数字式直流脉宽调速系统设计.doc

目 录 目 录1概述2一 设计指标2二 参数计算22.1 预置及固有参数计算：22.2 选择电流调节器结构32.3 计算电流环参数32.4 电流环检验近似条件42.5 选择转速调节器结构42.6 计算转速环参数42.7 转速环检验近似条件5三 系统仿真分析53.1 MATLAB绘制双闭环系统动态结构图53.2 MATLAB下仿真运行结果6四 系统硬件设计64.1 系统总体设计方案64.2 主电路设计74.2.1 主电路整体设计74.2.2整流电路及其二极管选择84.2.3主电路开关器件选择94.2.4 IGBT驱动电路的设计104.2.5电流、转速、电压检测电路的设计114.3控制电路设计124.3.1键盘及显示电路设计124.3.2通信电路设计144.3.3 模拟量给定、电流、电压、转速等反馈量与单片机的接口设计144.4软件设计154.4.1主程序框图154.4.2键盘及显示程序154.4.3转速调节数字PI子程序194.4.4电流调节数字PI子程序204.4.5数字滤波子程序204.4.6 其他程序21五 设计总结215.1器件清单215.2设计过程总结及收获21概述 如何用计算机的新方法来控制调整直流电动机的转速的问题是现在工业控制中急需应用的问题。通常在工业上控制直流电动机转速的方法常用调压线圈来改变直流电动机线圈两端的电压来调整转速，但问题是速度调整不精确而且也不稳定，调压线圈也经常发生短路烧毁等故障现象，容易受外界因素的影响。如果采用单片机来进行自动控制直流电动机的转速，既可以避免以上缺点，又可以减少设备费用和人力等等。 工业生产广泛使用电力拖动，电力拖动的耗电量占了工业生产耗电量的一半左右，而电力拖动又离不开调速和控制，工业上对电动机的控制方式多种多样,一些工厂和企业对电动机仍采用人工手动控制方式,由于人为的各种因素,会造成产品质量和生产效率降低,生产成本提高。故对电机的自动控制和调速进行研究对我国的工业发展有着及其深远的意义。为了使生产机械以最合理的速度进行工作，从而提高生产率和保证产品具有较高的质量，许多生产机械要求在不同的情况下，以不同的转速工作。例如，车床在进行粗加工时，要求主轴速度较低而进给速度较高，以提高生产率时；要求主轴速度较高进给速度较高低，以保证对工件的粗糙度要求；再比如电梯和其它要求准确停车的生产机械，在停车前要降低速度，以提高停车的准确性。这就要求我们采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，一满足生产的需要。通常，我们把这种为了满足生产需要而人为改变拖动电机的转速，使电动机从一个稳定转速过渡到另一个稳定转速的过程称为调速过程，简称调速。对于采用电动机作原动机的生产机械，实现调速的方案通常有电气调速、机械调速和机电配合调速三种。机械调速是靠改变传动机机构的转速比来调节工作机构的转速；而电气调速是靠调节电动机的转速来调节工作机构的转速。电气调速有许多优点，如传动机构简单、调速时不需要脱离负载、技术性能好等。因此，电气调速获得了广泛的应用。直流电机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，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。一 设计指标直流电动机参数：，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，转速、电流无静差，主电路电力电子器件开关频率。二 参数计算2.1 预置及固有参数计算：1) 电枢电源采用直流脉宽调制电源，滞后时间常数为2) 电动机电动势系数3) 由ACR输出限幅值：， 则 取启动电流：4) 由ASR输出限幅值为：，则电流反馈系数为：5) 由转速最大给定值：，则转速反馈系数： 转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取=0.005s。2.2 选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型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型电流调节器检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型型系统动态抗扰性能指标，都可以接受。2.3 计算电流环参数电流滤波时间常数。应有(12) =3.33ms,因此取=0.001s。电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。电流调节器超前时间常数：电流环开环增益：要求时，由相关表知，应取，因此于是，ACR的比例系数为2.4 电流环检验近似条件电流环截止频率：1) 整流装置传递函数近似条件，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。按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为满足设计要求。2.5 选择转速调节器结构按型系统设计转速环，ASR选用PI调节器，传递函数为按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5。2.6 计算转速环参数电流环等效时间常数。由得 转速环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取转速调节器超前时间常数：转速环开环增益ASR的比例系数为2.7 转速环检验近似条件1) 转速环截止频率为2) 电流环传递函数简化条件为，满足简化条件3) 转速环小时间常数近似处理条件为，满足近似条件。三 系统仿真分析3.1 MATLAB绘制双闭环系统动态结构图图1 双闭环系统动态结构图 3.2 MATLAB下仿真运行结果图2 仿真运行结果从仿真结果看，所设计系统基本满足设计要求。四 系统硬件设计4.1 系统总体设计方案图 3 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图单片机可选用AT89C51、AT89S52等。图4 AT89C51管脚图 AT89C51 系列单片机是美国ATMEL 公司近年来推出的一种新型高性能低价位、低电压低功耗的8 位CMOS 微型计算机。它的显著优点是: 内含Flash 存储器,这在系统的开发过程中,可随意进行程序修改,既便错误编程之后仍可以重新编程,故不存在废品且大大缩短了程序的开发周期;同时在系统工作过程中能有效地保存数据信息。采用静态时钟方式,节省电能,这对于降低便携式产品的功耗十分有利。由于它是以 8031 核构成的,所以它与MCS251 系列单片机是兼容的,这对于熟悉MCS251 系列的广大用户来说,用AT89 系列单片机取代51 系列进行系统设计是轻而易举的。 4.2 主电路设计4.2.1 主电路整体设计主电路由整流电路，滤波电路及PWM变换器组成。为简化控制电路，减少滤波，整流电路采用三相二极管整流电路整流，系统的调压由PWM变换器承担。PWM变换器由两个绝缘栅极双极晶体管IGBT和两个续流二极管组成。GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，所以其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。将这两类器件相互取长补短适当结合而成的复合器件，通常称为 Bi-MOS器件。绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）综合了GTR和的MOSFET优点，因而具有良好的特性。因此，自其1986年开始投入市场，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，成为中小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。图5 主电路图 主电路中图中C1、C2为直流侧的滤波环节；开关K1控制交流电的接通与关；K2为接触器触点开关；R1、R2、Rb和Vb起泵升限制作用，当电机制动时，滤波电容吸收运动系统动能，使电容两端电压（给定值260V）升高，当电压检测信号超过给定信号时，单片机通过P3.5口使Vb导通，Rb的分流电路接通。4.2.2整流电路及其二极管选择整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，个具特色。对于本题目所设计的调速系统，为了对转子电压进行控制，要求对电动机的转子三相交流电流进行整流来构成控制回路，因此必须选用三相整流电路。再此基础上为了使直流电压麦脉动较小，可采用三相桥式整流电路。图6 三相整流电路原理图三相桥式整流电路原理图如图所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个二极管（VD1，VD3，VD5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个二极管（VD4，VD6，VD2）称为共阳极组。此外，习惯上希望二极管按从1至6的顺序导通，为此将二极管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a，b，c三相电源相接的3个二极管VD1，VD3，VD5；共阳极组中与a，b，c三相电源相接的3个二极管分别为VD4，VD6，VD2。对于共阴极组的3个二极管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个二极管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个二极管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。三相桥式整流电路的一些特点如下：（1）每个时刻均需2个三相整流电路原理图二极管同时导通,形成向负载供电的回路，其中1个二极管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同一相的二极管。（2）6个二极管按VD1-VD2-VD3-VD4-VD5-VD6的顺序导通。（3）整流输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。硅整流元件的选择：式中， A（三相桥式电路，电容性负载）所以 A取 考虑到启动时斩波器断开，外接R1和R2全值启动，整流电路元件承受的电压比正常运行时大，式中可取。所以可取： 可选择硅整流元件ZP300六只。4.2.3主电路开关器件选择根据题目的要求，需要选择合适的IGBT驱动装置来控制外串电阻两端电压的大小并保证控制的精度。在这里选用日本东芝公司的MG200Q2YS50型IGBT。具体参数如下表： 表 1 MG200Q2YS50型IGBT参数特性符号极值单位共射极饱和电压VCES1200V栅射极最大额定电压VGES±20V栅射极最大额定电压 DC IC(25ºC/80ºC)78/50A1msICP(25ºC/80ºC)156/100正向电流DCIF200A1msIFM100集电极功耗（Tc=25ºC）PC400W结温Tj150ºC存储温度范围Tstg-40125ºC绝缘电压VIsol2500（AC 1minute）V螺纹扭矩3/3N·m4.2.4 IGBT驱动电路的设计图 7 IGBT触发电路 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。本设计采用IGBT专用驱动芯片EXB841，该芯片具有正负偏压、过流检测、故障保护和软关断等主要功能特征，在300容量以下的IGBT驱动中得到了广泛应用。图7是EXB841的内部原理图，其主要有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。保护动作过程是根据IGBT开通期间其集射极间电压Uce的大小判定是否发生过流而进行保护的。当IGBT开通时，若发生短路，Uce上升很多，会使得D7截止，EXB841的脚6“悬空”，B点和C点电位开始上升；当上升至13V时，VZ1被击穿，V3导通，C4通过R7和V3放电，E点的电压逐渐下降，D6导通，从而使IGBT的集射极间电压Uge下降，实现缓关断，完成EXB841对IGBT的保护。作为IGBT的驱动芯片，EXB841有着众多的优点。图 8 EXB841的内部原理图如图所示，触发单元以C8051单片机为核心，由TTL系列集成电路7406和7407低电平驱大功率IGBT专用驱动芯片EXB841，再有该芯片驱动IGBT。当P0.3输出高电平“1”时，7406的输出为低电平“0”,；7407的输出为高电平“1”， VT2导通。当P0.3输出低电平“0”时，7407的输出为低电平“0”，VT2截止；7406的输出为高电平“1”， VT1导通。 4.2.5电流、转速、电压检测电路的设计采用75CYB0型永磁直流测速发电机进行转速检测。图9 转速检测电路电流用霍尔元件测量，选用电压输出型电流霍尔元件，如图4-5。图10 电流检测电路电压用光电耦合器测量，如图4-6。 图11 电压检测电路图 8 电压、电流检测电路4.3控制电路设计4.3.1键盘及显示电路设计此电路有接口芯片8279来设计，8279采用+5V单一电源供电，40脚封装，如图4-2所示。DB0DB7：双向数据总线，用来传送8279与CPU之间的数据和命令。CLK：时钟输入线，用以产生内部定时的时钟脉冲。RESET：复位输入线，8279复位后被置为字符显示左端输入，二键闭锁的触点回弹型式，时钟前置分频器被置为31,RESET信号为高电平有效。CS：片选输入线，低电平有效，单片机在CS端为低时可对8279读/写操作。A0：缓冲器低位地址，当A0为高电平时，表示数据总线上为命令或状态， 当为低电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为低电平时，表示数据总线上为数据。RD：读信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出，数据送往外部总线。WR：写信号输入线，低电平有效，将缓立器读出,将数据从外部数据总线写入8279的缓冲器。 IRQ：中断请求输出线，高电平有效，在键盘工作方式下，当FIFO/传感器RAM中有数据时，此中断线变为高电平，在FIFO/传感器RAM每次读出时，中断线就下降为低电平，若在RAM中还有信息，则此线重又变为高电平。在传感器工作方式中， 每当探测到传感器信号变化时，中断线就变为高电平。SL0SL3：扫描线，用来扫描按键开关，传感器阵列和显示数字， 这些可被编程或被译码。RL0RL7：回送线，经过按键或传感器开关与扫描线联接， 这些回送线内部设置有上拉电路，使之保持为高电平，只有当一个按闭合时，对应的返回线变为低电平；无按键闭合时，均保持高电平。SHIFT：换位功能，当有开关闭合时被拉为低电平，没有按下SHIFT开关时，SHIFT输入端保持高电平，在键盘扫描方式中，按键一闭合，按键位置和换位输入状态一起被存贮。CNTL/STB：当CNTL/STB开关闭合时将其拉到低电平，否则始终保持高电平， 对于键盘输入方式，此线用作控制输入端，当键被按下时，按键位置就和控制输入状态一起被存贮起来，在选通输入方式中，作选通用，把数据存入FIFO RAM中。OUTA3OUTA0及OUTB3OUTB0：显示输出A口及B口，这两个口是16×4切换的数字显示。这两个端口可被独立控制，也可看成一个8位端口。 BD：空格显示,此输出端信号用于在数字转换时将显示空格或者用显示空格命令控制其显示空格字符。VCC：5V电源输入线。 VSS：地线输入线。 图 12为8位显示器、4×8键盘和8279的接口电路。初始化8279后，单片机把显示字符送到8279内部的显示RAM，8279将字符转换成段码，并经A0-A3、B0-B3线把段码送显示器，同时经SL0SL3线发出4位数位选通码，4-16译码器对选通码进行译码后轮流选通各位显示器；以上操作都由8279自动完成；SL0-SL2线同时连到3-8译码器，译码器的输出用于扫描键盘8行；8279经8根返回线读取键盘的状态；若发现按键闭合则等待10ms再检验按键是否闭合，若按键仍闭合，则把被按键的键值选通输入8279内部的FIFO，同时INT线发出一个高电平，指出FIFO内已经有一个字符，INT线连接到CPU的中断请求线。当单片机接收到中断请求后，若开中断，则转到键盘服务程序，从FIFO中读取按键的键值；图中/BD信号用于熄灭显示。图 12 键盘显示电路4.3.2通信电路设计在自动化测量和控制系统中，各台仪表之间需要不断地进行各种信息的交换和传输。这种信息的交换和传输是通信仪表的通信接口进行的，通信接口是各台仪表之间或者仪表和计算机之间进行信息交换和传输的联络装置。为了使不同厂家生产的任何型号的仪表都可以用一条无源标准总线电缆连接起来，世界各国都按统一的标准来设计智能化仪表的的通信接口。本设计中利用80C51单片机内UART串行口实现仪表之间的相互通信以及通过RS233接口实现与上位机之间的串行通信。4.3.3 模拟量给定、电流、电压、转速等反馈量与单片机的接口设计模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压不仅表示了转速的大小，还包含了转速的方向，在调速系统中（尤其在可逆系统中），转速的方向也是不可缺少的。因此必须经过适当的变换，将双极性的电压信号转换为单极性电压信号，经A/D 转换后得到的数字量送入微机。电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外，还是各种保护和故障诊断信息的来源。电流、电压信号也存在幅值和极性的问题，需经过一定的处理后，经A/D转换送入微机，其处理方法与转速相同。下图A/D、单片机以及模拟量给定、电流、电压、转速等反馈量等各模拟信号的接口电路。b)A/D接口 a)模拟量给定图 13 模拟量与单片机接口4.3.4报警电路图 14 蜂鸣音报警电路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6-13，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。4.4软件设计4.4.1主程序框图图 15 主程序框图 4.4.2键盘及显示程序 键盘与显示是通过接口芯片8279来实现的，其各部分流程图如下：（a）8279初始化子程序开始写清除命令字DU=1?读8279状态字写方式命令字写时钟编程命令允许8279中断返回YN （b）键盘输入中断子程序开始保护现场FIFO中有数据吗？读FIFO命令 8279读FIFO计算键号恢复现场返回N Y（c）显示更新子程序开 始写显示RAM命令8279显示缓冲器地址R0 长度R7显示数据段码8279 显示RAM(R0)+1R0(R7)-1=0?返 回NY图 16 键盘及显示程序流程图程序清单如下：8279初始化程序INI79:MOVDPTR,#7FFFH;清除命令送8279MOVA,#0D1HMOVXDPTR,AWNDU:MOVXA,DPTR,A;等8279清除结束JBACC.7,WNDUMOVA,#0;方式命令送8279MOVXDPTR,AMOVA,#34H;扫描频率设置命令送8279MOVXDPTR,AMOVIE,#84H;允许8279中断RET显示更新程序RDIR:MOVDPTR,#7FFFH;写显示RAM命令送8279MOVA,#90HMOVXDPTR,AMOVR0,#78H;显示缓冲器首地址送R0MOVR7,#8MOVDPTR,#7FFEHRDLO:MOVA,R0;取显示数据ADDA,#5;加偏移量MOVCA,A+PC;查表转换为段码数据送8279MOVXDPTR,AINCR0DJNZR7,RDLORETSEG:DB3FH,06H,5BH,4FH;根据硬件线路设计的字型数据DB66H,6DH,7DH,07HDB7FH,6FH,77H,7CHDB39H,5EH,79H,71H键输入中断服务程序PKEY1:PUSHPSWPUSHDPLPUSHDPHPUSHACCPUSHBSETBPSW.3;选工作区寄存器MOVDPTR,#7FFFH;读FIFO中是否有数据MOVXA,DPTRANLA,#0FHJZPKYR;判FIFO中是否有数据MOVA,#40H;读FIFO命令送8279MOVXDPTR,AMOVDPTR,#7FFEHMOVXA,DPTR;读数据MOVR2,AANLA,#38H;计算键值RRARRARRAMOVB,#04HMULABXCHA,R2ANLA,#7ADDA,R2MOVR0,40H;键值送(40H)指出的环形缓冲器单元MOVR0,AINCR0MOVA,R0ANLA,#3FH;环形缓冲器指针处理(缓冲区为30H3FH)ORLA,#30HMOV40H,ASETB0;置标志供主程序查询处理PKYR:POPBPOPACCPOPDPHPOPDPLPOPPSWRETI4.4.3转速调节数字PI子程序 图 174.4.4电流调节数字PI子程序 图 184.4.5数字滤波子程序在检测得到的转速信号中，不可避免的要混入一些干扰信号。采用模拟测速时常用硬件电路组成滤波器来滤除干扰信号，在数字测速中常采用软件编程来实现滤波。下面介绍加权算术平均值滤波的方法，其优点是算法简单，缺点是需要较多采样多次数才能有明显的平滑效果。设有N次采样值X1、X2、Xn，算术平均值就是找到一个值Y，使Y与各次采样值的平方和E最小，令De/Dy=0,得Y=(1/N)Xi算术平均值滤波的优点是算法简单，缺点是需要较多的采样次数才能有明显的平滑效果。在一般的算术平均值滤波中，各次采样值是同等对待的。若主要重视当前的采样值，也附带考虑过去的采样值，可以采用加权算术平均值滤波，这时Y=aiXi其中，a1+a2+An=1,在一般情况下，0<a1a2aN。以下是其流程图： 图 194.4.6 其他程序电路在运行时，常面临电压过大的问题，为保护元器件不因过压而损坏，在设计时要考虑电路的过压保护。通常通过电阻分流后，用A/D将电压信号转换为数字信号送入单片机判断，如果超过限定值，单片机输出控制信号，关断主电路以保护电路安全。五 设计总结5.1器件清单AT 80C51Intel 8279EXB841IGBT二极管霍尔传感器LA50-NP电动机测速发电机压电式蜂鸣器74LS1387407电阻、电容 等5.2设计过程总结及收获这次课程设计主要是根据运动控制系统一课课程内容进行设计，我复习了设计指标各参数的计算，并根据计算结果在MATLAB环境下进行仿真，得出理想图形。同时根据硬件电路图，查看各种资料，基本掌握了直流脉宽调速系统的组成、原理及各主要单元部件的工作原理，并得出PWM变换器调速系统易于实现闭环控制、控制精度高、平稳性好、装置体积小，投资少等很多优点，很值得更好的进一步探讨和研究。通过此次实践设计，我认识到运动控制系统是一门很有优势的学科，在以后的学习中我会进一步深入研究。