综合课程设计报告.doc

综合课程设计题 目: PWM波直流电机速度调节系统专 业: 电气工程与自动化 指导老师： 学生姓名： 学 号： 2015年1月前言直流电机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。而调节电动机的转速可以有三种方法：1） 调节电枢供电电压；2） 减弱励磁磁通；3） 改变电枢回路电阻。对于要求在一定范围内无极平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好，改变电阻只能实现有级调速；弱磁虽能平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。PWM调速系统在很多方面有较大的优越性：1） 主电路简单，需用的电力电子器件少；2） 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；3） 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；4） 若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；5） 电力电子快关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高。正因为直流PWM调速系统有以上优点，并且随着电力电子器件开关性能的不断提高，直流脉宽调制( PWM) 技术得到了飞速的发展。本文设计数字控制器控制PWM，对电机速度进行调节。由于所学知识的限制，加之经验不足，所以我并不能保证所设计的数字控制器最优。本次设计尚有不完整的地方，恳请指导老师批评指正。目录前言11 设计任务32 直流电机的PWM控制技术33 最少拍数字控制器的设计53.1 最少拍计算机控制系统53.2 最少拍数字控制器的设计53.3 最少拍数字控制器的Matlab仿真84 单片机实现数字控制器94.1 系统方案及硬件资源分配94.2 PWM变换器模块104.3 微机实现PWM调速系统115 参考文献14结语151 设计任务图1 PWM直流电机调速系统1.假设直流电机和PWM控制与变换器传递函数如图所示，用最少拍方法设计直流电机调速系统的数字控制器D(z),并用程序实现。2.用8051系列单片机实现数字控制器。要求画出控制电路图，用汇编或Keil C写出控制程序。2 直流电机的PWM控制技术直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。所以在直流调速系统中，都是以变压调速为主。其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。直流PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。同样，由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、装置效率高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。正因为直流PWM调速系统有以上优点，并且随着电力电子器件开关性能的不断提高，直流脉宽调制( PWM) 技术得到了飞速的发展。根据PWM控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的PWM脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间T内脉冲宽度为,幅值为U，由图2.1可求得此时间内脉冲的等效直流电压为： 图2.1 PWM脉冲，若令，即为占空比，则上式可化为： (U为脉冲幅值) 若PWM脉冲为如图1.7所示周期性矩形脉冲，那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同，即 （为矩形脉冲占空比） 图2.2 周期性PWM矩形脉冲由式1.20可知，要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值U和占空比来实现，因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的，所以通常通过控制占空比的大小实现等效直流电压在0U之间任意调节，从而达到利用PWM控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。3 最少拍数字控制器的设计3.1 最少拍计算机控制系统最少拍系统，也称最小调整时间系统或最快响应系统。它是指系统在典型输入作用下（包括单位阶跃输入、单位速度输入、单位加速度输入等），经过最少个采样周期，使得输出稳态误差为零，达到完全跟踪，即输出完全跟踪输入。在自动调节系统中，当误差存在时，总是希望系统能尽快地消除误差，使输出跟随输入变化；或者在有限的几个采样周期内即可达到平衡。最少拍实际上是时间最优控制。因此，最少拍计算机控制系统的任务就是设计一个数字调节器，使系统达到稳定时所需要的采样周期最少，而且系统在采样点的输出值能准确地跟踪输入信号，不存在静差。对任何两个采样周期中间的过程则不作要求。显然，这种系统的性能要求是快速性、准确性和稳定性。3.2 最少拍数字控制器的设计（1）根据被控对象的数学模型求出广义对象的脉冲传递函数如图2所示，被控对象的传递函数若采样周期，则零阶保持器按单位阶跃输入时设计数字控制器（2） 根据系统的性能指标确定整个闭环系统的脉冲传递函数为保证闭环系统稳定，其闭环脉冲传递函数的极点应全部在单位圆内。若广义对象中有不稳定极点存在，则应用或的相同零点来抵消。因此，广义对象中单位圆外零点和因子，必须还包括在所设计的闭环脉冲传递函数中。故闭环脉冲传递函数和误差脉冲传递函数选择必须有一定的限制。根据限制原则，选择闭环脉冲传递函数中含有和是因为中含有因子和零点，中是由单位阶跃输入决定的。而中的项则是为了使和的阶次相同，为了满足将上述所得和值代入后，可得解此方程，得（3） 确定数字控制器的脉冲传递函数于是，便可求出数字控制器的脉冲传递函数为（4） 采用串行程序设计法，写出的差分方程表达式数字控制器要在控制系统中用计算机实现，必须变成差分方程的形式。实现的方法有硬件实现、软件实现两种。从算式的复杂性和控制系统的灵活性出发，采用计算机软件的方法去实现更适宜。计算机控制系统实现的关键问题是控制算法在计算机上的实现，即数字控制器的实现。控制算法常用的有3种：直接程序设计法、串行程序设计法、并行程序设计法。这里根据算式的形式，采用串行程序设计法。首先将数字控制器的分子分母分解因式令将，分别进行交叉相乘及反变换得差分方程：串行程序设计法计算效率比其他两种设计法高。3.3 最少拍数字控制器的Matlab仿真当输入阶跃信号时，仿真系统框图如下：图3.2 Matlab系统仿真框图 （1）系统输出和控制器输出如图3.3：（上图为系统的输出，下图为控制器的输出）图3.3 单位阶跃时系统和控制器输出仿真（2）系统输出与输入的对比如图3.4图3.4 系统输出与输入的对比（3）仿真结果分析通过观察图形可以看出运用单位速度输入时最小拍五纹波数字控制器的设计的控制器，当输入为单位阶跃输入时，输出的超调量很高，不过系统在经过一个超调以后很快的达到了稳定。说明在某些对超调量要求的高的场合是可以运用这样的进行控制。一般来说，尽管最少拍系统具有结构简单、设计方便和易用微机实现等特点，但也存在着一些确定。如对输入信号类型的适应性较差，对系统参数变化很敏感，出现随机扰动时系统性能变坏，只能保证采样点误差为零或保持恒定值，不能确保采样点之间的误差为零或者保持恒定值，以及饱和特性限制，其采样频率不宜太高等等。4 单片机实现数字控制器随着科学技术的迅猛发展传统的模拟和数字电路已被大规模集成电路所取代，这就使得数字调制技术成为可能。目前，在该领域中大部分应用的是数字脉宽调制技术。电动机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，并且结构简单、可靠性高、操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。4.1 系统方案及硬件资源分配根据系统设计的任务和要求，设计系统方框图如图4.1所示。图中控制器模块为系统的核心部件，键盘和显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。图4.1 系统方案框图4.2 PWM变换器模块PWM变换器电路有多种形式，可分为不可逆与可逆两大类。这里我们采用可逆PWM变换器，其主电路也有多种形式，最常用的是桥式（亦称H桥）电路，如图4.3所示。图4.3 桥式可逆PWM变换器这时，电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极性，单极性，受限单极式等多种。图4.3所示为双极式，双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：（1） 电流一定连续；（2） 可使电动机在四象限运行；（3） 电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4） 低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右；（5） 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。4.3 微机实现PWM调速系统（1） 系统主电路程序设计系统控制电路图见附件，主程序流程图如图4.4图4.4 主程序流程图（2） 按键与测试模块 图4.5 按键扫描子程序流程图 图4.6 速度测量子程序流程图（3） 外部中断和定时器 图4.7 外部中断流程图 图4.8 计数器流程图5 参考文献1陈伯时电力拖动自动控制系统机械工业出版社20032范立南，李雪飞计算机控制技术机械工业出版社20053/GN22-10-3150A-213.html4/companyproduct/viewenterpriseproducts.asp?productid=pro11361475/supplyself/121729595.html结语经过这次设计我感受颇多，在正式进行设计之前，我参考了一些网上的资料，通过对这些设计方案来开拓自己的思路，最后终于有了自己的思路。此次课程设计不仅是对前面所学计算机控制技术和电力拖动自动控制系的一种检验，更是对所学知识大融合，站在新的高度看待新的问题，而且也是对自己运用所学知识的能力的一种提高。这次课程设计让我发现自己的知识还比较欠缺，要学习的东西还太多。以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。本设计在硬件上采用了基于PWM技术的H型桥式驱动电路，解决了电机马驱动的效率问题，在软件上也采用较为合理的系统结构及算法，提高了单片机的使用效率，对直流电机进行调试，单片机经过最少拍控制器算法经软件控制输出脉冲，进入驱动电路，驱动电动机（根据占空比的不同使电机正传或反转来调节转速），由光电编码器测得电动机的转速传送给单片机（由定时器与计数器根据输入脉冲来测速），再由单片机输送到显示器，同时由单片机将送来的转速