数字PWM（双极式）直流调速系统设计.docx

数字PWM（双极式）直流调速系统设计数字PWM（双极式）直流调速系统设计摘要这次课程设计，是对大学四年所学习的专业课程的一次综合应用检验。通过对数字PWM（双极式）直流调速系统的设计，我们回顾学习了许多专业课程知识。首先，我们对直流调速系统要有一个整体的认识，通过比较各种调速系统的特点，控制原理及性能效果，我们不断深入，由浅入深，层层递进。从最简单的VM调速系统到PWM直流调速系统，再到双极式、可逆、双闭环PWM直流调速系统，把各种调速系统的原理，特点及应用，逐一进行比较选择，以便根据设计要求，选择合适的调速系统。随着计算机技术的发展，各种系统的自动化水平和要求也越来越高，而其中，以微控制器为核心的数字系统，因为其无可比拟的控制手段和控制性能，得到广泛的应用。数字式调速系统借助各种器件和设备，不仅可以更方便灵活地对调速系统进行控制监控，而且大大地提高了系统的控制性能，达到令人满意的控制效果，在高要求，高精度的调速控制系统中大量应用，提高了生产质量和生产效率。关键词：直流调速系统，PWM，数字，双极式，调节器 I目 录摘要11直流调速系统的介绍11.1引言11.2 PWM直流调速系统11.3系统优化22系统分析与设计22.1设计内容及指标22.2系统分析22.3.1确定时间常数42.3.2选择电流调节器结构42.3.3计算电流调节器参数52.3.4 电流调节器的实现52.3.5 检验近似条件62.4转速调节器设计62.4.1 确定时间常数62.4.2 选择转速调节器结构72.4.3 计算转速调节器参数72.4.4 转速调节器的实现82.4.5 检验近似条件82.4.6 检验转速超调量92.5系统原理图93数字化调速系统103.1数字化调速系统的优点103.2模拟量的数字化103.2.1转速检测数字化103.2.2电流检测数字化123.3 A/D转换器的选择123.4软件程序流程图123.5硬件连接图124总结135参考文献14附图一：15附图二：16附图三：17 1直流调速系统的介绍1.1引言近年来，交流调速系统发展很快。虽然高性能的交流调速系统已经逐步取代直流调速系统，然而，直流调速系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在大量应用；而且，从控制规律的角度来看，直流调速系统又是交流调速系统的基础。因此，作为大学毕业生，应该很好地研究学习直流调速系统。变压调速是直流调速系统的主要调速方法，可以使直流电动机获得很好的调速性能。采用可控晶闸管组成整流器的是晶闸管整流器电动机调速系统，简称VM系统。通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器的平均输出直流电压，从而实现直流电动机的平滑调速。1.2 PWM直流调速系统尽管VM系统调速性能优越，但是，由于晶闸管是单向导电的，给电动机的可逆运行带来困难，还有在低速运行时易产生“电力公害”等缺点，自从全控型电力电子器件问世，就产生了以脉冲宽度调制的高频开关控制方式，从而形成了脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称为直流脉宽调速系统（或者直流PWM调速系统）。与VM系统相比，直流PWM调速系统具有其他调速方式所不具备的几大特点：1直流PWM调速系统主电路线路简单，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，电动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； 4若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强； 5电力电子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当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；由于有上述优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在中小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了VM系统。现代运动系统中，许多都要求可以实现电机正反转，快速制动等机械要求，由于电力电子器件的单向导电性，问题变得十分复杂了。PWM调速系统的可逆控制比较简单。通过控制全控型电力电子器件的开关状态而改变电动机两端的电压极性，故称为双极式直流PWM调速系统。1.3系统优化尽管通过控制器件的开关状态，改变电动机电枢上的平均电压值，能够实现对电机的准确调速和运行状态的可靠控制，但是，因为电网波动及其他包括机械扰动在内的一些因素的存在，单纯的调速控制系统的调速性能并不理想。我们想得到的是调速准确迅速，调速范围宽，静差率低的调速系统。为了很好地实现这一目的，我们可以采用转速、电流反馈控制的直流调速系统。通过引入转速、电流反馈信号，大大提高系统的调速性能，因此得到广泛地应用。2系统分析与设计2.1设计内容及指标主要内容：项目参数：直流电动机相关参数：额定电压110V，额定电流2.9A，额定转速2400r/min，电枢电阻Ra=3.4欧，电枢电感La=60.4mH，转动惯量0.014Kg.m2励磁电压110V，励磁电流0.5A；电枢允许过载系数1.5；运行环境参数：电网额定电压380/220 V，电网电压波动10%，环境温度-400+500，环境湿度1090%；控制系统性能指标：电流超调量不大于5%，空载起动到额定转速时的转速超调量不大于20%，调速范围D=20，静差率不大于0.03,系统采用双闭环可逆运行。2.2系统分析根据控制系统性能指标的要求，采用转速、电流反馈的双闭环调速系统，以保证电流超调量不大于5%，空载起动到额定转速时的转速超调量不大于20%，调速范围D=20，静差率不大于0.03。在调速系统中，我们引入转速调节器和电流调节器这两个带限幅作用的PI调节器来分别调节转速和电流。为得到好的控制效果，两个调节器在不同阶段工作。在启动过程中，只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，只有转速负反馈，没有电流负反馈。我们把转速调节器的输出做为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，当调节器不饱和时，调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压U在稳态时为零。转速、电流反馈控制直流调速系统原理图其中，ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器 Un*转速给定电压 Un转速反馈电压 原理图中把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。下面采用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统。设计原则是先内环后外环。步骤是：先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。根据设计要求，确定调节器的具体参数。双闭环调速系统的动态结构图2.3电流调节器设计2.3.1确定时间常数1）整流装置滞后时间常数，查表可知=0.0017s。2）电流滤波时间常数：三相桥式电路每个波头的时间是3.3s，为了基本滤平波头，应有（1-2）=3.33ms，因此取=2ms。3）电流环小时间常数之和。2.3.2选择电流调节器结构+-ACRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b 电流环简化最终结构图从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2.2.2可以看出，采用 I 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。图2.2.2表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，根据设计要求,而且,其传递函数可以写成：2.3.3计算电流调节器参数选择 要求时,应取因此 于是 2.3.4 电流调节器的实现根据运算放大器的电路原理，则电阻和电容值计算公式为取, 则, 取. , 取0.047 , 取0.047按照上述参数,电流环可以达到动态指标为,故满足设计要求；实际设计电流调节器的时候常常需要考虑其输出限幅值的问题，则得到实际设计的电流调节器原理图：电流调节器ACR原理图由2.3.5 检验近似条件1)要求 , 现2)要求 , 现3)要求 现可见均满足要求。2.4转速调节器设计2.4.1 确定时间常数1) 电流环等效时间常数为2) 取转速滤波时间常数3) 2.4.2 选择转速调节器结构为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。 由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：则转速环最终简化的结构图如下图：2.4.3 计算转速调节器参数按调节器的工程设计方法 取h=5 , 则则 转速环简化结构框图2.4.4 转速调节器的实现根据运算放大器的电路原理，则电阻和电容值计算公式为：计算ASR电阻和电容：取 , 则, 取. , 取0.1 , 取0.047实际设计转速调节器的时候常常需要考虑其输出限幅值的问题，则得到实际设计的转速调节器原理图如下：2.4.5 检验近似条件由1)要求 , 现2）, 现可见均满足要求。2.4.6 检验转速超调量当h=5时, ,而，因此可见转速超调量满足要求。2.5系统原理图见附图一3数字化调速系统3.1数字化调速系统的优点上面介绍了应用电力电子器件构成的模拟电子电路所组成的调节器来进行控制的直流PWM调速系统，这类系统的给定和反馈都是用模拟量的形式给出的，称为模拟控制直流调速系统。对于系统给定和反馈通道的扰动和反馈检测装置的误差，系统无能为力，反馈电压不能反映真实的转速值，这两种误差都会使转速偏离所需要的值，因此，模拟控制直流调速系统难以达到很高的调速精度。以单片机等微处理器为核心的数字控制系统，制作成本低，且不会受到器件温度漂移的影响，只要控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，就可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且，利用单片机的显示器，键盘等外围设备，可以非常方便的对系统进行更改和监控。此外，数字控制系统还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法比拟的功能。因此，数字控制系统得到更重要的应用，以达到高的控制性能，实现更更好的控制目标。3.2模拟量的数字化3.2.1转速检测数字化电动机转速的及时准确检测,与闭环调速系统的控制精度紧密相关。不论是直流调速系统还是交流调速系统,只有转速的高精度检测,才能得到高精度的控制系统。速度的数字检测基本方法是利用与电动机同轴连接的光电脉冲发生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理,根据脉冲发生器发出的脉冲速率和序列,测量转速和判别其旋转方向。电动机转速的数字检测方法很多,以下是常用的几种数字检测方法。(1) M/T法M/T测速法的基本原理是:检测周期时间由两部分组成Ts,其中T0为设定的固定不变时间;T为从T0时间结束到此后出现的第一个光电脉冲为止的时间。设旋转编码每转发出Z个脉冲，在检测周期时间T0内旋转编码器发出的脉冲个数是,在检测周期Ts内时钟脉冲计数值m2,则转速为n=602TS,式中=2m1z,为检测周期内被测转轴的转轴角,Ts=m2f (f为时钟脉冲频率),将其代入上式后得M/T法转速的计算式为：（2）旋转编码器光电式旋转编码器是检测转速或者转角的元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动编码器旋转，产生转速或者转角信号。它已经广泛地应用于自动控制系统中作为检测机械传动装置的角位移、角速度、线位移、线速度等静、动态运动参量的传感元件，尤其在多关节工业机器人的电机伺服系统中，各关节均装有光电码器用于检测各关节的姿态。光电码器有两种基本形式绝对式光电码器与增量式光电码器。由于增量式光电码器较绝对式光电码器结构简单、分辨率高、价格便宜，因而应用较广泛，尤其是在高分辨率和大范围的位置测量中，增量式光电码器更具有优越性。增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，如图2-2所示，当电动机旋转时，编码盘随之一起转动。通过光栅的作用，持续不断地开放或封闭通路，因此，在接收装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波脉冲序列，从而可以计算转速。增量式旋转编码器示意图上述脉冲序列能正确地反映了转速的高低，但不能鉴别转向。为了获得转速的方向，可增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4。则两组脉冲序列A和B的相位差90度，如图2-3所示。正转时A相超前B相；反转时B超前A相。采用简单的鉴相电路就可以分辨出转向。3.2.2电流检测数字化电动机电流的数字检测方法常用的有下面两种选择1.直流电差位计直流电差位计是利用直流补偿原理制成的仪器。所谓补偿法是一种比较测量法，测量结果的准确度比较高，广泛运用于精密测量领域，以及高准确度指示仪表的检定和校准。2.霍耳元件由于霍耳元件对磁场的敏感，结构简单体积小，频带响应宽输出电动势的变化范围大，无活动部件使用寿命长等特点。因此，它具有广泛的应用。3.3 A/D转换器的选择单片机只能接收数字信号，外部模拟量要被单片机接收，就必须在单片机和外部模拟量之间加装A/D转换器。A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，它是一个模拟系统和单片机之间的接口，它在数据采集和控制系统中，得到了广泛的应用。常用的A/D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式。前者转换时间短，但抗干扰能力差；后者转换时间长，抗干扰能力强。在信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，宜采用后者。由于本设计信号变化比较快，因此采用逐次逼近型A/D转换器。3.4软件程序