT 为 GT25Q10 。直流并励电动机型号 ZYDJ04 。图中 PN =150W; UN=220V; IN=1.06A 。2.2 主电路工作原理三相 127V 交流电经桥式整流电路,所选用二极管型号为 2CP12 滤波电路变成直流电压加在 P、N 两点间，直流斩波电路上端接 P 点，下端接 N 点，中点公共端（COM）（如图 2.1 所示） 。若使 COM 端与电机电枢绕组 A 端相接,B 端接 N,可使电机正转。若T