自动控制数字式直流脉宽调速系统设计.docx
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自动控制数字式直流脉宽调速系统设计
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
姓名
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目录
第一章：
直流脉宽调速系统的概述………………………………4
第二章：
根据设计指标进行参数计算………………………………5
2.1设计指标…………………………………………………5
2.2参数计算…………………………………………………5
2.2.1电流反馈系数β和转速反馈系数α………………5
2.2.2ACR的设计及仿真……………………………………5
2.2.3ASR的设计及仿真……………………………………6
第三章：
硬件、软件设计…………………………………………9
3.1系统总体设计方案…………………………………………9
3.2主电路……………………………………………………10
3.2.1整流电路二极管的选择………………………………10
3.2.2主电路的开关器件选取………………………………11
3.2.3电流、转速、电压检测电路的选择…………………12
3.2.3.1电流检测电路的选择…………………………13
3.2.3.2转速检测电路的选择……………………………13
3.2.3.3电压检测电路的选择……………………………13
3.3控制电路…………………………………………………14
3.3.1键盘电路设计………………………………………14
3.3.2显示电路设计………………………………………14
3.3.3转速反馈量与单片机的接口设计…………………15
3.4软件设计……………………………………………………16
3.4.1主程序设计…………………………………………16
3.4.2键盘、显示程序设计………………………………16
3.4.3转速调节器数字PI子程序设计……………………19
3.4.4电流调节器数字PI子程序设计……………………19
3.4.5数字滤波子程序设计………………………………20
3.4.6其它程序设计………………………………………21
第四章：
总结………………………………………………………21
4.1个人小结·····································21
4.1器件的选择列表·······························22
数字式直流脉宽调速系统
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：
根据设计指标进行参数计算
2.1设计指标
直流电动机参数：
PN=20kW，nN=1500r/min，UN=220V，IN=106A，Ra=0.16Ω，R=0.6Ω，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σi≤5％，转速、电流无静差，主电路电力电子器件开关频率f≥1kHz。
2.2参数计算
2.2.1电流反馈系数β和转速反馈系数α
电流反馈系数：
转速反馈系数：
2.2.2ACR的设计
（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
根据设计要求σi≤5％，并保证稳态电流无差，可按典型I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PI型电流调节器。
电流调节器超前时间常数：
电流环开环增益：
要求σi≤5％时，查相关表，应取
，此时，阻尼系数ξ=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
2.2.3ASR的设计
（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
1电流环化简条件
，满足简化条件
2转速环小时间常数近似处理条件
，满足近似条件
图2.1ACR电流环的simulink仿真
图2.2ASR转速环的simulink仿真
第三章：
硬件、软件设计
3.1系统总体设计方案
微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE用的是直流PWM功率变换器，具体结构图如图3-1所示。
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，选用专为电机控制设计的Intel8X196MC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，可大大简化数字控制系统的硬件电路。
3.2主电路
3.2.1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。
如图3-2所示。
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。
整流二极管所承受的正反向电压最大值为三相交流电网线电压的峰值，即为
。
实际应用当中需要考虑到电网电压的波动及各类浪涌电压的影响，因此需要留有一定的安全裕量，一般取为此峰值电压的2～3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的电力二极管作为整流电路的主开关管。
3.2.2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=25ºC）为400W，结温为150ºC，存储温度范围为-40~125ºC。
栅极驱动电压:
IGBT开通时，正向栅极电压的值应该足够令IGBT产生完全饱和，并使通态损耗减至最小，同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。
在任何情况下，开通时的栅极驱动电压，应该在12~20V之间。
当栅极电压为零时，IGBT处于关断状态。
但是，为了保证IGBT在集电极、发射极电压上出dv/dt噪声时仍保持关断，必须在栅极上施加一个反向关断偏压，采用反向偏压还减少了关断损耗。
反向偏压应该在-5~-15V之间。
IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，因此栅极电阻值将对IGBT的动态特性产生极大的影响。
数值较小的电阻使栅极电容的充放电较快，从而减小开关时间和开关损耗。
为了使单片机发出PWM脉冲信号能够控制IGBT的导通，在中间必须使用一个驱动装置来实现脉冲信号的放大。
本文所设计的驱动电路采用300A，1200V快速型IGBT专用驱动模块EXB841。
该电路的信号延迟时间不超过1，最高开关频率可达40kHz-50kHz，外部只需要提供单电源20V，内部自己产生-5V反偏压。
该模块采用高速光电隔离，射极输出，并且有短路保护及慢速关断功能。
其工作原理如下：
主要有3个工作过程：
正常开通过程、正常关断过程和保护动作过程。
（1）正常开通过程：
当PWM输入信号使光耦导通时，A点电位迅速下降至0V，使VT1、VT2截止，D点电位上升至20V,VT4导通,VT5截止，EXB841通过VT4及栅极由电阻RG向IGBT提供电流，使之迅速导通。
与此同时,VT1截止。
+20V电源通过R3向电容C2充电，由于IGBT约1µs内已导通，VCE管压降约3V左右，从而将EXB841的6脚电位保持VD7-VCE-VST2的串联电压约8V，稳压管VST1的稳压值为13V，在IGBT导通过程中无法导通，于是VT3不通，E点电位较高，VD6截止，不影响VT4与VT5的正常工作。
（2）正常关断过程：
当光耦无输入信号时，A点电位上升，使VT1、VT2导通，VT4截止，VT5导通，使3脚电位下降，IGBT关断。
关断时管压降VCE迅速上升，使VD7截止，6脚悬空，又由于VT1导通，C2通过VT1将B、C两点的电压嵌在0V,VT3仍不通，IGBT正常关断。
（3）保护动作过程：
设在IGBT正常导通时发生短路现象，则由于主电流很大IGBT将退出饱和，VCE立即上升，6脚悬空，6脚电位不再篏位为8V，电容C2上的电压就立即上升，当充电电压高于13V时VT3开始导通，VT3导通C4放电，E点电位逐渐下降，慢慢关断IGBT，同时5脚上输出低电平作为过流报警输出。
图3-3IGBT触发电路
3.2.3电流、转速、电压检测电路选择
检测与传感是实现单片机控制的关键环节，它与信息系统的输入端相连。
并将检测到的信号输送到信息处理部分，是单片机控制系统的感受器官。
传感器是一种以一定精确度将被测量（如位移、力、加速度等）转换为与之有确定对应关系的，易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或装置。
检测是检出和测量的总和。
检出定义为指示某些特殊量的存在，但无需提供量值的过程。
测量则被定义为以确定被测对象量值为目的的全部操作。
传感检测技术就是应用传感器将被测信息转换成便于传输和处理的物理量，进而进行变换、传输、显示、记录和分析数据处理的技术。
本设计中电压V检测采用运算放大器配合光电耦合器件与单片机实现接口；电流I检测采用霍尔传感器LA50-NP检测直流电流；一旦检测到电压或电流超过设定的参数，单片机则立刻产生中断处理，即可封锁输出给IGBT的PWM信号，并控制发生声光报警。
3.2.3.1电流检测电路选择
本设计中可直接选用电压输出型电流霍尔元件。
它是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。
若霍尔元件有N型半导体制成，则自由电子沿与电流I相反的方向运动。
由于电子运动时受磁场中洛仑兹力FL作用，电子向一侧偏转，并使该侧形成电子的积累。
与此同时，元件的横向变形成了磁场，它使随后的电子在受到FL的同时，还受到与此反向的电场力FE的作用。
当两力相等时，电子的积累变达到动态平衡，这时在两横端面之间建立的电场成为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。
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。
3.2.3.2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。
3.2.3.3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。
（1）光电耦合器的结构及特点
普通光电耦合器以发光二极管为输入端，光敏三极管为输出端。
光电耦合器绝缘电阻可达1010以上，并能承受1500V以上的高电压。
被隔离的两端可以不共地自成系统，避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰。
另外，以发光二极管作为发光源，其动态电阻很小，可以抑制系统内外的噪声干扰。
（2）光电耦合器输入控制和输出形式
光电耦合器的发光二极管正常发光电流为毫安级，为满足电流要求，长采用限流电阻的开关输入控制。
输出也分为集电极输出和发射极输出等形式。
3.3控制电路
3.3.1键盘电路设计
本次设计采用4×4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4×4键盘的Y3、Y2、Y1及Y0，P2的低4位连接4×4键盘的X3、X2、X1及X0。
图3-4键盘电路
3.3.2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
3.3.3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8~12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3－6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。
3.3.4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蜂鸣音报警电路
3.4软件设计
3.4.1主程序设计
主程序完成实时性不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其他外设通信等功能。
主程序框图如图3-8所示。
图3-8主程序框图
3.4.2键盘、显示子程序设计
键盘和显示的流程图如图3-9和3-10所示。
图3-9键盘程序流程图
键盘子程序ORG0
START:
MOVR0,#0
MOVR1,#4
MOVR2,#EFH
SCAN:
MOVA,R2
MOVP2,A
JNBP2.0,KEYIN
INCR0
JNBP2.1,KEYIN
INCR0
JNBP2.2,KEYIN
INCR0
JNBP2.3,KEYIN
INCR0
MOVA,R2
RLA
MOVR2,A
DJNZR1,SCAN
JMPSTART
KEYIN:
CALLDEBOUNCE
MOVA,R0
DAA
MOVP1,A
JMPSTART
DEBOUNCE:
MOVR7,#40
D1:
MOVR6,#200
DJNZR6,$
DJNZR7,D1
RET
END
图3-10显示程序流程图
显示子程序：
ORG0
START:
MOVP1,#10H
CALLDELAY
MOVP1,#11H
CALLDELAY
MOVP1,#12H
CALLDELAY
MOVP1,#13H
CALLDELAY
MOVP1,#14H
CALLDELAY
MOVP1,#15H
CALLDELAY
MOVP1,#16H
CALLDELAY
MOVP1,#17H
CALLDELAY
JMPSTART
DELAY:
MOVR7,#10
D1:
MOVR6,#200
DJNZR6,$
DJNZR7,D1
RET
END
3.4.3转速调节数字PI子程序设计
进入转速调节器中断服务子程序后，首先应保护现场，再计算实际转速，完成转速PI调节，最后启动转速检测，为下一步调节器做准备。
在中断返回前应恢复现场，使被中断的上级程序正确可靠地恢复运行。
具体的程序如下：
ORG0
PUSHPSW
PUSHA
SETBRS0
MOVA,20H
MOV22H,32H
MOV23H,33H
CPLRS0
POPA
POPPSW
CALLPISF
MOVR0,32H
MOVR1,33H
RET
END
3.4.4电流调节器数字PI子程序设计
电流调节器中断服务子程序主要完成电流PI调节器和PWM生成功能，然后启动A/D转换，为下一步调节左准备。
具体的程序如下：
ORG0
PUSHPSW
PUSHA
SETBRS0
MOVA,22H
MOV22H,52H
MOV23H,53H
CPLRS0
POPA
POPPSW
CALLPISF
MOVR0,52H
MOVR1,53H
RET
END
3.4.5数字滤波子程序设计
在检测得到的转速信号中，不可避免地要混入一些干扰信号。
采用模拟测速时，常用由硬件组成的滤波器来滤除干扰信号；在数字测速中，硬件电路只能对编码器输出脉冲起到整型、倍频的作用，往往用软件来实现数字滤波。
数字滤波具有使用灵活、修改方便等优点，不但能代替硬件滤波器，还能实现硬件滤波器无法实现的功能。
数字滤波可以用于测速滤波，也可以用于电压、电流检测信号的滤波。
常用的数字滤波方法：
算术平均值滤波、中值滤波和中值平均滤波。
本次设计用的数字滤波程序的流程图如图3-11所示。
图3-11数字滤波的程序流程图
数字滤波的具体程序如下：
ORG0
MOVA,30H
MOV31H,A
MOVA,30H
MOVB,#a
MULAB
MOV30H,A
MOVA,#1
CLRC
SUBBA,#a
MOVB,31H
MULAB
ADDA,30H
RET
END
3.4.6其它程序设计
初始化程序完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。
进入故障保护中断服务子程序后，首先封锁PWM输出，再分析、判断故障，显示故障原因并报警，最后等待系统复位。
当故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保护中断，而转速调节和电流调节均采用定时中断。
三种中断服务中，故障保护中断的优先级别最高，电流调节中断次之，转速调节中断的级别最低。
第四章：
总结
4.1个人小结：
本人学习
（1）充分考虑自己的兴趣。
也许自己本来并不对该方向感兴趣，但是许多人都说好，于是自己就“感兴趣”了。
这对以后的发展是很不利的，毕竟兴趣是最好的老师。
（2）衡量自己的综合素质。
自动化专业需要具有扎实的数学、物理基础，较强的外语综合能力，为今后能够掌握并且灵活运用专业知识做准备。
该专业方向的人才需求虽然大，但可供选择的人也很多，如果没有非常强的综合素质，很难在众人之中脱颖而出，取得突出成绩。
也许这对许多胸怀远大志向的考生来说是不能接受的。
4.2器件的选择列表：
变压器参数见表4-1,电子开关器件见表4-2，所选芯片见表4-3，电阻电容器件见表4-4，其它元器件见表4-5。
表4-1变压器参数
T1
T2
U1T
220V
U1T
380V
U2T
147V
U2T
212V
I1T
2.8A
I1T
65.8A
I2T
4A
I2T
106
SN
600VA
SN
25kW
表4-2电子开关器件
器件
型号
数量
D1
2CZ14A~F
4
D2
ZP300
6
VT1
STGE200NB60S
1
VT2
STGE200NB60S
1
VD1
ZP300
1
VD2
ZP300
1
Vb
54MT80K
1
表4-3芯片
芯片
数量
AT89C51
1
74LS47
1
Intel8X196MC
1
BIC8708
2
74LS138
1
EXB841
2
表4-4电阻电容器件
器件
型号
数量
器件
型号
数量
C0
260
F
1
R5
0.5kΩ
1
C1
1200
F
1
R6
1kΩ
1
C2
1200
F
1
R7
99kΩ
1
C3
10
F
1
R9
10kΩ
1
C4
20
F
升级会员 