直流调速课设

1、课 程 设 计 说 明 书题目：数字式PWM可逆直流调速系统 学院（系）： 电院自动化系 年级专业： 14级过程控制 学 号： 140103010042 学生姓名： 于力一 指导教师： 孙 浩 杨晟刚 教师职称： 讲 师 讲 师 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位：自动化系学 号140103010042学生姓名于力一专业（班级）过控1班设计题目数字式PWM可逆直流调速系统设计技术参数1调速范围D=20,静差率S5%。在整个调速范围内要求转速无级、平滑可调； 2动态性能指标：电流环超调量5%；空载起动到额定转速时的转速超调量10%。3采用第二组电机额定参数（详见附

2、页）。设计要求系统组成：设计直流拖动系统的主回路，控制回路，并合理选择元器件参数。绘制系统电路图。应用：根据系统要求选择合适的传感器对系统参数进行测量。工作量1完成设计说明书一份（包括原理的简要说明和主要参数的计算过程）；文稿用钢笔或圆珠笔书写，字迹应工整、清晰（打印也可）；2 绘制电气原理图（包括主电路、控制回路）A2图纸一张，可用铅笔绘制或用计算机绘制打印，应符合相关制图标准。工作计划第1周：查阅相关资料，分析并确定控制方案，完成简装操作电路;主回路的设计、计算，并确定主要元器件（包括必要的保护环节），并请指导教师审核；第2周：转速、电流双闭环直流调速系统调节器参数的设计、计算；电气原理图

3、设计；绘制硬件电路原理图（A2），并严格执行电气原理图绘图标准，并规定主回路用粗实线、控制回路用细实线；撰写课程设计说明书，并注意文字、图表、及格式的规范化；最后进行答辩。参考资料1电力拖动自动控制系统陈伯时主编（教材）2电力电子变流技术黄俊主编（教材）3电力拖动自动控制系统习题例题集童福尧（教材）4电气控制李仁主编（教材）指导教师签字孙浩，杨晟刚基层教学单位主任签字刘福才说明：此表一式二份，学生、指导教师各一份。2017年7 月 2日 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书数字式PWM可逆直流调速系统于力一（燕山大学 电气工程学院）摘 要： 本文主要介绍一种基于STM单片机的数字式PWM

4、可逆直流调速系统的设计。设计PWM变换器作为调速系统的可控直流电源，通过配置STM的输出PWM模式，利用寄存器TIMx_ARR和TIMx_CCRx生成频率和占空比可调的单极性PWM波。通过高速光耦合器PS7801和半桥驱动器IR2104实现PWM波对H桥功率器件IGBT导通与关断的控制。控制不同的IGBT的导通与关断，改变PWM波的占空比即可实现对电机运动方向和转速的调节。通过设计转速调节器和电流调节器实现双闭环控制系统，用编码器和电流传感器将控制系统的电流和转速数字化反馈给调节器，对转速实现高精度控制。调节器设置为PI调节器，既可以做到快速响应又可以消除静态误差，实现速度快速精准地跟踪给定。

5、关键词：stm32单片机 PWM变换器 双闭环 可逆系统目录一、系统总体设计方案41课设背景42数字式PWM可逆直流调速系统硬件概述43PWM脉冲调制54电机的技术参数65双闭环直流调速系统75.1双闭环可逆系统设计流程图75.2稳态结构图和静特性75.3各变量的稳态工作点和稳态参数计算8二、主回路设计及器件选择91主回路的设计92变压器参数计算93电力二极管参数计算104保护电路104.1交流侧过电压保护104.2直流侧过电压保护114.3快速熔断器短路保护125PWM生成电路135.1STM32最小系统设计135.2PWM功率放大驱动电路设计136励磁回路设计14三、控制回路设计及器件选择

6、151系统的动态结构图152电流调节器的设计162.1电流环结构框图162.2电流调节器的参数整定163转速调节器的设计193.1转速调节器结构的选择193.2转速调节器的参数计算193.3确定时间常数193.4选择、计算转速调节器参数203.5检验近似条件20四、辅助电路设计211.电源设计及自锁电路212.按键给定及液晶显示223.光电编码器转速测量23五、心得体会23附录24一、 系统总体设计方案1 课设背景 直流电动机具有良好的启动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和（或）快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。调节电动机转速的方式分为调压调速、弱磁调速和调节电枢回

7、路电阻调速，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最好。随着电力电子技术的发展，可控直流电源主要有两大类，第一类是相控整流器，它把交流电源直接转换成可控的直流电源；第二类是直流脉宽变换器，它先用不可控整流把交流电变成直流电，然后用PWM脉宽调制方式调节输出的直流电压。与V-M系统相比，直流PWM调速系统在很多方面有较大的优越性：1) 主电路简单，需要的电子电力器件少；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少；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，动态抗扰能力强；5) 电力电子开关器

8、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V-M系统。2 数字式PWM可逆直流调速系统硬件概述三相交流电源经不可控整流器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源，给直流电动机供电。检测回路包括电流、转速检测。此外，还具备故障检测功能，对泵升电压进行限制。数字控制器是系统核心，选用STM32，其本身带有A/D转换器、通用I/O和通信接口和PWM生成功能。控制软件一般采用转速、

9、电流双闭环控制，电流环为内环，转速换为内环，内环采样周期小于外环采样周期。为抗扰动，采用阻容电路滤波，可采用软件滤波和硬件滤波相结合的方法。图1-1 数字式PWM可逆直流调速系统硬件图3 PWM脉冲调制数字PWM信号由STM32单片机产生，脉冲宽度调制模式可以产生一个由TIMx_ARR寄存器确定频率、由TIMx_CCRx寄存器确定占空比的信号。在TIMx_CCMRx寄存器中的OMxM位写入110（PWM模式1）或111（PWM模式2），能够独立地设置每个OCx使出通道产生一路PWM。必须设置TIMx_CCMRx寄存器OCxPE位以使能相应的预装载寄存器，最有还要设置TIMx_CR1寄存器的AR

10、PE位，（在向上计数或中心对称模式中）使能自动装载的预装载寄存器。STM32产生PWM波用到的寄存器和定时器如图1.3所示，PWM波的占空比和频率的调节原理示意如图1.2所示。图1-2 PWM波的占空比和频率的调节原理图1-3 单片机脉冲宽度调制模式工作原理4 电机的技术参数主要参数直流电动机直流发电机测速发电机型号Z2-61Z2-42ZYS-3A额定容量(KW)103.50.022额定电压 (V)220230110额定电流 (A)53.515.30.22最大电流 (A)80.2522.95 额定转速（rpm）150014502000 额定励磁电压 220V电流0.61A ( Kg.)0.56

11、0.18电动机电枢电阻Ra(.20)0.28电动机电枢电感La(mH)8.85其他参数名称数值 整流侧内阻Rn()0.2整流变压器漏感 (mH)1.3电抗器直流电阻()0.13电抗器电感 ( mH )17.45 双闭环直流调速系统5.1 双闭环可逆系统设计流程图图1-4 双闭环调速系统设计流程图5.2 稳态结构图和静特性双闭环直流调速系统的稳态结构如图1.6所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，图中带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，

12、输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其做用是输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态。图1.6 双闭环直流调速系统的稳态结构图1-7 双闭环直流调速系统静特性5.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 （1-1） （1-2） （1-3）上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压决定的；ASR的输出量是由负载电流决定的；而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于和。这些关系反映了

13、PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。所以，转速反馈系数 电流反馈系数 二、 主回路设计及器件选择1 主回路的设计桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图2.1所示。PWM变换器的直流电源由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容滤波，以获得恒定的直流电压提供点数电压。图2-1 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路2 变压器参数计算由于接法是可以给基次谐波提供通路的，可以减少基次谐波的影响，因此整流变压器采用/Y接法，接线

14、原理图如下所示：图2-2 整流变压器原理图变压器参数选择：a.变压器二次侧相电压有效值为b整流变压器的标称功率为注：U为电动机额定电压，取220V；I为电动机额定电流，取53.5A3 电力二极管参数计算本设计为双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下：整流二极管的计算：根据二极管的最大整流平均IF 和最高反向工作电压UR分别应满足：电力二极管的选择：额定电压： 取1000V额定电流： 取70A查表得取二极管型号为ZL064 保护电路4.1 交流侧过电压保护在变压器副边并联电阻和电容，可以把变压器铁芯释放的磁场的能量转换为电场能量并储存再电容中，因为电容不可以使两端电压突

15、变，所以可以达到抑制过电压的目的，而串入电阻的目的是为了在能量转换的过程中消耗一部分能量，从而防止因变压器漏感和并联电容构成的震荡回路在闭合时产生的过电压，抑制了LC回路出现震荡，电路如图2.3所示：图2-3 交流侧保护电路其中C和R的计算公式为 取 取在公式中: S变压器每相平均电压计算容量，单位VA 变压器二次侧相电压有效值，单位 V 变压器激磁电流百分数 变压器的短路4.2 直流侧过电压保护PWM变换器的直流电源由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容滤波，以获得恒定的直流电压。由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流

16、，在整流器和滤波电容之间传C23入电阻R7，合上电源后，用延时开关将R7短路，以免在运行中造成附加损耗。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这式电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻R24消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通Q115。图2.4 直流侧保护电路4.3 快速熔断器短路保护熔断器的作用：当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，可能损坏电路中的某些重要器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若安装熔断器，则熔断器就会在电流异常升高到一定高度的时候，自身熔断，切断电流，从而起到保护电路的作用。为了防止主电路过电流

17、，在主电路串入熔断器进行过电流保护，为了防止由于电流过大而烧毁电力二极管，在二极管回路上加快速熔断器，如图2.4所示：图2-4 快速熔断器短路保护保护电路整流变压侧电流电压：电压 取136V电流二次侧；一次侧：变压器平均容量：5 PWM生成电路5.1 STM32最小系统设计图2-5 单片机最小系统单片机最小系统是控制系统的核心，设计时必须充分考虑抗干扰、防静 电和运行的稳定性。STM32F103TBT6 单片机内部各个模块都已经从单片机内部引出，只有 PLL 电路使用内部的稳压，其他各个部分都要自己外接电源， 外接各模块电源必须通过0欧电阻或者电感隔离开，防止外部电源波动影响 单片机正常工作。

18、由于成本的需要，下载器选择 ST-LINK。5.2 PWM功率放大驱动电路设计PWM波可以由STM32F103V8T6单片机通过编程来得以产生，当他频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际用用当中，当PWM频率在 10KHz左右时，效果最好。在本系统内，采用单片机的TIM_PWM功能输出两路PWM，经过PS8701输入到IR2104S的输入端，由IR2104S处理输出两路极性相反的PWM驱动IGBT VG1，VG2，VG3和VG4，进而控制电机转速和转向。如图2.6所示。图2-6 PWM功率放大驱动电路IR2104S是一种半桥驱动器，引脚功能如表一IR2104S引脚说明：表一 IR2104

19、S引脚功能表符号定义MinMaxUnitsVB高侧浮动电源电压的绝对VS+10VS+20VVS高侧浮动电源偏置电压600VHO高侧浮动输出电压VSVBVCC低压侧和逻辑固定电源电压1020VLO低侧输出端0VCCVIN逻辑输入电压0VCCSD逻辑输入电压使能0VCCCOMGND006 励磁回路设计图2-7 励磁回路由380V引出，经三角-星型变压器和三相不可控整流桥变流，经过调压电阻，获得励磁电流。三、 控制回路设计及器件选择1 系统的动态结构图图3-1 双闭环调速系统的动态结构图图中：转速调节器的传递函数； 电流调节器的传递函数；晶闸管整流与触发装置的静态放大倍数； 电流反馈滤波时间常数；转

20、速反馈滤波时间常数；PWM整流电路的失控时间，对于三相桥式电路；电动机电枢回路的电磁时间常数；机电时间常数；主回路总电阻；电动机电势系数；电动机转矩系数；转速反馈系数；电流反馈系数；KI-电流开环增益2 电流调节器的设计2.1 电流环结构框图图3-2电流环的动态结构框图在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂且把反电动势的作用去掉，把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单

21、位负反馈系统，由于和一般都比小得多，可以当作小惯性环节近似处理，则电流环结构框图最终简化成图3.3.图3-3 电流环的最终结构框图2.2 电流调节器的参数整定 2.2.1 确定时间常数：平波电抗器电感其中：整流变压器的漏感：电动机电枢电感1） 整流装置之后时间常数Ts，通过查表可得 2） 取3） 电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。2.2.2 选择调节器结构：根据设计要求，并保证稳态电流无误差，可按典型系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性型的，因此可用型电流调节器，其传递函数为 （3-1）2.2.3 计算电流调节器的参数 调节器的超前时间常数：电流环的开环增益：要求时，按表2

22、-2，应取，因此 ACR的比例系数为2.2.4 校验近似条件:电流环截止频率：（1） 校验晶闸管装置传递函数的近似条件 满足近似条件（2） 校验忽略反电动势的变化对电流环的动态影响的条件 满足近似条件（3） 校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件（5） 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 满足设计要求。3 转速调节器的设计3.1 转速调节器结构的选择转速控制系统的动态结构框图如图3.4. 图3-4 转速控制系统的动态结构框图转速环开环传递函数应共有两个积分环节，应该设计成典型II型系统，这样系统同时也能满足动态抗扰性能号的要求，ASR也应该采用PI调节器，不考虑负载扰动时

23、，校正后的调速系统动态结构框图如图3.4所示。3.2 转速调节器的参数计算转速调节器的参数包括和，按照典型型系统的参数有：图3-5 校正后的典型型系统 (3-2) (3-3)3.3 确定时间常数.电流环等效时间常数KI.转速滤波时间常数Ton，取.转速环小时间常数Tn，按小时间常数近似处理，取3.4 选择、计算转速调节器参数按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为 (3-4)按照跟随性能和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为转速环开环增益ASR的比例系数为3.5 检验近似条件转速环截止频率为：.电流传递函数简化条件为 满足简化条件.转速环小时间常数近似处理条件为 满足近似

24、条件校核转速超调量：四、 辅助电路设计1. 电源设计及自锁电路图4.1 电源电路及自锁电源设计：整流电路：利用二极管的单向导电性，将正负交替的交流电整流成单方向的脉动电压滤波电路：利用电容元件可以储能的性能，将整流后的输出电压的能量储存起来，然后慢慢的释放给负载，同时出去脉动信号，是输出电压更平滑。稳压电路：用三端式稳压器，7812和7805，分别输出12V和5V。自锁电路：在接触器的“自锁”电路，简单的两位按钮“开”和“断”，接触器的线圈一个接头，根据线圈的电压要求，接上一条火线或零线。在按电钮“开”的时候，由按钮接通线圈的另一个接头，提供了线圈电压，接触器吸合。当按钮断开时，按钮的这一条火

25、线，通过接触器的辅助接点，继续为线圈提供电压，接触器还可以保持接通状态，这就是接触器的“自锁”。如果要断开接触器，就按动按钮开关的“停”，接触器失电，断开了电路。2. 按键给定及液晶显示图4.2 液晶显示及按键给定显示使用了LCD1602液晶，能够同时显示32个字符（16列2行）。特性应用5V电压；对比度可调，内含复位电路；提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；有80字节显示数据存储器DDRAM；内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM；8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM；微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应

26、用系统中。采用4×4的矩阵键盘，可以速度给定等功能。按照上图所示，将键盘接到单片机的PE0E7端口。首先将 PE0PE3置为1（给电，高电平），将PE4PE7置为0（低电平），然后检测PE4PE7中哪个端口输入为1（高电平），若为 1，则说明相对应列的按键按下，否则相对应的按键未下，记下此时的按键所在行的值。判断完成后，继续将 PE47置为1（给电，高电平），将PE0PE3置为0，判断PE0PE3中哪个端口输入为1，若为1，则说明相对应的行按键按下，将之前记下的按键的列的数和此时所对应的行数相加即为所按按键数。最后判断按键是否一直按下，若松开则得出所按按键数。3. 光电编码器转速测量

27、 光电转换原理输出两组方波脉冲A、B；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。接线如图4.3所示。图4.3 光电编码器五、 心得体会课程设计结束了，课程设计在很大程度上实现的动手与动脑，理论与实际的相互结合，既是对工业环境的一个简单缩影，又是对理论知识的一种检验，很好地实现了从书本到实际操作的一个过渡。课程设计是对前面所学电力电子技术和运动控制理论的一种检验，致力于综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次交直流调速设计从而培养

28、和提高我们的独立工作能力，巩固与扩充交直流调速等课程所学的内容，掌握交直流调速课程设计方法和步骤，而且同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高，也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺，自己要学习的东西还太多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。参考文献：1 陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统M.第3版,北京：机械工业出版社，2007. 2 王兆安，黄俊等.电力电子技术M.第4版,北京：机械工业出版社，2000.3 任彦硕.自动控制原理M.机械工业出版社，2006.4 陈治明.电力电子器件M.北京：机械工业出版社，1992.附录/主程序int main(void)Adc_Init();/电流检测 函数初始化EXTIX_Init( );NVIC_Configuration();TIM2_Int_Init(999,7199);/编码器转速检测函数初始化LCD1602_Init();/转速显示函数初始化Motor_Con