毕业设计（论文）-煤矿铲车电气系统设计.docx

中文题目:煤矿铲车电气系统设计外文题目：DESIGN OF ELECTRICAL CONTROL SYSTEM OF MINE FORKLIFT摘要为了发展工业和提供充足的能源，必须大量开采煤炭，而露天开采发展迅速。开发和建设大型露天矿山，关键是发展大型露天矿成套设备，只有研制和使用先进的技术装备，才能充分发挥出露天矿经济效益高的优势。我国矿山主要采用的是间断式开采，挖掘机是露天矿间断式开采的主要设备。电气系统作为机械式单斗挖掘机重要的配套设备，它的性能和功能对机械式单斗挖掘机影响很大。本次设计以某种型号的机械式单斗挖掘机为背景，设计了基于直流脉宽调制（PWM）调速系统的电气控制系统。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。脉宽调制(PWM:(Pulse Width Modulation)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM脉宽调制系统实现了对机械式单斗挖掘机的直流行走电机的速度控制，从而实现了对电铲的前进、后退和速度控制。关键词：露天矿；机械式单斗挖掘机；PWM脉宽调速；电气系统控制AbstractIn order to develop industry and provide sufficient energy, must pour out a large exploitation of coal, and strip mining is developing rapidly. Development and construction of large open-pit mine, the key is to develop complete sets of equipment, large open-pit mine only development and use of advanced technology and equipment, in order to give full play to the advantages of high out of the open pit mine economic benefit. Our country mainly adopts the continuous mining in mines, main equipment of continuous mining excavator is open-pit mine. Electrical system as an important corollary equipment of mechanical single bucket excavator, its performance and function had a great influence on mechanical single bucket excavator.This design in a certain type of mechanical single bucket excavator as the background, design based on dc pulse width modulation (PWM) control system of electrical control system. PWM is an analog signal level for digital encoding method. Through the use of high resolution counter, the duty cycle of square wave is modulated to encode a specific analog signal level. PWM signal is still digital, because in any given moment, full of amplitude of the dc power supply or completely (ON), or completely without (OFF). Voltage or current source is a pass (ON) or OFF (OFF) to repeat pulse sequence is added to the simulation of the load up. Tong is when the dc power supply was added to the load, is broken when power supply was disconnected. As long as enough bandwidth, any analog value can use PWM coding. Pulse Width Modulation (PWM (Pulse Width Modulation) is the use of the microprocessor digital output to analog circuits to control a very effective technology, widely used in from measurement, communication to power control and transform in many areas.PWM pulse width modulation system is realized with mechanical single bucket excavator in dc motor speed control, so as to realize the forward and backward and speed control of excavator.Key words: open pit; Mechanical single bucket excavator; PWM pulse width speed regulation; Electric control systemIII目录1 绪论11.1煤矿铲车概述11.2 WK-10型电铲行走机构的传动机构介绍11.3 WK-10型电铲车主要参数21.4 WK-10型电铲供电方式32 电动机转矩的计算42.1 履带行走装置的牵引力计算42.2 电动机转矩的计算63 煤矿铲车驱动电动机选型设计83.1 电动机功率计算83.2 电动机型号选择83.3 直流他励电机的特性93.3.1 直流他励电动机的固有机械特性103.3.2 直流他励电动机的启动特性（降压启动）113.3.3 直流他励电动机的调速特性（调压调速）123.3.4直流他励电动机的制动特性144 直流调速系统的方案设计164.1直流电机调速方案的选定164.2 选择PWM控制系统的理由184.3 选择IGBT的H桥型主电路的理由184.4 采用转速电流双闭环的理由195 PWM调速系统的工作原理和组成205.1 PWM调速系统的工作原理205.2 PWM调速系统的组成215.2.1 控制电路组成225.2.2 PWM信号发生电路设计285.2.3 功率放大驱动电路设计315.2.4 主电路设计335.2.5 测速发电机355.2.6 滤波电路365.2.7 A/D转换376 系统软件部分的设计396.1 PI 转速调节器原理图及参数计算396.2 系统中的部分程序设计396.2.1 单片机资源分配396.2.2 程序流程图437 总结44致谢45参考文献46附录A47附录491 绪论1.1 煤矿铲车概述煤矿铲车即矿用挖掘机。矿用挖掘机主要用于露天矿的挖掘和装载，工作对象如为表土则可直接挖取，如为矿石则需爆破后再用挖掘机挖取装载。此种挖掘机一般只配有正铲工作装置。矿用挖掘机自行距离短，行速低，多用电力驱动，故又叫电铲车。矿用挖掘机多是大斗容的，大部分是单斗机械式，适用于开挖-级碎岩。挖掘机接地比压要求不严格，由于运行距离不长，工作场地多经过平整，所以通过性也要求不严格。机械式正铲单斗挖掘机是露天矿山用链铲装矿岩和表土的主要设备之一。机械式单斗挖掘机是挖掘机的一种，用一个铲斗以间歇重复的工作循环进行工作，即由挖掘、满斗回转至卸载点、卸载、空斗回转至挖掘地点等四个工序构成一个工作循环。在作业过程中，挖掘机是不移动的，直到将一次停机范围内的土壤挖完，挖掘机才移动到新的作业地点。为了完成上述动作，单斗挖掘机应具有下列部分：工作装置、回转支撑装置、行走装置、动力装置和附属设备。机械式单斗挖掘机的特点是，结构紧凑、能在较大的范围内实现无级调速，操作简单，易于实现标准化、系列化和通用化。本次设计以WK-10型机械式单斗挖掘机的行走机构为例。1.2 WK-10型电铲行走机构的传动机构介绍行走机构的传动机构，全部安装在底座的一端，由双电动机通过带制动盘的柱销联轴节带动一个三级齿轮减速器。履带架输入轴与减速器输出轴间安装双缸气动离合器，离合器是用来实现行走装置的转弯动作的，离合器的拨叉由双向气缸带动，气缸是由二位四通阀控制。图1-1为WK-10型挖掘机传动系统图。减速器是三级齿轮减速器，型号为H2SH12，减速比i=248。履带运行装置是挖掘机上部重量的支承基础。这种运行装置的主要优点是接地比压力小，附着力大，可适用于道路凹凸不平的场地，如浅滩、沟或有其他障碍物，具有一定的机动性，能通过陡坡和急弯而不需要太多时间。其缺点是运行和转弯功耗大，效率低，构造复杂，造价高，零件易磨损，常需要更换等。WK-10型电铲采用的是少支点的刚性的双履带行走装置。刚性履带行走装置中，支承轮和履带架或下支承架做刚性联系，不用弹簧或铰接，这是最普遍应用的型式。 11WK-10型挖掘机传动系统图1-1 WK-10 excavator transmission Figure1-2 WK-10型挖掘机履带运行装置1-2 WK-10 excavator crawler running gear1底架； 2履带架； 3支承轮轴； 4支撑轮； 5；拉紧方轴； 6导向轮； 7驱动轮轴；8驱动轮；9履带板； 10销轴； 11行走减速器； 12行走电动机；13、19、20、21齿轮； 14、16、18、23轴； 15伞齿轮； 17拨叉离合器； 22行走制动器； 24拨叉机构气缸； 25拨叉； 26卡箍； 27固定大齿轮； 28环形轨道； 29棍盘；30楔形块； 31支架；32垫片1.3 WK-10型电铲车主要参数主要参数如下：q 斗容 10m3 Vy 行走速度 0.69km/hp 最大爬坡角度 13pp 比压（平均） 0.23MPai 减速比 248tX 循环时间（回转90时） 29sQL 理论生产率 1230m3/hGp 配重 350 kNG 整机重力(整机重量) 4409.81=4316kN（440t）b 履带宽度 7.10mL 履带长度 8.40mr 转弯半径 7.35mDq 驱动轮直径 0.51m设计以土壤密度为2g/cm3(2000kg/m3=2t/m3)的环境为背景，则电铲满载后的重力为Gm： Gm=G+qg=4316+2109.81=4512.2kN1.4 WK-10型电铲供电方式电铲车工作时接临时电缆，三相交流电经整流滤波变成电压恒定的直流电压,用此直流电压给直流电动机供电。步骤如下：电源变压器：将电网交流电压380V变换成330V的交流电压，这个变压器是降压变压器。 整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件，把方向和大小都变化的50Hz交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电，本设计使用二极管。 滤波电路：利用储能元件电容器C两端的电压不能突变的性质，把电容C与整流电路的负载RL并联，就可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电。2 电动机转矩的计算2.1 履带行走装置的牵引力计算（1）空载牵引力的计算。履带行走装置在行走时，必须克服以下一些阻力：土壤对履带运行的阻力Fy；不稳定运行时的惯性阻力Fg；坡道阻力Fp；风阻力Ff；转弯阻力Fzh；行走装置的内阻力Fn等。因此，铲的牵引力Fq须大于总的行走阻力。土壤对履带运行的阻力Fy：履带运行时，迫使土壤受挤压和变形而引起的运行阻力为： Fy=G （21）式中: 运行比阻力系数，路面情况为坚实土路的比阻力系数为0.060.09，取0.06； G机器总重力，4316kN。所以 Fy=0.064316=258.96 kN。不稳定运行时的惯性阻力Fg： Fg=KGgVyt （22） 式中： Vy行走速度，0.1917m/s（0.69km/h）； t启动或制动的时间，2s； K系数，多机驱动取K=2。不稳定运行是指启动或制动状态。则 Fg=243169.810.19172=84.34kN。坡道阻力Fp： Fp=Gsin （23）式中： 坡道倾角，13。所以 Fp=4316sin13=820.89kN。风阻力Ff： Ff=PfA （24）式中： A铲的迎风面积，约50 Pf工作状态时的风压，取Pf=250Pa。所以 Ff=25050=12500N=12.5kN。转弯阻力Fzh：履带转弯时除了有沿直线运行时的全部阻力外，还考虑转弯时履带支承面与土壤的摩擦阻力和履带板侧面剪碎和刮动土壤所造成的阻力。双履带行走装置转弯时，假定两条履带分别绕着各自的支承面几何中心转动，受到的转弯阻力为： Fzh=bL2Pc2r （25）式中： b履带宽度，7.10m； L履带长度，8.40m； r转弯半径，7.35m； 履带板与地面的摩擦系数，坚实的地面，取=0.4； Pc作用在履带板上的平均负荷，其值可按Pc=G2bL计算。把Pc=G2bL带入公式Fzh=bL2Pc2r，则Fzh=LG4r，所以所以 Fzh=0.48.40431647.35=493.26kN。行走装置内阻力Fn:在不作精确计算时，行走装置的内阻力Fn可由简易近似公式计算： Fn=（0.050.07）G （26）所以 Fn=0.05G=0.054316=215.8kN。 牵引力的计算：在实际计算履带行走装置的牵引力时，从下面两种情况中选用大者。在爬坡时： Fq=Fy+Fg+Fp+Ff+Fn =258.96+84.34+820.89+12.5+215.8 =1392.49kN （27）在转弯时： Fq=Fy+Fg+Ff+Fzh+Fn =258.96+84.34+12.5+493.26+215.8 =1 064.86kN （28） 所以，空载时的牵引力Fqk=1392.49kN（2）满载牵引力的计算。满载牵引力的计算同空载牵引力的计算，所以各阻力计算如下：土壤对履带运行的阻力Fy=270.73kN不稳定运行时的惯性阻力Fg=88.17kN坡道阻力Fp=865kN风阻力Ff=12.5kN转弯阻力Fzh=515.68kN行走装置内阻力Fn=225.61kN牵引力的计算：在实际计算履带行走装置的牵引力时，从下面两种情况中选用大者。在爬坡时： Fq=Fy+Fg+Fp+Ff+Fn =270.73+88.17+865+12.5+225.61 =1462.01kN （29）在转弯时：Fq=Fy+Fg+Ff+Fzh+Fn=270.73+88.17+12.5+515.68+225.61 =1112.69kN （210）所以，满载时的牵引力Fqm=1462.01kN2.2 电动机转矩的计算（1）空载时电动机需提供的转矩：Tk=FqkDq2i=1392.4910000.512248=1431.79Nm（2）满载时电动机需提供的转矩：Tm=FqmDq2i=1462.0110000.512248=1503.27Nm3 煤矿铲车驱动电动机选型设计3.1 电动机功率计算在实际计算履带行走装置的牵引力Fq时，从Fqk和Fqm中取大者，即 FqFqm=1462.01kN （31）取Fq=1500kN驱动电动机的功率。 N=FqVy3600 （32）式中： Fq牵引力，1500000N； Vy运行速度，0.69km/h。所以 N=15000000.693600=287.5 kW。要保证铲在车道上运行，还应验算其附着力Ffu，使牵引力Fq必须小于履带与地面间的附着力Ffu。 FqFfuGcos （33）式中： 附着系数，因为土壤为坚实的土路，所以取0.5。所以 Ffu=0.54316cos13=2102.69kN1500kN 成立。3.2 电动机型号选择单斗挖掘机是以间歇重复的方式进行工作的，这种重型机械的工作特点是：工作状态变化，不稳定，负载变化大，容易过载；各机构经常性的结合、脱开联合或单独运动，启动和停止动作非常频繁；正、反转要求迅速，速度变化大且要求制动灵活。若用普通的交流电动机驱动就不能满足这些工作特点和要求，直流电动机驱动则可以满足这些工作特性要求。所以，大、中型电铲的主要机构，如提升、推压、回转、开斗和行走五个机构均采用直流电动机作驱动器。所以电铲车的驱动电动机选择直流电动机。工作时接临时电缆，三相交流电经整流滤波变成电压恒定的直流电压,用此直流电压给驱动电动机供电。因为驱动电动机的总功率须大于287.5 kW，设计为两台驱动电动机各驱动一条履带，且两台电动机型号一样，所以选择型号为Z-315-2A的直流他励电动机，额定功率为152kW。参数如下：额定电压330 V额定功率152 kW额定电流504 A额定转速945 r/min效率89.8%最大转速1800 r/min励磁功率3.1 kW转动惯量5.5 kgm2风量1.0 m3/s风压1010 Pa电枢回路电压降21.9V电感0.33mH3.3 直流他励电机的特性直流电动机机械特性的一般表达式为： n=UKe-RaKeKt2T=n0-n (34)式中： n0理想空载转速。图31他励电动机的机械特性图Figure3-1 separately excited motor mechanical characteristic diagram3.3.1 直流他励电动机的固有机械特性1）估算电枢电阻Ra： Ra=（0.500.75）（1-n）UNIN （35）式中： n额定运行条件下电动机的效率， n=PN/（UNIN）=1521000/（330504）=0.91。所以 Ra=0.60（1-0.91）330504=0.03382。2）求KeN: KeN=UN-INRanN (36)所以 KeN=330-5040.03382945=0.33117。3）求理想空载转速n0： n0=UN KeN （37）所以 n0=3300.33117=996.5 r/min。4）求额定转矩TN: TN=PN=9.55PNnN （38）所以 TN=9.551521000945=1536 Nm因为TN=1536 Nm1503.27Nm12=751.6Nm=Tm2,所以所选Z-315-2A型直流他励电动机满足驱动要求。根据点（0，n0）、（TN，nN）即（0，996.5）（1536，945）绘制Z-315-2A直流他励电机的固有机械特性曲线如图所示：图32他励电机的固有机械特性曲线Figure 3-2 separately excited motor inherent physical characteristics curve3.3.2 直流他励电动机的启动特性（降压启动）电动机的启动是指施电于电动机，使电动机转子转动起来，达到所要求的转速后正常运转的过程。对直流电动机而言，电动机在未启动之前n=0，E=0，而Ra很小，所以，将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流Ist=UN/Ra将很大，一般情况下能达到其额定值的10-20倍。这样大的启动电流会使电动机在换向过程中产生危险的火花，甚至烧坏整流子。而且过大的电枢电流产生过大的电动应力，可能引起绕组的损坏。同时，产生与启动电流成正比例的启动转矩，会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲击，使机械传动部件损坏。对由电网供电的电动机来说，过大的启动电流将使保护装置动作，从而切断电源，使得生产机械停止工作，或者引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启动时必须设法限制电枢电流，例如，对于普通的Z型直流电动机，规定电枢的瞬时电流不得大于额定电流的2倍，即启动转矩不得大于额定转矩的2倍，即TstTL，所以系统开始加速，反电动势E也随转速n的上升而增大，电枢电流则逐渐减小，电动机转矩也相应减小，电动机的工作点将沿UN特性由点g向点a移动，直到n=na时T又下降到T=TL，此时电动机已工作在一个新的稳定转速na。由于调压调速过程中=N为常数，所以，当TL为常数时，稳定运行状态下的电枢电流Ia也是一个常数，而与电枢电压U的大小无关。这种调速方法的特点是：（1）当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节，一般只能在额定转速以下调节；（2）调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大；（3）调速时，因电枢电流与电压U无关，且=N，故电动机转矩T=KtNIa不变，属恒转矩调速，适合于对恒转矩型负载进行调速；（4）可以靠调节电枢电压而不用启动设备来启动电动机。图3-4改变电枢供电电压调速的特性Figure 3-4 change the characteristics of the armature supply voltage speed control因为V=DqnL60i=ndnLnd=UKe-RaKeKt2T所以 V=UKe-RaKeKt2TDq60i =U0.33117-0.0335T0.5160248 =0.000595U-0.0000036T （311）可见，铲车的速度与驱动电动机的电压和负载转矩有关，若无论铲车空载或者满载，都希望速度范围可以在0.1m/s0.1917m/s之间调节，那么电压变化范围为：空载时： U1=0.1+0.0000036Tk0.000595=0.1+0.00000361431.790.000595=176.73V U2=0.1917+0.0000036Tk0.000595 =0.1917+0.00000361431.790.000595=330.8V满载时： U1=0.1+0.0000036Tm0.000595=0.1+0.00000361503.270.000595=177.16V U2=0.1917+0.0000036Tm0.000595 =0.1917+0.00000361503.270.000595=331.28V3.3.4 直流他励电动机的制动特性电动机的制动是与启动相对的一种工作状态，启动是从静止加速到某一稳定转速的一种运转状态，而制动则是从某一稳定转速减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。注意，电动机的制动与自然停车是两个不同的概念。自然停车是电动机脱离电源，靠很小的摩擦阻转矩消耗机械能，使转速慢慢下降，直到转速为零而停车。这种停车过程需时较长，不能满足生产机械的要求。为了提高生产效率，保证产品质量，生产机械需要加快停车过程，实现准确停车等，从而要求电动机运行在制动状态。这个过程简称为电动机的制动了。（1）反馈制动若电动机为正常接线，在外部条件作用下，电动机的实际转速n大于其理想空载转速n0，此时电动机运行于反馈制动状态。（2）反接制动当他励电动机的电枢电压U或电枢电动势E中的任一个在外部条件作用下改变了方向，即二者由方向相反变为方向一致时，电动机都将运行于反接制动状态。（3）能耗制动电动机在电动状态运行时，若把外加电枢电压U突然降为零，而将电枢串接一个附加电阻Rad 短接起来，便能进入能耗制动状。4 直流调速系统的方案设计4.1 直流电机调速方案的选定1）直流电动机的调速方法有三种：（1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。aI变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。（2）改变电动机主磁通F。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。fI变化时间遇到的时间常数同aI变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。（3）改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。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。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。 图41 改变电枢供电电压调速的特性 Figure 4-1 change the characteristics of the armature supply voltage speed control 2）改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。（2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。由于旋转变流机组缺点太多，采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。离子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点，而且缩短了响应时间，但是由于汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维护麻烦，尤其是水银如果泄漏，将会污染环境，严重危害身体健康。目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统（即晶闸管电动机调速系统，简称V-M系统，又称静止Ward-Leonard系统）已经成为直流调速系统的主要形式。但是，晶闸管整流器也有它的缺点，主要表现在以下方面：晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路，构成V-M可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任意指标超过允许值都可能在很短时间内元件损坏，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低，特别是在深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。如果采用晶闸管整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大，将造成所谓的“电力公害”。为此，应采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。 晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的。如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，连续段特性比较硬，基本上还是直线；断续段特性则很软，而且呈现出显著的非线性。由于以上种种原因，所以选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。4.2 选择PWM控制系统的理由脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（SiliconGeneral）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。PWM系统在很多方面具有较大的优越性：1）PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。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，调速范围广，可达到1：10000左右。4）如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。5）功率开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，因而装置效率较高。6）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。所以，选择PWM调速系统。4.3 选择IGBT的H桥型主电路的理由IGBT的优点：1）IGBT的开关速度高，开关损耗小。2）在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。3）IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。4）IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。5）与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。在众多PWM变换器实现方法中，又以H型PWM变换器更为多见。这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。本次设计以H型PWM直流控制器为主要研究对象。图42 IGBT的H桥型主电路 Figure4-2 H-bridge of the main circuit IGBT4.4 采用转速电流双闭环的理由1）同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。2）单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。5 PWM调速系统的工作原理和组成5.1 PWM调速系统的工作原理目前，应用较广的一种PWM调速系统的基本电路如图所示51所示。三相交流电源经整流滤波变成电压恒定的直流电压，VT1VT4为四只IGBT，工作在开关状态，其中，处于对角线上的一对开关管的栅级因接受同一控制信号而同时导通或截至。若VT1和VT4导通，则电动机电枢上加正向电压；若VT2和VT3导通，则电动机电枢上加反向电压。当它们以较高的频率（一般为2000Hz）交替导通时，电枢两端的电压波形如图42所示。由于机械惯性的作用，决定电动机转向和转速的仅为此电压的平均值。图51 PWM调速系统的基本主电路Basic primary circuit of Figure 5-1 PWM speed control system图52 电动机电枢电压的波形Motor armature voltage waveform of Figure 5-2设矩形波的周期为T,正向脉冲宽度为t1，并设导通占空比为D，则 D=t1T (51)由图52可求出电枢电压的平均值为:Uav=UsTt1-（T-t1）=UsT(2t1-T） =UsT（2DT-T）=（2D-1）Us （52）由式(51)可知，在T为常数时，人为地改变正脉冲的宽度以改变导通占空比D，即可改变Uav，达到调速的目的。当D=0.5时，Uav=0，电动机转速为零；当D0.5时，Uav为正，电动机正转，且在D=1时，Uav=Us,正向转速最高；当D0.5时，Uav为负，电动机反转，且在D=0时，Uav=-Us，反向转速最高。连续地改变正脉冲的宽度，即可实现直流电动机的无级调速。5.2 PWM调速系统的组成本次设计采用了MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。设计中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，此外，设计中还采用了芯片IR2110作为直流电机调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。系统总体设计框图：图53 系统总体设计框图Figure 5-3 overall system design diagram5.2.1 控制电路组成1）8051单片机的组成（1）8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本