转速电流双闭环可逆直流PWM调速系统设计

课程设计题目：转速、电流双闭环可逆直流PWM调速系统设计学生姓名：学号：班级:专业：指导教师：起始时间：2016年6月6日--6月17日1摘要直流脉宽变换器，或称为直流PWM变换器，是在全控型电力电子器件问世以后出现的能取代相控整流器的直流电源。根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类。电流截至负反馈环节只能限制电动机的动态电流不超过某一数值，而不能控制电流保持为某一所需值。根据反馈控制原理，以某物理量作为负反馈控制，就能实现对该物理量的无差控制。用一个调节器难以兼顾对转速的控制和对电流的控制。如果在系统中另设一个电流调节器，就可以构成电流闭环。电流调节器串联在转速调节器之后，形成以电流反馈作为内环、转速作为外环的双闭环调速系统。利用单片机实现对直流电动机的双闭环调速，此系统使直流电机具有优良的调速特性，调速方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，制动和反转，能满足生产过程自动化系统的各种特殊运行要求。关键词：双闭环，PWM，直流电动机，单片机2目录摘要............................................................1一、设计的目的及意义................................................3二、设计要求........................................................3三、双闭环直流调速系统..............................................43.1、双闭环直流调速系统的原理...................................43.2、双闭环直流调速系统的静特性分析.............................63.3双闭环直流调速系统的数学模型.................................8四、转速环、电流环的设计...........................................104.1、转速调节器、电流调节器在直流双闭环系统中的作用............104.2、调节器的具体设计..........................................104.3、电流环的设计..............................................114.4、速度环的设计..............................................12五、PWM可逆直流调速系统...........................................145.1、PWM变换器.................................................145.2、整流电路..................................................155.3、泵升电路..................................................16六、控制电路的设计.................................................166.1、单片机....................................................166.2、测速电路..................................................176.3、键盘电路..................................................17七、双闭环可逆直流PWM调速系统的仿真...............................18八、结论...........................................................20附录...............................................................21附录A..........................................................21附录B..........................................................22参考文献...........................................................233一、设计的目的及意义1、训练学生正确的应用运动控制系统，培养解决工业控制、工业检测等领域具体问题的能力。2、学生通过课程设计，熟悉运动控制系统应用开发、研制的过程，软、硬件设计的工作方法、工作内容、工作步骤。3、对学生进行基本技能训练，例如组成系统、编程、调试、绘图等，使学生理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。二、设计要求：设计一个转速、电流双闭环控制PWM可逆直流调速系统，电动机控制电源采用H型PWM功率放大器，其占空变化为0～0.5～1时，对应输出电压为-264～264v,为电机提供的最大电流为25A，速度检测采用光电编码器，且其输出的A、B两相脉冲经光电隔离后获得每转1024个脉冲角度分辨率和方向信号；电流传感器采用霍尔传感器，其原、副边电流比为1000:1，额定电流50A，已知直流电动机：电动势系数eC=0.135V·min/r,主回路总电阻R=2.5Ω,。电流反馈滤波时间常数iT0=0.0025s,转速反馈滤波时间常数nT0=0.015s。额定转速时的给定电压(Un*)N=10V,调节器ASR，ACR饱和输出电压Uim*=8V,Ucm=6.5V。H型PWM功率放大器、工作频率为2KHZ，采用单极性、双极性工作方式；直流电源电压264V。直流电动机(一)：（1）输出功率为:7.5Kw电枢额定电压220V（2）电枢额定电流36A额定励磁电流2A（3）额定励磁电压110V功率因数0.85（4）电枢电阻0.2欧姆电枢回路电感100mH（5）电机机电时间常数2S电枢允许过载系数1.5（6）额定转速1430rpm环境条件:（1）电网额定电压:380/220V;（2）电网电压波动:10%;4（3）环境温度:-40~+40摄氏度;（4）环境湿度:10~90%；控制系统性能指标:（1）电流超调量小于等于5%;（2）空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于10%;（3）调速范围：D＝10;（4）静差率小于等于0.1。三、双闭环直流调速系统3.1、双闭环直流调速系统的原理对于经常正、反转运行的调速系统，应尽量缩短启、制动过程的时间，达到图1所示的理想过度过程曲线，完成时间最优控制。即在过渡过程中始终保持转矩为允许的最大值，使直流电动机以最大的加速度加、减速。到达给定转速时，立即让电磁转矩与负载转矩相平衡，从而转入稳态运行。对于恒磁通的他励直流电动机而言，转矩控制就成为了电流控制。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，图1所示的理想过度过程只能得到近似的逼近，其关键是要获得使电流保持为最大值dmI的恒流启=制动过程。图1时间最优的理想过渡过程5电流截止负反馈环节只能限制电动机的动态电流不超过某一数值，而不能控制电流保持为某一所需值。根据反馈控制原理，以某物理量作为负反馈控制，就能实现对该物理量的无差控制。用一个调节器难以兼顾对转速的控制和对电流的控制。如果在系统中另设一个电流调节器，就可以构成电流闭环。电流调节器串联在转速调节器之后，形成以电流反馈作为内环，转速作为外环的双闭环调速系统。在启、制动过程中，电流闭环起作用，保持电流恒定，缩小系统的过度过程时间。一旦到达给定转速，系统自动进入转速控制方式，转速闭环起主导作用，而电流内环则起跟随作用，使实际电流快速跟随给定值（转速调节器的输出），以保持转速恒定。转速、电流双闭环调速系统的原理图见图2，为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。转速闭环环节的原理和转速单闭环系统基本一致，只不过它的输出不再作为电力电子变换器的控制电压cU，而是用来和电流反馈量作比较，故被称为电流给定*iU。ASR调节器和ACR调节器的输出都是带限幅作用的，ASR调节器的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，ACR调节器的输出电压cmU限制了电力电子变换器的最大输出电压dmU。6图2转速、电流双闭环直流调速系统ASR----转速调节器ACR----电流调节器TG----测速发电动机TA----电流互感器UPE----电力电子变换器*nU----转速给定电压nU---转速反馈电压*iU----电流给定电压iU----电流反馈电压3.2、双闭环直流调速系统的静特性分析根据图2可以很方便地绘出双闭环调速系统的稳态结构图，如图3所示，在图中是用带限幅的输出特性表示了PI调节器。图3双闭环直流调速系统的稳态结构框图α----转速反馈系数β----电流反馈系数PI调节器的稳态特性一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值，不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时当调节器饱和时，输出为恒值，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，也就是说饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压U在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1.转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，PI调节器的作用使得输入偏差电压U都是零，因此，70n*nnnUU（1）di*iIUU（2）由式（1）可得0*nnnU（3）图4绘制了双闭环调速系统的静特性，图中CA段就是描述了两个调节器都不饱和时的静特性，电流的大小是从理想空载状态0dI一直延续到dmdII，表现为一条水平的特性。2.转速调节器饱和系统在稳态运行时，对应负载的电枢电流的最大值为dmI，如图4中的A点。在此工作点上，ASR的输出已达到饱和值*imU，若电动机负载继续增大，dmdIIL，造成0nn，在此0n的情况下，ASR的输出维持在限幅值*imU不变，转速外环呈开环状态。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环调速系统。稳态时dm*imdIUI（4）图4双闭环直流调速系统的静特性其中，最大电流dmI取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于0nn的情况，因为如果0nn,则*nnUU,ASR将退出饱和状态.8双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dmI时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起主要的调节作用,但负载电流达到dmI时,对应于转速调节器的饱和输出*imU,这时,电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流的自动保护.这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图4中虚线。3.3双闭环直流调速系统的数学模型1.双闭环直流调速系统的动态结构框图图5是转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构框图，)s(ASRW和)s(ACRW分别表示了转速调节器和电流调节器的传递函数。图5双闭环直流调速系统的动态结构框图2.双闭环系统的启动过程调速系统的被控对象是转速，而设置双闭环控制的一个重要目标是实现所期望的恒加速过程，最终以最优的形式达到所要求的性能指标。图6是双闭环调速系统在带有负载dLI条件下启动过程的电流波形和转速波形。9图6双闭环直流调速系统启动过程的转速和电流波形双闭环直流调速系统的启动过程有以下3各特点：（1）饱和非线形控制：随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全