基于-Arduino-的直流电机调速

东北石油大学课程设计2014年12月5日课程电气工程课程设计题目基于Arduino的直流电机调速系统设计院系电气信息工程学院电气工程系专业班级电气11-2班学生姓名姜山学生学号110603140218指导教师任爽姚建红东北石油大学课程设计任务书课程电气工程课程设计题目基于Arduino的直流电机调速系统设计专业电气工程及其自动化姓名姜山学号110603140218主要内容：设计一种基于Arduino直流电机PWM调速系统，包括主电路和控制电路，以及有关的控制手段与Arduino控制指令。主电路由IGBT构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。直流调速系统是电机调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。基本要求：应用Arduino，设计一个直流电机调速系统，动态指标是电流超调量为5%以下，采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。参考资料：[1]王兆安.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2000.[3]刘笑飞,王强,周晶晶.基于单片机的直流电机PWM调速系统[J].科技传播,2010(19)[4]王立红.基于单片机的直流电机控制系统设计[J].知识经济,2011(08)[5]李娟.高温恶劣环境下基于PIC单片机的直流电机控制系统[J].科协论坛(下半月),2010(12).完成期限2014.11.24至2014.12.5指导教师专业负责人2014年11月20日目录1设计要求........................................................................................................................12设计简介........................................................................................................................12.1控制平台ARDUINO简介.....................................................................................12.2直流脉宽调制系统的优越性..............................................................................12.3控制目标..............................................................................................................22.4控制方案..............................................................................................................23调速系统电力电路设计................................................................................................23.1直流调速系统概述..............................................................................................23.2电路结构的设计..................................................................................................43.3部分元件参数计算..............................................................................................74调速系统控制部分设计................................................................................................94.1控制模型..............................................................................................................94.2控制程序............................................................................................................115结论..............................................................................................................................19电气工程课程设计（报告）11设计要求1）调速系统的设计基于Arduino；2）该调速系统可以在额定转速之下进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围，系统工作范围内能稳定运行；3）系统静特性良好，无静差；4）动态指标：电流超调量5%，采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。2设计简介2.1控制平台Arduino简介Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（ArduinoIDE)。Arduino，是一个基于开放原始码的软硬件平台，构建于开放原始码simpleI/O介面版，并且具有使用类似Java，C语言的Processing/Wiring开发环境。Arduino包含两个主要的部分：硬件部分是可以用来做电路连接和Arduino电路板；另外一个则是ArduinoIDE，计算机中的程序开发环境。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，收录进微控制器。对Arduino的编程是利用Arduino编程语言(基于Wiring)和Arduino开发环境(基于Processing)来实现的。基于Arduino的项目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上运行的软件，他们之间进行通信(比如Flash,Processing,MaxMSP)来实现。为了增加系统的可开发性以及保证较高的控制水平，本次设计选用高性能的ArduinoMega2560。2.2直流脉宽调制系统的优越性a.主电路简单，需用的电力电子器件少；b.开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都很小；c.低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；d.若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，抗扰能力强；电气工程课程设计（报告）2e.电力电子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。由于上述优点，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。2.3控制目标控制目标是一台直流电机，其部分参数如表1所示。表1直流电机参数额定电压220V额定电流136A额定功率10kW额定转速1460r/min电枢回路电阻R0.5Ω电磁时间常数Tl0.03s机电时间常数Tm0.18s2.4控制方案系统由于使用了Arduino平台，是数字控制平台，在数字平台下，用PWM脉宽调制技术比较方便，因此系统设计成直流脉宽调速系统。为了提高系统的响应速度，减少计算时间，因此采用单闭环的控制方式。通过引入中断来限制电机电枢电流。3调速系统电力电路设计3.1直流调速系统概述直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内的平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近几年，高性能交流调速技术发展很快，然而直流拖动系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，因此直流调速系统还广泛的应用在生产实践之中。3.1.1直流调速系统的调速原理从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种电气工程课程设计（报告）3系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。直流电动机的各种物理量之间的关系如下：22d375daaeeTaeTaaaaajeLUUnKKKEKnTKIUEIRRGDnTTt直流电机调速的机理是改变直流电机的输出转矩，负载转矩不变时，输出转矩增大，使转速增加。根据上面的公式组可以得到其调速过程如下：,,aaaeLaaUEITTnEI不变不变aU的增大先使aI上升，又使aI下降，从而在新的转速下达到了平衡。简化上面的式子可以得到直流电动机的转速和其它参量的关系，如下式：eUIRnK式中：n——电动机转速；U——电枢供电电压；I——电枢电流；R——电枢回路总电阻，单位为；eK——由电机机构决定的电势系数。在上方程中，eK是常数，电流I是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法：1）调节电枢供电电压U；2）减弱励磁磁通；3）改变电枢回路电阻R。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。改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。电气工程课程设计（报告）43.2电路结构的设计系统主要分电力部分、电源部分与控制部分三大部分。电力部分是系统的关键，起到能量转换的作用；控制部分起到协调系统之间的力学关系与电学关系之间的平衡，使系统可以按照我们的想法正确的运行。电源部分是为了给上述两大部分提供合理可靠的电源，保证系统正常工作。系统的总体电路结构如图所示（省略电动机的励磁回路）：图1系统的整体结构图3.2.1主电路部分——带制动的不可逆PWM变换器原理为了提供制动时的反向电流通道，主电路部分采用如图2所示的双管交替开关电路。当VT1导通时，流过正向电流，VT2导通时，流过反向电流。应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限，因为平均电压Ud并没有改变极性。图2有制动电流通路的不可逆PWM变换器原理图MIGBT驱动电路开关电源三相电源可控整流三相变压器上位机FBSArduinoUs+M+-VD2VT1VD1E4123C0VT2Ug2Ug11234M电气工程课程设计（报告）5图3.2所示电路的电压和电流波形有三种不同情况，下面分别进行叙述：a.一般电动状态在一般电动状态中，始终为正值（其正方向示于图2中）。设ton为VT1的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段，如图3所示。图3一般电动状态的电压、电流波形在0≤t≤ton期间，Ug1为正，VT1导通，Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流id沿图中的回路1流通。在ton≤t≤T期间，Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。因此，实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。b.制动状态在制动状态中，id为负值，VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动