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日一6月17日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，单片机目录摘要 0一、设计的目的及意义2二、设计要求2三、双闭环直流调速系统33.1、双闭环直流调速系统的原理 33.2、双闭环直流调速系统的静特性分析 53.3 双闭环直流调速系统的数学模型7四、转速环、电流环的设计 94.1、转速调节器、电流调节器在直流双闭环系统中的作用 94.2、调节器的具体设计 94.3、电流环的设计 104.4、速度环的设计 11五、PWM可逆直流调速系统135.1、PWM 变换器 135.2、整流电路 145.3、泵升电路 15六、控制电路的设计156.1、单片机 156.2、测速电路 166.3、键盘电路 16七、双闭环可逆直流 PWM 调速系统的仿真 17八、结论19附录20附录 A 20附录 B 21参考文献23一、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00.51时，对应输出电压为-264264v, 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Ce=0.135 V min/r ,主回路总电阻R =2.5Q,。电流反馈滤波时间 常数T0i =0.0025s,转速反馈滤波时间常数Ton =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）（6）环境条件电机机电时间常数2S 额定转速 1430rpm电枢允许过载系数 1.51）电网额定电压: 380/220V;2）电网电压波动: 10%;(3) 环境温度：-40+40摄氏度；(4) 环境湿度：1090%；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31、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I的恒流启=制动dm过程。图1时间最优的理想过渡过程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U，而是用来和电流反馈量作比较，故被称为电流c给定U*。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i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U限制了电力cm电子变换器的最大输出电压U 。dm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 U *-转速给定电压nU -转速反馈电压U*-电流给定电压 U -电流反馈电压nii32、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a-转速反馈系数卩-电流反馈系数PI调节器的稳态特性一般存在两种状况：饱和一一输出达到限幅值，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AU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AU 都是零，因此,U * = U =an = an(1)nn0U * = U =01(2)iidU *由式(1)可得n = n = n(3)a 0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I = 0 直延续到I = I， dd dm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I ，如图4中的A点。 dm在此工作点上,ASR的输出已达到饱和值U*，若电动机负载继续增大，I I ， imdL dm造成n v n，在此An 0的情况下，ASR的输出维持在限幅值U*不变，转速外0im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d 0dm11I1I丨丨0工血Id图4双闭环直流调速系统的静特性其中，最大电流I取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加 dm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n v n的情况，因为如果n n，则U U*, ASR将退出饱和状态.00nn双闭环调速系统的静特性在负载电流小于I时表现为转速无静差，这时，转dm速负反馈起主要的调节作用，但负载电流达到I时,对应于转速调节器的饱和输dm出U * ,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 im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，W (s)和W (s)ASRACR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/条件下启动过程的电流波形和转速波dL形。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，整个系统处于完全不同 的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线形系统，只能采用分段线形化的 方法来分析，不能简单的用线形控制理论来笼统的设计这样的控制系统。(2) 转速超调：当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。 转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法 来抑制超调。(3) 准时间最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间 最优控制”，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就 是时间最优控制。但由于在起动过程I、II两个阶段中电流不能突变，实际起动 过程与理想启动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很 小的成分，无伤大局，可称作“准时间最优控制”。采用饱和非线性控制的方法 实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制中得到普 遍应用。双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内，ASR处于饱和限幅状态， 转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。双闭 环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和， 使在稳定运行时ASR发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无 静差调速。故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。四、转速环、电流环的设计4.1、转速调节器、电流调节器在直流双闭环系统中的作用1）转速调节器的作用：其输出限幅值决定电动机允许的最大电流；转速调节器是调速系统的主 导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压U*的变化；稳态时可减小转速