基于 Arduino 的直流电机调速

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1、 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

2、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

3、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 1 2 设计简介 1 2 1 控制平台 ARDUINO简介 1 2 2 直流脉宽调制系统的优越性 1 2 3 控制目标 2 2 4 控制方案 2 3 调速系统电力电路设计 2 3 1 直流调速系统概述 2 3 2 电路结构的设计 4 3 3 部分元件参数计算 7 4 调速系统控制部分设计 9 4 1 控制模型 9 4 2

4、 控制程序 11 5 结论 19 电气工程课程设计 报告 1 1 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 Arduino IDE 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 sim

5、ple I 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 Arduino IDE 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 Processi

6、ng 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 Arduino Mega 2560 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

7、课程设计 报告 2 e 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 R 0 5 电磁时间常数 Tl 0 03s 机电时间常数 Tm 0 18s 2 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

8、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

9、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 2 2 d 375 d aa eeT ae Ta aaaaj eL UU n KK K EKn TKI UEIRR GDn TT t 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 aaaeLaa UEITTnEI 不变不变 a U的增大先使 a I上升 又使 a I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

10、流电动机的转速和其它参量的关系 如下式 e UIR n K 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 e K 由电机机构决定的电势系数 在上方程 中 e K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

11、调速为主 电气工程课程设计 报告 4 3 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

12、 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 M IGBT 驱动 电路 开关电源 三 相 电 源 可 控 整 流 三 相 变 压 器 上位机 FBS Arduino Us M VD 2 VT 1 VD 1 E 4 4 1 1 2 2 3 3 C 0 VT 2 U g 2 U g 1 1 2 3 4 M 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

13、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

14、在电动运行过 程中需要降速的时候 这时 先减小控制电压 使 Ug1 的正脉冲变窄 负脉冲变 宽 从而使平均电枢电压 Ud降低 但是 由于机电惯性 转速和反电动势 E 还来 不及变化 因而造成 E Ud 的局面 很快使电流 id反向 VD2截止 VT2开始导 通 制动状态的一个周期分为两个工作阶段 在 0 t ton 期间 VT2关断 id 沿回路 4 经 VD1 续流 向电源回馈制动 与此同时 VD1两端压降钳住 VT1使它不能导通 在 ton t T 期间 Ug2 变正 于是 VT2导通 反向电流 id 沿回路 3 流通 产生能耗制动作用 U i U d E id Us t t o T O

15、电气工程课程设计 报告 6 图 4 制动状态的电压 电流波形 c 轻载电动状态 有一种特殊情况 即轻载电动状态 这时平均电流较小 以致在关断后经续 流时 还没有到达周期 T 电流已经衰减到零 此时 因而两端电压也降为零 便提前导通了 使电流方向变动 产生局部时间的制动作用 图 5 轻载电动的电压 电流波形图 轻载电动状态 一个周期分成四个阶段 第 1 阶段 VD1续流 电流 id 沿回路 4 流通 第 2 阶段 VT1导通 电流 id 沿回路 1 流通 第 3 阶段 VD2续流 电流 id 沿回路 2 流通 第 4 阶段 VT2导通 电流 id 沿回路 3 流通 在 1 4 阶段 电动机流过负

16、方向电流 电机工作在制动状态 在 2 3 阶段 电动机流过正方向电流 电机工作在电动状态 因此 在轻载时 电流可在正负方向之间脉动 平均电流等于负载电流 电气工程课程设计 报告 7 3 2 2 IGBT 驱动部分 IGBT 驱动电路可以根据 IGBT 的额定参数采用专用的混合集成驱动器 由于 有现成的模块 不属于设计的重点 因此本设计中不进行详细描述 读者可以自 行参阅参考文献 2 3 2 3 三相整流部分 整流电路输出的电压应该稳定在电动机的额定电压 220V 对整流电路有如下 要求 a 考虑到电机工作在制动状态时 电流可以反向 为了节约电能可以使可控 整流工作在有源逆变状态 b 可以适应电网的变化 能够配合不同型号的电机调整输出电压 采用可控 整流可以增强系统的适应能力 c 由于电网的电压为 380V 因此 在整流之前可以根据实际情况增加变压器 为了满足以上要求 设计采用三相全桥可控整流电路 其工作原理与器件的 选择不是本设计的重点 因此本设计中不进行详细描述 读者可以自行参阅参考 文献 2 3 2 4 开关电源部分 开关电源的部分是为了为整个系统提供各种电压等级的稳定直流电压 包