转速电流双闭环不可逆直流调速系统

沈阳工程学院课程设计I摘要直流电机传统的调速方法调节精度低、能源利用率低、调速不稳定、可控性较差；而脉宽调制（PWM）直流调速技术，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低等特点，不仅实现了对电机速度的实时调节，而且还体现了节约能源，经济实用的特点。本文介绍了美国德州仪器（TI）公司的超低功耗16位单片机MSP430F2619。基于MSP430F2619设计一直流电机双闭环PWM调速系统，由测速发电机检测直流电机转速构成速度反馈，利用整流桥构成电流反馈。MSP430F2619完成转速、电流双闭环PI控制器的数字控制，且单片机的定时器生成PWM波，经功率驱动芯片放大后控制直流电机的电枢电压进行平滑调速。从而实现了控制系统简单、调速性能可靠。关键词：MSP430，直流电机，PWM调速，双闭环控制器转速电流双闭环不可逆直流调速系统的设计-II-目录摘要................................................................................................................................................I1引言............................................................................................................................................11.1直流电机调速技术的发展............................................................................................11.2PWM调速技术.............................................................................................................12研究课题的目的和意义..............................................................................................................23设计要求......................................................................................................................................33.1给定条件...........................................................................................................................33.2技术要求...........................................................................................................................34系统总体方案设计......................................................................................................................44.1双闭环调速系统的结构图...............................................................................................44.2直流双闭环系统的原理...................................................................................................44.3双闭环调速系统优点.......................................................................................................44.4转速电流双闭环直流控制系统.......................................................................................64.5PWM变换器介绍............................................................................................................85电路设计....................................................................................................................................125.1PWM（双极性）主电路设计.......................................................................................125.2双闭环调节器电路设计.................................................................................................126系统参数计算............................................................................................................................136.1电流调节器的设计........................................................................................................136.2转速调节器的设计........................................................................................................15总结...............................................................................................................................................20参考文献.......................................................................................................................................21沈阳工程学院课程设计-1-1引言三十多年来，随着电力电子技术的不断进步,直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，随着计算机技术与现代控制理论的发展，控制电路向高集成化、小型化、高可靠性及低成本方向发展。在全控型电力电子器件问世后，基于脉宽调制的高频开关控制的直流脉宽调速系统（PWM调速系统）的应用，不仅使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，而且使直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化。近几年来，随着单片机成本的降低，以单片机为控制核心的PWM调速系统越来越多，其特点是通过程序产生控制脉冲，电路简单；开关频率高，电流连续，谐波少；低速性能好,稳速精度高，调速范围宽。1.1直流电机调速技术的发展直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能远远超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。如今，电力电子技术中大功率器件（IGBT等）的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统[1][2]。1.2PWM调速技术直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法是：改变电枢电压调速。而传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻值大小改变电枢电压,达到调速的目的,这种方法效率低、平滑度差，且转速越慢,能耗越大，因而经济效益低。随着电力电子的发展,出现了许多新的电枢电压控制方法。如:由交流电源供电,使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制(PWM)调压等。这些调压调速法具有平滑度高、能耗少、精度高等优点,在工业生产中广泛使用,其中PWM的应用更为广泛。脉宽调制(PWM)调压[3][4]的基本原理是：利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开,并通过改变一个周期内电源的接通和断开时间的长短,即用改变电机电枢（定子）电压的接通和断开的时间比(占空比)来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。在脉宽调速系统中,当电机通电时,其速度增加；电机断电时,其速度降低。只要按照—定的规律改变通、断电的时间,即可使电机的速度达到并保持一稳定值，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为开关驱动装置转速电流双闭环不可逆直流调速系统的设计-2-2研究课题的目的和意义而在众多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。因此，本次设计以H型PWM直流控制器为主要研究对象。要研究PWM调速方法，不能不提到微电子技术、电力电子技术和微机控制技术，没有这些技术的支持，我们就只能还是在走前人的老路，被模拟、人工控制的思维所禁锢。在电动机转速控制领域，如果不能有效的引用这些技术，我们很难有所突破，发现问题，进而有所进步。PWM控制技术一般可分为三大类，即正弦PWM、优化PWM及随机PWM，从实现方法上来看，大致有模拟式和数字式两种，而数字式中又包括硬件、软件或查表等几种实现方式，从控制特性来看主要可分为两种：开环式（电压或磁通控制型）和闭环式（电流或磁控型）。随着计算机设计技术的不断进步，数字化PWM已逐步取代模拟式PWM，成为电力电子装置共用的核心技术。交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于PWM技术的不断进步。目前广泛应用的是在规则采样PWM的基础上发展起来的准优化PWM法，即三次谐波叠加法和电压空间矢量PWM法，这两种方法具有计算简单、实时控制容易的特点。1.2选择PWM控制系统的理由自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的控制方式，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[4]。PWM系统在很多