直流双闭环调速系统课程设计成品.doc

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1、课程设计说明书 第一节 绪论.2第二节 直流双闭环调速系统设计.0.22.1 直流双闭环调速系统原理.22.2 方案选择与参数设计.32.3 PWM控制调速系统介绍.4第三节 PWM双闭环调速系统电路设计.53.1 控制电路设计.53.2 主电路的设计.9第四节 参数计算.154.1 电流调节器的设计.154.2 速度调节器的设计.16第五节 心得体会.18参考文献.19 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.1 AbstractIn this paper, DC timing system controlled by microcomputer had been researched deep

2、ly. Beginning with the theory of the DC timing system, the math model of the double closed loops DC timing system had been build up, the controller parameter had been adjusted after the system had been simulated with MATLAB, Based on the result of the simulation, digital signal processor (DSP) is ta

3、ken as the controller, the design of the double closed loops timing system of the DC motor has been realized through the design of the systems hardware and software. The result shows that this timing system has strong robust.Keywords: microcomputer control, double closed loops, DC timing, DSP 沈 阳 大

4、学课程设计说明书 NO.2第一节 绪论在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。本文基于PWM的双闭环直流调速系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。首先描述了变频器的发展历程，提出了PWM调速方法的优势，指出了未来PWM调速方法的发展前景，点

5、出了研究PWM调速方法的意义。应用于直流电机的调速方式很多，其中以PWM变频调速方式应用最为广泛，而PWM变频器中，H型PWM变频器性能尤为突出，作为本次设计的基础理论，本文将对PWM的理论进行详细论述。在此基础上，本文将做出SG3524单片机控制的H型PWM变频调速系统的整体设计，然后对各个部分分别进行论证，力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。第二节 直流双闭环调速系统方案设计2.1 直流双闭环调速系统原理直流双闭环调速系统主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节

6、器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。原理图如下 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.3速度检测电流检测负载电动机整流触发装置ACRASR电压 图1直流双闭环调速系统原理图2.2方案选择与设计参数 设计技术指标要求2.1 直流电动机

7、：型号：DJ15功率：485W电枢电压：220V电枢电流：1.2A额定转数：1600rpm2.2 调速范围：1：12002.3起动时超调量：电流超调量:；转速超调量: 直流电动机的调速方法有三种：2.3.1 调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.4围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。2.3.2 改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调

8、速，属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。2.3.3 改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。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为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往

9、以调压调速为主速。改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。（2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。2.3 PWM控制调速系统介绍脉宽调制器UPW SG3524，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的

10、设计及调试，故获得广泛使用。PWM系统在很多方面具有较大的优越性 ：2.3.1 PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。2.3.2 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。2.3.3 低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：10000左右。2.3.4 如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。2.3.5 功率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。 2.3.6 直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.5变频调速很快为广大电动机用户所接

11、受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中，PWM调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。第三节 PWM控制直流双闭环调速系统电路设计3.1控制电路设计本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如下图2 转速、电流双闭环结构原理图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 调节器下图为双闭环调速系统的稳态结构图。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.6图3 双闭环调速系统的稳态结构图。下图为双闭环调速系统的动态结构图。图4 双闭环调

12、速系统的动态结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR的输出Uct为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求ACR的输入Ui*为负极性，所以，要求ASR输入的给定电压Un*为正极性。本文基于这种思想进行ASR和ACR设计。3.1.1 电流检测电路设计电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.7图5电流检测电路原理图3.1.2 速度检测电

13、路设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如下图所示。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.8 图6 转速检测电路原理图3.1.3 转速给定设计转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图所示。 图7 转速给定电路原理图 沈 阳

14、 大 学课程设计说明书 NO.93.2主电路设计图8 控制电路原理图3.2.1 PWM变换器介绍脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。PWM变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。下面分别对各种形式的PWM变换器做一下简单的介绍和分析。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.10不可逆PWM变换器分为无制动作用和有制动作用两种。图9（a）所示为无制动作用的简单不可逆PWM变换器主电路原理图，其开关器件采用全控型的电力电子器件。电源电压一般由交流电网经不可控整流电路提供。电容C的作用是滤波，二极管VD在电力晶体管VT关断时为电动机电枢回

15、路提供释放电储能的续流回路。图9 简单的不可逆PWM变换器电路（a）原理图 （b）电压和电流波型电力晶体管VT的基极由频率为f，其脉冲宽度可调的脉冲电压驱动。在一个开关周期T内，当Error! No bookmark name given.时，为正，VT饱和导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；当时，为负，VT截止，电枢失去电源，经二极管VD续流。电动机电枢两端的平均电压为 式中，PWM电压的占空比，又称负载电压系数。的变化范围在01之间，改变，即可以实现对电动机转速的调节。 图9（b）绘出了稳态时电动机电枢的脉冲端电压、平均电压和电枢电流的波型。由图可见，电流是脉动的，其平均值等于负载电

16、流（负载转矩， 直流电动机在额定磁通下的转矩电流比）。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.11由于VT在一个周期内具有开关两种状态，电路电压平衡方程式也分为两阶段，即在期间 在期间 式中，R，L电动机电枢回路的总电阻和总电感；E电动机的反电动势。PWM调速系统的开关频率都较高，至少是14kHz，因此电流的脉动幅值不会很大，再影响到转速n和反电动势E的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视n和E为恒值。这种简单不可逆PWM电路中电动机的电枢电流不能反向，因此系统没有制动作用，只能做单向限运行，这种电路又称为“受限式”不可逆PWM电路。这种PWM调速系统，空载或轻载下可能出现电流断续现象，系统的静

17、、动态性能均差。图10（a）所示为具有制动作用的不可逆PWM变换电路，该电路设置了两个电力晶体管VT1和VT2，形成两者交替开关的电路，提供了反向电流的通路。这种电路组成的PWM调速系统可在第I、II两个象限中运行。VT1和VT2的基极驱动信号电压大小相等，极性相反，即。当电动机工作在电动状态时，在一个周期内平均电流就为正值，电流分为两段变化。在期间，为正，VT1饱和导通；为负，VT2截止。此时，电源电压加到电动机电枢两端，电流沿图中的回路流通。在期间，和改变极性，VT1截止，原方向的电流沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使VT2不可能导通。因此，电动机工作在

18、电动状态时，一般情况下实际上是电力晶体管VT1和续流二极管VD2交替导通，而VT2则始终不导通，其电压、电流波型如图10（b）所示，与图2-1没有VT2的情况完全一样。如果电动机在电动运行中要降低转速，可将控制电压减小，使的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使电动机电枢两端的平均电压降低。但是由于惯性，电动机的转速n和反电动势E来不及立刻变化，因而出现的情况。这时电力晶体管VT2能在电动机制动中起作用。在期间，VT2在正的 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.12和反电动势E的作用下饱和导通，由E产生的反向电流沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，一部分能量消耗在回路电阻上，一部分转化为磁场能存储在

19、回路电感中，直到t=T为止。在（也就是）期间，因变负，VT2截止，只能沿回路4经二极管VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上产生的压降使VT1承受反压而不能导通。在整个制动状态中，VT2和VD1轮流导通，VT1始终截止，此时电动机处于发电状态，电压和电流波型图10（c）。反向电流的制动作用使电动机转速下降，直到新的稳态。图 10 具有制动作用的不可逆PWM变换电路这种电路构成的调速系统还存在一种特殊情况，即在电动机的轻载电动状态中，负载电流很小，在VT1关断后（即期间）沿回路2径VD2的续流电流很快衰减到零，如在图10（d）中的期间的时刻。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.13这时VD

20、2两端的压降也降为零，而此时由于为正，使VT2得以导通，反电动势E经VT2沿回路3流过反向电流，产生局部时间的能耗制动作用。到了期间，VT2关断，又沿回路4经VD1续流，到时衰减到零，VT1在作用下因不存在而反压而导通，电枢电流再次改变方向为沿回路经VT1流通。在一个开关周期内，VT1、VD1、VT2、VD1四个电力电子开关器件轮流导通，其电流波形示图2-2（d）。综上所述，具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的调速系统，电动机电枢回路中的电流始终是连续的；而且，由于电流可以反向，系统可以实现二象限运行，有较好的静、动态性能。可逆PWM变换器主电路的结构形式有T型和H型两种，其基本电路如图11

21、所示，图中（a）为T型PWM变换器电路，（b）为H型PWM变换器电路。图11 可逆PWM变换器电路 （a）T型 （b）H型 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.14T型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于50V的电动机的可控电压源；但是T型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为H型电路的一半。H型电路是实际上广泛应用的可逆PWM变换器电路，它由四个可控电力电子器件（以下以电力晶体管为例）和四个续流二极管组成的桥式电路，这种电路只需要单极

22、性电源，所需电力电子器件的耐压相对较低，但是构成调速系统的电动机电枢两端浮地。H型变换器电路在控制方式上分为双极式、单极式和受限单极式三种，本次设计我们选择双极式H型可逆PWM变换器。主电路如图所示：图12 主电路图3.1.2 电源电路设计该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源，众所周知，电源是一切电路的心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作，本文特设计一款15V的直流稳压电源供电，其电路图如图13所示。直流稳压电源主要由两部分组成：整流电路和滤波电路。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.15整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导

23、通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。 图13 15V电源电路原理图滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两侧并联电容器；或在整流电路输出端与负载间串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。第四节 参数计算4.1电流调节器的设计按所用运算放大器取=20K，电枢回路总电阻R=20ACR积分时间常数， 电流环开环增益：要求时应取 沈 阳 大

24、学课程设计说明书 NO.16因此 于是，ACR的比例系数为 计算控制器的电阻电容值 ,取50K 4.2 速度调节器设计在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节。为此，需求出它的等效传递函数： 近似条件: 用电流环的等效环节代替电流闭环后，整个转速调节系统的动态结构图如图14（a）所示。把给定滤波和反馈滤波环节等效地移到环内，同时将给定信号改为U*n(s)/；再把时间常数为Ton和2Ti的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为Tn的惯性环节，且Tn=Ton+2TI,，则转速环结构图可转化成图14 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.17图14 转速环的动态结构

25、图要把转速环校正成典型型系统，ASR也应采用PI调节器，其传递函数为 式中 Kn转速调节器的比例系数; n转速调节器的超前时间常数。 转速调节环选用典型型系统的原因：4.2.1 系统在负载扰动作用下，动态速降要小。4.2.2 ST饱和时，速度环退饱和超调量不大。4.2.3 速度环基本上是恒值系统。参数计算：按所用运算放大器取=20K 电流反馈系数：=0.5v/A 转速反馈系数：=0.007vmin/r =0.132vmin/r =0.18s 电枢回路总电阻R=20 =0.0234s 0.01s转速控制器的积分时间常数 一般选h=5 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.18根据公式 经计算得出=

26、 2.17 ； 转速控制器电阻电容值取50K第五节 总结与体会通过半学期的自动控制系统课程的学习，经历了对直流双闭环调速系统从最初的认识到现在的了解的一个过程。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过这次论文的设计，才发现理论知识与生活的联系。这大大激发了我学习书本知识的兴趣。再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的的工作，还应该考虑到实际情况。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.19参考文献(1)夏得砛，翁贻方.自动控制理论第2版机械工业出版社，2007(2)陈伯时电力拖动自动控制系统第2版机械工业出版社，2003(3)王兆安，黄俊电力电子技术第4版机械工业出版社，2007(4)杨兴姚电动机调速的原理及系统北京水利电力出版社，2003(5)刘军孟祥忠电力拖动自动控制系统机械工业出版社，2007(6)王华强. 直流电机调速系统的工程设计方法的探讨. 荆门职业技术学院学报. 2002 沈 阳 大 学