煤矿铲车电气系统设计

中文题目煤矿铲车电气系统设计外文题目DESIGNOFELECTRICALCONTROLSYSTEMOFMINEFORKLIFT毕业设计（论文）共49页（其中外文文献及译文6页）图纸共1张完成日期2015年6月答辩日期2015年6月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PWMPULSEWIDTHMODULATION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ABSTRACTINORDERTODEVELOPINDUSTRYANDPROVIDESUFFICIENTENERGY,MUSTPOUROUTALARGEEXPLOITATIONOFCOAL,ANDSTRIPMININGISDEVELOPINGRAPIDLYDEVELOPMENTANDCONSTRUCTIONOFLARGEOPENPITMINE,THEKEYISTODEVELOPCOMPLETESETSOFEQUIPMENT,LARGEOPENPITMINEONLYDEVELOPMENTANDUSEOFADVANCEDTECHNOLOGYANDEQUIPMENT,INORDERTOGIVEFULLPLAYTOTHEADVANTAGESOFHIGHOUTOFTHEOPENPITMINEECONOMICBENEFITOURCOUNTRYMAINLYADOPTSTHECONTINUOUSMININGINMINES,MAINEQUIPMENTOFCONTINUOUSMININGEXCAVATORISOPENPITMINEELECTRICALSYSTEMASANIMPORTANTCOROLLARYEQUIPMENTOFMECHANICALSINGLEBUCKETEXCAVATOR,ITSPERFORMANCEANDFUNCTIONHADAGREATINFLUENCEONMECHANICALSINGLEBUCKETEXCAVATORTHISDESIGNINACERTAINTYPEOFMECHANICALSINGLEBUCKETEXCAVATORASTHEBACKGROUND,DESIGNBASEDONDCPULSEWIDTHMODULATIONPWMCONTROLSYSTEMOFELECTRICALCONTROLSYSTEMPWMISANANALOGSIGNALLEVELFORDIGITALENCODINGMETHODTHROUGHTHEUSEOFHIGHRESOLUTIONCOUNTER,THEDUTYCYCLEOFSQUAREWAVEISMODULATEDTOENCODEASPECIFICANALOGSIGNALLEVELPWMSIGNALISSTILLDIGITAL,BECAUSEINANYGIVENMOMENT,FULLOFAMPLITUDEOFTHEDCPOWERSUPPLYORCOMPLETELYON,ORCOMPLETELYWITHOUTOFFVOLTAGEORCURRENTSOURCEISAPASSONOROFFOFFTOREPEATPULSESEQUENCEISADDEDTOTHESIMULATIONOFTHELOADUPTONGISWHENTHEDCPOWERSUPPLYWASADDEDTOTHELOAD,ISBROKENWHENPOWERSUPPLYWASDISCONNECTEDASLONGASENOUGHBANDWIDTH,ANYANALOGVALUECANUSEPWMCODINGPULSEWIDTHMODULATIONPWMPULSEWIDTHMODULATIONISTHEUSEOFTHEMICROPROCESSORDIGITALOUTPUTTOANALOGCIRCUITSTOCONTROLAVERYEFFECTIVETECHNOLOGY,WIDELYUSEDINFROMMEASUREMENT,COMMUNICATIONTOPOWERCONTROLANDTRANSFORMINMANYAREASPWMPULSEWIDTHMODULATIONSYSTEMISREALIZEDWITHMECHANICALSINGLEBUCKETEXCAVATORINDCMOTORSPEEDCONTROL,SOASTOREALIZETHEFORWARDANDBACKWARDANDSPEEDCONTROLOFEXCAVATORKEYWORDSOPENPITMECHANICALSINGLEBUCKETEXCAVATORPWMPULSEWIDTHSPEEDREGULATIONELECTRICCONTROLSYSTEM目录1绪论111煤矿铲车概述112WK10型电铲行走机构的传动机构介绍113WK10型电铲车主要参数214WK10型电铲供电方式32电动机转矩的计算421履带行走装置的牵引力计算422电动机转矩的计算63煤矿铲车驱动电动机选型设计831电动机功率计算832电动机型号选择833直流他励电机的特性9331直流他励电动机的固有机械特性10332直流他励电动机的启动特性（降压启动）11333直流他励电动机的调速特性（调压调速）12334直流他励电动机的制动特性144直流调速系统的方案设计1641直流电机调速方案的选定1642选择PWM控制系统的理由1843选择IGBT的H桥型主电路的理由1844采用转速电流双闭环的理由195PWM调速系统的工作原理和组成2051PWM调速系统的工作原理2052PWM调速系统的组成21521控制电路组成22522PWM信号发生电路设计28523功率放大驱动电路设计31524主电路设计33525测速发电机35526滤波电路36527A/D转换376系统软件部分的设计3961PI转速调节器原理图及参数计算3962系统中的部分程序设计39621单片机资源分配39622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11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WK10型机械式单斗挖掘机的行走机构为例。12WK10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11为WK10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I248。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。WK10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。11WK10型挖掘机传动系统图11WK10EXCAVATORTRANSMISSIONFIGURE12WK10型挖掘机履带运行装置12WK10EXCAVATORCRAWLERRUNNINGGEAR1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13WK10型电铲车主要参数主要参数如下斗容103行走速度069KM/H最大爬坡角度13比压（平均）023减速比248循环时间（回转90）29S时理论生产率1230/H3配重350KN整机重力整机重量440KN（440T）9814316履带宽度710M履带长度840M转弯半径735M驱动轮直径051M设计以土壤密度为2G/2000KG/2T/的环境为背景，则电铲满载后的重力为333N43162109814512214WK10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21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；不稳定运行时的惯性阻力；坡道阻力；风阻力；转弯阻力；行走装置的内阻力等。因此，铲的牵引力须大于总的行走阻力。土壤对履带运行的阻力履带运行时，迫使土壤受挤压和变形而引起的运行阻力为（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006009，取006；G机器总重力，4316KN。所以KN。006431625896不稳定运行时的惯性阻力（22）式中行走速度，01917M/S（069KM/H）；T启动或制动的时间，2S；K系数，多机驱动取K2。不稳定运行是指启动或制动状态。则KN。243169810191728434坡道阻力（2SIN3）式中坡道倾角，13。所以。4316SIN1382089KN风阻力（24）式中A铲的迎风面积，约50工作状态时的风压，取250。所以NKN。2505012500125转弯阻力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（2225）式中B履带宽度，710M；L履带长度，840M；R转弯半径，735M；履带板与地面的摩擦系数，坚实的地面，取04；作用在履带板上的平均负荷，其值可按计算。2把带入公式，则，所以2224所以KN。048404316473549326行走装置内阻力在不作精确计算时，行走装置的内阻力可由简易近似公式计算（2（005007）6）所以KN。00500543162158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258968434820891252158139249（27）在转弯时258968434125493262158（21064868）所以，空载时的牵引力139249（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27073不稳定运行时的惯性阻力8817坡道阻力865风阻力125转弯阻力51568行走装置内阻力22561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27073881786512522561（21462019）在转弯时2707388171255156822561（211126910）所以，满载时的牵引力14620122电动机转矩的计算（1）空载时电动机需提供的转矩213924910000512248143179（2）满载时电动机需提供的转矩2146201100005122481503273煤矿铲车驱动电动机选型设计31电动机功率计算在实际计算履带行走装置的牵引力时，从中取大者，即和（31462011）取1500驱动电动机的功率。（336002）式中牵引力，1500000N；运行速度，069KM/H。所以N2875KW。15000000693600要保证铲在车道上运行，还应验算其附着力，使牵引力必须小于履带与地面间的附着力。GCOS（33）式中附着系数，因为土壤为坚实的土路，所以取05。所以成立。054316COS13210269150032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2875KW，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Z3152A的直流他励电动机，额定功率为152KW。参数如下额定电压330V额定功率152KW额定电流504A额定转速945R/MIN效率898最大转速1800R/MIN励磁功率31KW转动惯量552风量103/风压1010电枢回路电压降219V电感033MH33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3420式中理想空载转速。0图31他励电动机的机械特性图FIGURE31SEPARATELYEXCITEDMOTORMECHANICALCHARACTERISTICDIAGRAM331直流他励电动机的固有机械特性1）估算电枢电阻（3（050075）（1）5）式中额定运行条件下电动机的效率，。/（）1521000/（330504）091所以003382。060（1091）3305042）求36所以。3305040033829450331173）求理想空载转速0（307）所以R/MIN。033003311799654）求额定转矩（39558）所以95515210009451536因为,所以所选Z3152A15361503271275162型直流他励电动机满足驱动要求。根据点（0，）、（，）即（0，）（）绘制Z3152A直流099651536，945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FIGURE32SEPARATELYEXCITEDMOTORINHERENTPHYSICALCHARACTERISTICSCURVE332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N0，E0，而很小，所以，将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流/将很大，一般情况下能达到其额定值的1020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。小，电动机转矩也相应减小，电动机的工作点将沿特性由点G向点A移动，直到时T又下降到，此时电动机已工作在一个新的稳定转速。由于调压调速过程中为常数，所以，当为常数时，稳定运行状态下的电枢电流也是一个常数，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，故电动机转矩不变，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34改变电枢供电电压调速的特性FIGURE34CHANGETHECHARACTERISTICSOFTHEARMATURESUPPLYVOLTAGESPEEDCONTROL因为602所以（2）600331170033505160248（300005950000003611）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01M/S01917M/S之间调节，那么电压变化范围为空载时1010000003600005950100000036143179000059517673201917000000360000595019170000003614317900005953308满载时10100000036000059501000000361503270000595177162019170000003600005950191700000036150327000059533128334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，0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41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。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FIGURE41CHANGETHECHARACTERISTICSOFTHEARMATURESUPPLYVOLTAGESPEEDCONTROL2）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VM系统，又称静止WARDLEONARD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VM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。42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110000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。43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42IGBT的H桥型主电路FIGURE42HBRIDGEOFTHEMAINCIRCUITIGBT44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。5PWM调速系统的工作原理和组成51PWM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51PWM调速系统的基本主电路BASICPRIMARYCIRCUITOFFIGURE51PWMSPEEDCONTROLSYSTEM图52电动机电枢电压的波形MOTORARMATUREVOLTAGEWAVEFORMOFFIGURE52设矩形波的周期为T,正向脉冲宽度为，并设导通占空比为D，则1511由图52可求出电枢电压的平均值为1（1）21）（5（2）（21）2）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，即可改变，达到调速的目的。当时，电动机转速为零；当时，05005为正，电动机正转，且在时，,正向转速最高；当时，为1B）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（AB）输出端为高电平。随着计数值的增加，Q2Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（AB）输出端又变为低电平，这样就在U2的（AB）端得到了PWM的信号，它的占空比为53255255100那么只要改变X的数值，就可以相应的改变PWM信号的占空比，又根据式53（21）式342知改变占空比，可以改变电动机电枢电压的平均电压，从而实现对直流电动机转速的控制。使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”，使用数值比较器4585的B组与P1端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。2）PWM发生电路主要芯片的工作原理A芯片4585（1）芯片4585的用途对于A和B两组4位并行数值进行比较，来判断它们之间的大小是否相等。（2）芯片4585的功能表输入比较级取输出A3、B3A2、B2A1、B1A0、B0ABABA3B31001A3B3A2B21001A3B3A2B2A1B11001A3B3A2B2A1B1A0B01001A3B3A2B2A1B1A0B0000000A3B3A2B2A1B1A0B0100100A3B3A2B2A1B11100A3B3A2B21100A3B31100（3）芯片4585的引脚图图512芯片4858引脚图FIGURE512CHIP4858PINDIAGRAMB芯片4040芯片4040是一个12位的二进制串行计数器，所有计数器位为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数。当CR为高电平时，它对计数器进行清零，由于在时钟输入端使用施密特触发器，故对脉冲上升和下降时间没有限制，所有的输入和输出均经过缓冲。（1）芯片4040引出端功能符号CP时钟输入端CR清除端Q0Q11计数脉冲输出端VDD正电源VSS地端（2）芯片4040功能表输入CPCR输出LLH保持计数所有输出端均为L（3）芯片4040的引脚图图513芯片4040引脚图FIGURE513CHIP4040PINDIAGRAM523功率放大驱动电路设计该驱动电路采用了IR2110集成芯片，该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。1）芯片IR2110性能及特点IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术，于1990年前后开发并且投放市场的，IR2110是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。它把驱动高压侧和低压侧IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，可以达到600V，其内设欠压封锁，成本低、易于调试。高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对IGBT的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。与此同时，IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。降低了产品成本和减少体积。2）IR2110的引脚图以及功能图514芯片IR2110引脚图FIGURE514CHIPIR2110PINDIAGRAM引脚1（LO）与引脚7（HO）对应引脚12以及引脚10的两路驱动信号输出端，使用中，分别通过一电阻接主电路中下上通道MOSFET的栅极，为了防止干扰，通常分别在引脚1与引脚2以及引脚7与引脚5之间并接一个10K的电阻。引脚2（COM）下通道MOSFET驱动输出参考地端，使用中，与引脚13（VSS）直接相连，同时接主电路桥臂下通道MOSFET的源极。引脚3（VCC）直接接用户提供的输出极电源正极，并且通过一个较高品质的电容接引脚2。引脚5（VS）上通道MOSFET驱动信号输出参考地端，使用中，与主电路中上下通道被驱动MOSFET的源极相通。引脚6（VB）通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚3的高反压快恢复二极管，与用户提供的输出极电源相连，对VCC的参数要求为大于或等于05V，而小于或等于20V。引脚9（VDD）芯片输入级工作电源端，使用中，接用户为该芯片工作提供的高性能电源，为抗干扰，该端应通过一高性能去耦网络接地，该端可与引脚3（VCC）使用同一电源，也可以分开使用两个独立的电源。引脚10（HIN）与引脚12（LIN）驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率MOS器件的驱动脉冲信号输入端。应用中，接用户脉冲形成部分的对应两路输出，对此两个信号的限制为VSS05V至VCC05V，这里VSS与VCC分别为连接到IR2110的引脚13（VSS）与引脚9（VDD）端的电压值。引脚11（SD）保护信号输入端，当该引脚为高电平时，IR2110的输出信号全部被封锁，其对应的输出端恒为低电平，而当该端接低电平时，则IR2110的输出跟随引脚10与12而变化。引脚13（VSS）芯片工作参考地端，使用中，直接与供电电源地端相连，所有去耦电容的一端应接该端，同时与引脚2直接相连。引脚8、引脚14、引脚4为空引脚。3芯片参数最大高端工作电源电压VB03V至525V门极驱动输出最大（脉冲）电流IOMAX2A最高工作频率FMAX1MHZ工作电源电压VCC03V至25V贮存温度TSTG55至150C工作温度范围TA40至125C允许最高结温TJMAX150C逻辑电源电压VDD03V至VSS25V允许参考电压VS临界上升率DVS/DT50000V/S高端悬浮电源参考电压VSVB25V至VB03V高端悬浮输出电压VHOVS03V至VB03V逻辑输入电压VINVSS03V至VDD03V逻辑输入参考电压VSSVCC25V至VCC03V低端输出电压VLO03V至VCC03V功耗PDDIP14封装为16W524主电路设计1延时保护电路利用IR2110芯片的完善设计可以实现延时保护电路。IR2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互琐时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。2主电路从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。因此在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的。我们可以采取双PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。将IC1的HIN端与IC2的LIN端相连，而把IC1的LIN端与IC2的HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反。在HIN为高电平期间，Q1、Q4导通，在直流电机上加正向的工作电压。其具体的操作步骤如下当IC1的LO为低电平而HO为高电平的时候，Q2截止，C1上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q1的栅极上，从而使得Q1导通。同理，此时IC2的HO为低电平而LO为高电平，Q3截止，C3上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q4的栅极上，从而使得Q4导通。电源经Q1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过Q4到达零电位，完成整个的回路。此时直流电机正转。在HIN为低电平期间，LIN端输入高电平，Q2、Q3导通，在直流电机上加反向工作电压。其具体的操作步骤如下当IC1的LO为高电平而HO为低电平的时候，Q2导通且Q1截止。此时Q2的漏极近乎于零电平，VCC通过D1向C1充电，为Q1的又一次导通作准备。同理可知，IC2的HO为高电平而LO为低电平，Q3导通且Q4截止，Q3的漏极近乎于零电平，此时VCC通过D2向C3充电，为Q4的又一次导通作准备。电源经Q3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过Q2到达零电位，完成整个的回路。此时，直流电机反转。因此电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形，由于存在着机械惯性的缘故，电动机转向和转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的。设PWM波的周期为T，HIN为高电平的时间为T1，这里忽略死区时间，那么LIN为高电平的时间就为TT1。HIN信号的占空比为541因为电源电压为330V，那么电枢电压的平均值为551133021330图515主电路图515MAINCIRCUITDIAGRAM3）输出电压波形图516电动机电枢电压波形图FIGURE516MOTORARMATUREVOLTAGEWAVEFORM525测速发电机测速发电机是输出电动势与转速成比例的微特电机，分为直流与交流两种，本次设计选择直流的。其绕组和磁路经过精确设计，输出电动势E和转速N成线性关系，即（56）其中K常数改变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变。当直流电动机与测速发电机同轴连接时，只要检测出输出电动势，即可以获得直流电动机的转速，所以测速发电机又称速度传感器。测速发电机广泛应用于各种速度控制系统，在自动控制系统中作为检测速度的元件，通过反馈来调节电动机转速。本次设计所选测速发电机型号为ZYS3A，它是永磁式直流测速发电机，其参数如下额定电压110V额定电流200MA额定功率22W额定转速02000R/MIN负载电阻550重量3KG图517永磁式直流测速发电机FIGURE517PERMANENTMAGNETDCTACHOGENERATOR526滤波电路测速发电机的输出电压必须经过RC滤波后才能得到稳定的直流电压。滤波电路如图所示图518滤波电路图FIGURE518FILTERINGCIRCUITDIAGRAM527A/D转换1）芯片ADC0809介绍ADC0809是8位、逐次比较式A/D转换芯片，具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一的5V电源，其模拟量输入电压的范围为0V5V，其对应的数字量输出为00HFFH，转换时间为100S，无须调零或者调整满量程。2）ADC0809的引脚及其功能ADC0809有28个引脚，其中IN0IN7接8路模拟量输入。ALE是地址锁存允许，、接基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电电源就可以作为基准电源。START是芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿起动一次新的A/D转换。EOC是转换结束信号，可以用于向单片机申请中断或者供单片机查询。OE是输出允许端。CLK是时钟端。DB0DB7是数字量的输出。ADDA、ADDB、ADDC接地址线用以选定8路输入中的一路，详见下图。图519ADC0808芯片引脚图FIGURE519ADC0808CHIPPINMAPADDCADDBADDA选通输入通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN76系统软件部分的设计61PI转速调节器原理图及参数计算图61转速调节器原理图FIGURE61SPEEDCONTROLLERSCHEMATICS按照典型II型系统的参数选择方法,转速调节器参数和电阻电容值关系如下/0/1/40参数求法电动机152330504945/电枢电阻05取滤波电路中040470021则UMAX330UMIN3300905183YI10W1000转/分10/01175/12562系统中的部分程序设计621单片机资源分配工作寄存器0组ROR700H07H数据缓冲区30H7FHPSW4（RS10）PSW3RS00；选中工作寄存器0组P0口