数字式双闭环直流调速系统设计(共26页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上青岛理工大学自动化工程学院课程设计报告课程：电机与运动控制系统设计题目： 数字式双闭环直流调速系统设计 专业 自动化 班级 机电121姓名 飞飞飞 学号 指导教师： 赵宏才 时间： 2015 年 7 月 16 日成绩：评语：电机与运动控制系统课程设计任务书一、设计题目 数字式双闭环直流调速系统设计二、目的意义：本课程设计是自动化专业学生在学完专业课程“电机与运动控制系统”之后进行的一项实践性教学环节。通过此环节，使学生能结合已完成的基础课、技术基础课和专业课对“电机与运动控制系统”课程的主要内容进行较为综合的实际运用，进一步培养学生应用所学的理论知识解决实际设计问题的

2、能力，为毕业设计和将来从事实际工作奠定基础。双闭环调速系统是工业生产中重要的拖动控制系统，应用很广泛，也是其他复杂控制的基础。本专业学生应充分掌握速度和电流双闭环控制系统的结构、系统构成、设备及器件选择、参数整定计算以及绘制系统电路原理图等内容，并能用先进控制器实现控制策略，初步掌握设计的方法和步骤，增强独立查阅资料、分析问题和解决问题的能力，以及刻苦钻研的工作作风和严肃认真的工作态度。三、基本参数和设计要求（一） 基本参数直流电机：额定功率PN=18Kw, UN=220V, IN=94A, nN=1000r/min, 电枢回路电阻Ra=0.45, 电磁时间常数Tl=0.0297s，机电时间常

3、数Tm=0.427s, 电动势系数CE=0.2059 V/r.min, 过载系数。晶体管PWM功率放大器：工作频率2kHz，工作方式H型双极性。直流电源电压：264V。（二） 设计要求主要技术指标：调速范围D: 0-1000r/min, 额定时速度控制精度为0.1%（稳态无静差）；PWM占空比变化为00.51时，对应输出电压为-2640+264V, 为电机提供最大25A电流。速度检测采用光电编码器，其输出的两相 A、B脉冲经光电隔离辩相后获得每相1024个脉冲角度分辨力和方向信号。电流检测采用霍尔电流传感器，其原副边比为1000:1，额定电流50A。采用双闭环控制方式。系统具有过流、过压、过载

4、保护等。四、 设计内容（一）主回路选择和计算1 选择整流器包括：整流二极管的选择、绝缘栅双极晶体管的选择。2 泵升电压限制、滤波电容计算。3 主电路保护环节的选择和计算包括：交流侧过电压保护、直流侧过电压保护、过电流保护（二）控制电路设计包括：PWM驱动电路、反馈电路、芯片选择等（三）控制系统的动态计算及调节器设计包括：ACR的参数选择、ASR的参数选择（四）绘图画出控制系统电路原理图（包括主电路和控制电路，采用标准图纸打印）。（五）设计报告（说明书）要求1. 论述全面，叙述简洁，层次分明，书写清楚，图形、符号、曲线、数据等符合规范； 2. 有完整的设计说明、计算过程和系统工作原理； 3. 图

5、纸清晰，规范，使用标准A号图纸；4. 封面、任务书、图纸、须打印；课设报告摘要、正文、参考文献一律手写，统一为A4纸；5. 报告字数不少于3000字(正文)。中、英文摘要（各不少于200字），关键字（35个），列出参考文献（格式规范）；6. 装订：页面上端装订。装订顺序：封面，任务书，中、英文摘要，目录，正文，参考文献，附录1：电气元部件明细表，附录2：控制系统电路原理图。五、设计时间20142015学年 第2学期 第15、16周 2014-6-16注:学号尾数为1、6的同学选该题摘 要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和抑郁控制等优点，所以在电气传动中获得广泛应用。本文从直流电动

6、机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细的分析了系统的原理及动态、静态性能。然后再对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，并且对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套用双闭环调速系统，详细介绍了系统主电路、控制电路、调速电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并进行了动态数字仿真，同时查看仿真波形，一次验证设计的调速系统是否可行。关键词： 直流电机 直流调速系统 双闭环系统 仿真 AbstractDc

7、speed control system has a wide speed range, high accuracy, good dynamic performance and depression control etc, and so are widely used in electric transmission. From the working principle of dc motor, this paper established a mathematical model of double closed-loop dc speed regulating system, and

8、detailed analysis of the principle, dynamic and static performance of the system.Then the design of double closed loop speed regulation system parameter analysis and calculation, and the system has carried on the simulation of various parameters to set the basis of obtained parameters setting throug

9、h simulation.On the basis of theoretical analysis and simulation, this paper designed a set of dead sample with double closed loop speed regulation system, detailed introduces the system main circuit, control circuit, control circuit of the specific implementation.Experiments have been carried out t

10、o test the performance of the system, has reached the design requirements.Using control toolbox of MATLAB software to dc motor double closed loop speed regulation system for computer aided design, and has carried on the dynamic digital simulation, colleagues check the simulation waveform, a validati

11、on of design speed regulating system is workable.Keywords: dc motor speed regulation system of dc double closed loop system simulation目录一、设计目的1.1 课程设计的目的通过此次课程设计，使我们能结合已完成的基础课、技术基础课和专业课对“电机与运动控制系统”课程的主要内容进行较为综合的实际运用，进一步提高应用所学的理论知识解决实际设计问题的能力，为毕业设计和将来从事实际工作奠定基础。双闭环调速系统是工业生产中重要的拖动控制系统，应用很广泛，也是其他复杂控制的基

12、础。我们应充分掌握速度和电流双闭环控制系统的结构、系统构成、设备及器件选择、参数整定计算以及绘制系统电路原理图等内容，并能用先进控制器实现控制策略，初步掌握设计的方法和步骤，增强独立查阅资料、分析问题和解决问题的能力，以及刻苦钻研的工作作风和严肃认真的工作态度。二、系统总体方案设计2.1数字控制双闭环直流调速系统原理图2-1数字式直流双闭环PWM调速系统原理图根据设计任务要求整个系统原理如图1所示。采用了转速、电流双闭环控制结构，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为PWM的控制电压。从闭环反馈结构上

13、看，电流调节环在里面，是内环，按典型型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置（TA）对电流环进行检测，转速环则是采用了光电码盘进行检测，达到了比较理想的检测效果。PWM采用8051单片机以及4858、4040共同实现，驱动电路采用了IR2110集成芯片，具有较强的驱动能力和保护功能。2.2数字控制双闭环直流调速系统硬件结构根据系统原理我们设计了数字控制双闭环直流调速系统硬件结构，如图2所示，系统的特点：双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检

14、测；采用数字PI算法。由软件实现转速、电流调节系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路组成。主电路：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压，给直流电动机供电。检测回路：包括电压、电流、温度和转速检测。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（光电码盘）。故障综合：利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。图2-2微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图三、主电路设计3

15、.1主电路主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。3.1.1限流电阻为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入时影响整流电路的正常工作，并产生附加损耗。3.1.2泵升电压限制 当滤波电容C的端电压超过规定的泵升电压允许值时，VT导通，接入分流电路，把回馈能量的一部分消耗在分流电阻中。对于更大功率的系统，为了提高效率，可以在分流电路中接入逆变器，把一部分能量回馈到电网中去。3.2主电

16、路参数计算和元件选择主电路参数计算包括整流二极管计算，滤波电容计算、功率开关管IGBT的选择及各种保护装置的计算和选择等。 3.2.1整流二极管的选择 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： IF 1.1IO(AV) 21.1*99/2=54.5 (A) UR1.1U2=1.12220=340.2 (V) 选用2ZC系列的大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示： 型号 ZP100 额定正向平均电流IF(A) 100 额定反向峰值电压URM(V)1001600 正向平均压降 UF(V) 0.50.7 反向平均漏电流IR(MA) 6 散热器型号 SL18 在设计主电路时，

17、滤波电容是根据负载的情况来选择电容C值，使RC(35)T/2,且有 Udmax=0.92200.95=188(V) 2C1.50.02, 即C15000uF 故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400v，标称容量为22000 uF 3.2.2绝缘栅双极晶体管的选择 最大工作电流 Imax2Us/R=440/0.45=978(A) 集电极发射极反向击穿电压（BVCEO） BVCEO(23)Us=440660v 3.3调节器参数设计3.3.1系统设计的一般原则 按照“先内环后外环” 的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系

18、统中的一个环节，再设计转速调节器图3-2直流双闭环调速原理图3.3.2调节器参数设计电流环结构图最大允许电流Idm=1.594=141(A) 电枢电流范围为，A=0.0297s =0.0005s =1/=0.=0.5/ Ti =0.5/0.001=500 =R/()=500*0.0297*0.45/(0.264*0.904)=28 校验近似条件 电流环截止频率：wciKI=500 脉宽调制变换器传递函数近似条件 wci1/(3Ts) 1/(3Ts)1/(30.00025)=666.67500= wci 可见，满足近似条件。 小时间常数近似条件 wci满足近似条件。 忽略反电势对电流环影响的条件

19、：wci满足近似条件。 2.963.3.3转速环的参数设计 11110.0005500 3TsToi30.0005转速环结构图速度反馈回路的滞后时间机电时间常数=0.427s 约为=1ms 速度环的小时间常数为 =1/+=1/500+0.001=0.003s； 按跟随性能和抗干扰性能要求，取中频宽h=5，则积分时间常数为=(h+1)/2h =(5+1)/(2*5*5*0.003)=13333.333速度调节器比例系数检验近似条件 转速环截止频率 WcnKNTn=13333.333*0.015=200 B）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

20、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（255 -X / 255）*100%，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，从而进行直流电机的转速控制。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。4.2 PWM功率放大驱动电路

21、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。4.2.1 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MOSFET或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

22、、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MOSFET和IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对MOSFET和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。4.2.2 IR2110的引脚图以及功能引脚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

23、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。与引脚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0.5V，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

24、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Vss-0.5V至Vcc+0.5V，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，

25、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。4.2.3 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。4.3 PWM 控制H桥双极性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

26、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

27、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

28、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T-t1。HIN信号的占空比为D=t1/T。设电源电压为V，那么电枢电压的平均值为：Vout= t1 - ( T - t1 ) V / T= ( 2 t1 T ) V / T= ( 2D 1 )V定义负载电压系数为，= Vout / V, 那么 = 2D 1 ；当T为常数时，改变HIN为高电平的时间t1，也就改变了占空比D，从而达到了改变Vout的目的。D在01之间变化，因此在

29、1之间变化。如果我们联系改变，那么便可以实现电机正向的无级调速。当=0.5时，Vout=0,此时电机的转速为0；当0.51时，Vout为正，电机正转；当=1时，Vout=V,电机正转全速运行。图4-2PWM控制电路五、单片机小系统设计5.1主要芯片选择5.11控制系统组成在详细的系统分析、实用性、经济性分析的基础上，选用了MCS-51系列的 8051单片机、8253可编程定时器/计数器芯片、AD转换芯片ADC0809等组成。5.2 高精度数字测速电路5.2.1光电编码盘光电编码盘是将测得的角位移转换成为相应的电脉冲信号输出的数字传感器，本设计采用增量式光电编码器来采样转速信号。增量式编码器是专

30、门了用来测量转动角位移的累计量。这里以三相编码器为例来介绍增量式编码器的工作原理及其结构。增量式光电编码器在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧安放发光元件和光敏元件。当圆盘随电机旋转时，光敏元件接受的光增量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变成脉冲。码盘上有向标志，每转一圈z相输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向，码盘还提供相位相差90的两路脉冲信号。将A、B两相脉冲中任何一相输入计数器中，均可使计数器进行计数。编码盘输出的z相脉冲用于复位计数器，每转一圈复位一次计数器。编码盘的旋转方向可以通过D触发器的输出信号Q来判断。整形后的A、B两相输出信号分别接到D触发器的时钟

31、端和D输入端，D触发器的CLK端在A相脉冲的上升沿触发。由于A、B两相的脉冲相位相差90，当电机正转时，B相脉冲超前A相脉冲90，触发器总是在B脉冲为高电平时触发，这时D触发器的输出端Q输出为高电平。当电机反转时，A相脉冲超前B相脉冲90，则D触发器总是在B脉冲为低电平时触发，这时Q输出端输出为低电平，由此确定电机的转动方向。转速检测的精度和快速性对电机调速系统的静、动态性能影响极大。为了在较宽的速度范围内获得高精度和快速的数字测速，本设计使用每转1024线的光电编码器作为转速传感器，它产生的测速脉冲频率与电机转速有固定的比列关系，微机对该频率信号采用M/T法测速处理。5.2.2 M/T法测速

32、原理M/T法测速原理是在对光电编码器输出的测速脉冲数m1进行计数的同时对时钟脉冲的个数m2也进行计数。原理图如下：图5-3 M/T法测速原理图5.2.3 数字测速硬件电路图5-4数字测速硬件电路图数字测速硬件电路如图所示。图中8253的0号、1号计数器分别对m1m2进行计数，D触发器F1用来使m2的计数与测速脉冲计数同步，由于8253为下降沿计数，故使用反向器G，启动测速和停止测速信号有89C52单片机的软件向P1.2口输出，P1.3口用于测速电路软件输出复位脉冲信号。为实现m1和m2同步计数，8253的0号和1号计数器使用方式2工作。上电初始化进入这种方式后，可用GATE电平对计数过程进行监

33、控。当8051单片机在原理图上s点时刻向P1.2口输出高电平，发出启动测速信号，即置GATE0为高电平，0号测速脉冲计数器立即从初始值开始计数直至在原理图上b点时刻向P1.2口输出低电平，即发出停止测速信号，迫使计数过程停止。这样从测速启动点s到停止点b时间间隔内，GATE0为高电平，则输入8253 CLK0端口的测速脉冲计数值即为m1。在上图中，时钟计数器的GATE1与D触发器输出的Q端相接。当P1.2口输出高电平开始测速后，要等随后的第一个输入测速脉冲上升沿进入D触发器的触发脉冲CP端，Q才变为高电平，此后4MHZ时钟脉冲开始计数，相当于原理图中a点时刻。同样当P1.2口输出低电平停止测速

34、，时钟脉冲要等到图中c点才停止计数，此时时钟的计数值m2刚好是整m1个测速脉冲的时间间隔。5.3电流检测电路电流检测电路有霍尔电流传感器（TA），两级运算放大器和A/D转换器组成。若电枢回路的两匝穿过霍尔元件，则电动机的电枢电流与霍尔元件的输出电流之比是1000：1.在本设计中我们选用8位单极性AD将电流模拟反馈信号转换为数字量，输入微型计算机。而直流调速系统是双极性的，霍尔元件的输出信号是和电枢电流线性对应的双极性弱电流信号。因此需要对霍尔元件输出的信号进行转换、滤波、放大。电路原理图 （微型计算机控制技术P184图6-16）。图中R1=50,霍尔元件所允许的负载电阻，R2=10k。则霍尔元

35、件输出的电流信号Im线性地转换为电压信号Um，Um再经过两级运放放大和滤波后到达AD转换器的输入端口。电枢电流是双极性的，变化范围在A之，则=255/(141-(-141)=255/282=0.904/A图中C1、C2为滤波电容，整个反馈通道滤波时间常数为0.5ms。参考文献1陈伯时. 电力拖动自动控制系统，机械工业出版社，2005.7 第3版2赖寿宏. 微型计算机控制技术，机械工业出版社，20073杨宁. 单片机与控制技术，北京航空航天出版社，2005.24李荣生. 电气传动控制系统设计指导，机械工业出版社，2004.65 William L.Brogan, Ph.D. Modern Control TheoryNewJersey：Prentice-Hall，Inc.19856 Leonhard W.Control of Electrical Drives.Springer-Verlag，Inc.20017 Kuo B.C.Automatic Control Systems.Prentice-Hall, Inc.2002附录 附录1：电气元部件明细表整流二极管ZP100绝缘栅双极晶体管熔断器ACRASRIR21108253晶闸管IR2110 集成芯片51单片机霍尔传感器82794585PWM附录2 protel电路原理图及总框图电路原理图电路结构图专心-专注-专业