自动控制设计.doc

课 程 设 计课 程 自动控制系统设计 题 目 数字式直流脉宽调速系统设计班 级 08 自Y2 姓 名 XXX 学 号 08XXXXXX 目 录第一章：直流脉宽调速系统的概述2第二章：设计指标3第三章：系统总体设计方案33.1总体框图3第四章： 硬件44.1 整流电路二极管的选择44.2 主电路的开关器件选取54.3. 电流检测电路选择64.4 转速检测电路选择 本次设计采用75CYB0型永磁直流测速发电机进行转速检测。64.5 电压检测电路选择74.6 控制电路74.6.1 键盘电路设计74.6.2 显示电路设计74.6.3 转速反馈量与单片机的接口设计74.6.4报警电路设计8第五章：软件设计95.1 主程序设计95.2 键盘、显示子程序设计95.3 数字滤波子程序设计11第六章：参数计算116.1 电流反馈系数和转速反馈系数116.2 ACR的设计及simulink116.3 ASR的设计及simulink12第七章：总结14 第一章：直流脉宽调速系统的概述随着电力电子学、微电子学和自动控制原理的发展，直流电动机的调速技术进一步完善。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。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，形成了脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。直流脉宽调速系统是由脉宽调制变换器(简称PWM变换器)对直流电动机电枢供电的自动调速系统。脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器，其基本原理已在电力电子技术中阐述。只是由于器件的发展，同时带来交流变压变频调速的更快速发展，使得直流PWM调速还没有来得及完全占领市场，几乎是刚刚兴起，就变成了传统领域。不过，在一些仍需要使用直流电动机的场合，例如电动叉车、城市无轨电车、地铁机车等，直流PWM调速仍有用武之地。与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：（1）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）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）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。由于有上述有点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。第二章：设计指标直流电动机参数：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，电枢电源采用直流脉宽调制电源供电，系统过载能力1.5，调速范围20，最高转速2000r/min，电流超调量i5，转速、电流无静差，主电路电力电子器件开关频率f1kHz。第三章：系统总体设计方案3.1总体框图图3-1 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构（1）主回路三相交流电源经不可控整流变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。（2）检测回路检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入微机，转速检测用数字测速。（3）故障综合对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即通知微机，以便及时处理，避免故障进一步扩大。（4）数字控制器数字控制器是系统的核心，选用专为Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列单片微机。这种微机芯片本身都带有A/D转换器、通用I/O和通用接口，还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能，可简化数字控制系统的硬件电路。第四章： 硬件4.1 整流电路二极管的选择可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式电路。图3-2 桥式可逆PWM变换器这时，电动机M两端电压UAB的极性随开关器件驱动电压极性变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，最常用的是双极式控制的可逆PWM变换器。一般取为此峰值电压的23倍，所以整流二极管的正反向额定电压为： 通过二极管的峰值电流及电机最大负载时的峰值电流，为电机额定电流的5-6倍，取，则 二极管的电流有效值为，其最大峰值为。考虑一定的安全裕量可以求得整流二极管的额定正向平均电流为： 根据整流二极管的选型手册，选取50A/1200V电力二极管作为整流电路的主开关管。4.2 主电路的开关器件选取根据设计的要求，选用MG200Q2YS50型IGBT。具有如下参数极值：共射极饱和电压为1200V，栅射极最大额定电压为20V，集电极功耗（Tc=25C）为400W，结温为150C，存储温度范围为-40125C。 图3-3 IGBT触发电路4.3. 电流检测电路选择根据霍尔效应制成的，在一个半导体薄片相应两侧面通以控制电流I，在薄片的垂直方向加磁场B，则在半导体另两侧产生一个大小与控制电流I和磁场的乘积成比例的电动势UH。这一现象叫霍尔效应，其所产生的电动势称为霍尔电动势，其半导体片称为霍尔元件。N型霍尔元件的 ,P型霍尔元件的 两式中，n为电子密度；p为空穴密度；e为电子电量；d为元件厚度，单位为m。令 或，则，RH称为霍尔系数，其值反映霍尔效应的强弱。设，则 ,KH称为霍尔元件灵敏度，它表示在单位电流单位磁场作用下，开路的霍尔电势输出值。4.4 转速检测电路选择本次设计采用75CYB0型永磁直流测速发电机进行转速检测。测速发电机的工作原理类似于发电机的工作原理，两者都是将转动的机械能转换为电信号输出。当测速发电机工作时，在某一瞬间其输出电压跟角速度成正比，而极性有旋转方向确定。 4.5 电压检测电路选择 采用隔离电路可将AT89C51与被控对象隔离开，以防止来自现场的干扰或强电侵入。数字信号比模拟信号的隔离易于实现，所以输出通道中大部分采用数字隔离。4.6 控制电路4.6.1 键盘电路设计 本次设计采用44键盘，因此，电路图可以设计成如图3-4所示。由图中可知，P2的高4位连接44键盘的Y3、Y2、Y1及Y0，P2的低4位连接44键盘的X3、X2、X1及X0。图3-4键盘电路4.6.2 显示电路设计 本次设计要求8位显示，因此使用两个4位数的7段LED数码显示模块，连接成8位数字的显示电路，再使用74138和7447进行译码，具体的电路图如图3-5所示。图3-5 显示电路4.6.3 转速反馈量与单片机的接口设计 直流测速发电机的输出是一个模拟量，当它与单片机接时，必须经过A/D转换。现在，有许多单片机内部集成了A/D转换器，它们大多具有812位的转换精度。因此，如果这样的转换精度能满足要求，就没有必要再外接A/D转换器。本设计采用了AT89C51单片机，直流测速发电机与单片机的接口如图3-6所示。图36直流测速发电机与单片机的接口它内部集成有12位8通道的A/D转换器，以及2.43V内部参考电压，因此A/D转换可以全部在片内完成。直流测速发电机安装在被测电动机轴上，以与被测电动机相同的转速旋转。测速发电机的输出电压通过R2和C1组成的滤波环节后，滤去测速发电机输出的纹波，使之到达电位器Rw两端的电压是稳定的直流电压。调整Rw的位置，使测速发电机在最大转速时，抽头所获得的电压为2.4V。R1用于限流。4.6.4报警电路设计 蜂鸣音报警的发音器件常采用压电式蜂鸣器。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，因此，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，如图3-7，图中驱动器的输入端接C8051的P3.1。当P3.1输出高电平“1”时，7406的输出为低电平“0”，使压电蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压，而产生蜂鸣音。当P3.1端输出低电平“0”时，7406的输出端升高约+5V，压电蜂鸣器的两引线间的直流电压降至接近于0V，发音停止。 图3-7蜂鸣器报警电路第五章：软件设计5.1 主程序设计图3-8主程序框图5.2 键盘、显示子程序设计图3-9键盘程序流程图 图3-10显示程序流程图5.3 数字滤波子程序设计图3-11数字滤波的程序流程图第六章：参数计算6.1 电流反馈系数和转速反馈系数电流反馈系数： 转速反馈系数： 6.2 ACR的设计及simulink（1）确定时间常数整流装置滞后时间常数： 电流滤波时间常数： 电流环小时间常数之和： （2）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数： 电流环开环增益：要求i5时，查相关表，应取，此时，阻尼系数=0.707，超调量。因此，于是，ACR的比例系数为： （3）校验近似条件电流环截止频率： 1 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件。2 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件。3 电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件图2.1 ACR电流环的simulink仿真6.3 ASR的设计及simulink（1）确定时间常数电流环等效时间常数： 转速滤波时间常数： 转速环小时间常数： （2）计算转速调节器参数按典型II型系统设计转速调节器，可用PI型电流调节器。按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为电势系数： 求得转速环开环增益： ASR的比例系数： （3）校验近似条件转速环截止频率 电流环化简条件，满足简化条件 转速环小时间常数近似处理条件，满足近似条件图2.1 ASR转