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1、电力拖动自动控制系统课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班 第二小组 1电力拖动自动控制系统课程设计数字式直流双闭环 PWM 调速系统设计一、设计目的及要求1.11.1 课程设计的目的课程设计的目的计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它不仅需要微型机控制理论、程序设计方面的基础知识，而且还需要具备一定的生产工艺知识。设计包括确定控制任务、系统总体方案设计、硬件系统设计、控制软件的设计等，以便使学生掌握微型计算机控制系统设计的总体思路和方法。1.21.2 课程设计的预备知识课程设计的预备知识熟悉计算机控制技术基本知识及直流控制系统的有关知识。1.31.3 课程设计要求课程设计要
2、求完成直流电机转速、电流控制系统设计。1.设计控制系统主机、过程通道模板电路，包括元器件选择。2.画出系统控制图。3.控制系统软件设计。转速、电流控制采用 PI 控制算法，设计增量式 PI 控制算法。绘出程序流程图，设计算法程序。1.41.4 设计内容及要求设计内容及要求为某生产机械设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流双闭环系统，且拟定该系统由大功率晶体管调制放大器给电动机供电。已知系统中直流电动机主要数据如下：1）直流电机型号：Z2-41 型额定功率 Pe=18kW；额定电压 Ue=220V额定电流 Ie=94A；额定转速 ne=1000r/min电枢回路总电阻 R=0.45;电磁时间常数
3、 Tl=0.0297s;机电时间常数 Tm=0.427s；电动势系数 C=0.2059/（r.min-1 )晶体管 PWM 功率放大器：工作频率：2kHz；工作方式：H 型双极性；直流电源电压：264V2）主要技术指标：电力拖动自动控制系统课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班 第二小组 2调速范围 0-1000 r/min 电流过载倍数：1.5 倍速度控制精度 0.1%（额定转速时）3）主要要求：电动机控制电源采用晶体管 PWM 功率放大器，其占空比变化为 00.51 时，对应输出电压为-264V0264V，为电机最大提供 25A 电流。速度检测采用光电编码器（光电脉冲信号发生器），且其
4、输出的 A、B 两相脉冲经光电隔离辩相后获得每转 1024 个脉冲角度分辨力和方向信号。电流传感器采用霍尔电流传感器，其原副边电流比为 1000：1，额定电流 50A。采用双闭环（电流环和速度环）控制方式。二、系统总体方案设计2.12.1 数字控制双闭环直流调速系统原理数字控制双闭环直流调速系统原理图 1 数字式直流双闭环 PWM 调速系统原理图根据设计任务要求整个系统原理如图 1 所示。采用了转速、电流双闭环控制结构，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为 PWM 的控制电压。从闭环反馈结构上看，电
5、流调节环在里面，是内环，按典型型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用 PI 调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置（TA）对电流环进行检测，转速环则是采电力拖动自动控制系统课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班 第二小组 3用了光电码盘进行检测，达到了比较理想的检测效果。PWM 采用 8051 单片机以及 4858、4040共同实现，驱动电路采用了 IR2110 集成芯片，具有较强的驱动能力和保护功能。2.22.2 数字控制双闭环直流调速系统硬件结构数字控制双闭环直流调速系统硬件结构根据系统原理我们设计了
6、数字控制双闭环直流调速系统硬件结构，如图 2 所示，系统的特点：双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采用数字 PI 算法。由软件实现转速、电流调节系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路组成。主电路：三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流 PWM 变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。检测回路：包括电压、电流、温度和转速检测。电压、电流和温度检测由 A/D 转换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速（光电码盘） 。故障综合：利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故
7、障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。图 2 微机数字控制双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图电力拖动自动控制系统课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班 第二小组 4三、主电路设计3.13.1主电路主电路主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。3.1.13.1.1限流电阻限流电阻为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗） ，通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入时影响整流电路的正常
8、工作，并产生附加损耗。3.1.23.1.2泵升电压限制泵升电压限制电力拖动自动控制系统课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班 第二小组 53.23.2主电路参数计算和元件选择主电路参数计算和元件选择主电路参数计算包括整流二极管计算，滤波电容计算、功率开关管IGBT的选择及各种保护装置的计算和选择等。3.2.13.2.1整流二极管的选择整流二极管的选择根据二极管的最大整流平均IF 和最高反向工作电压UR分别应满足：IF 1.1IO(AV) 21.1*99/2=54.5 (A)UR1.1U2=1.1220=340.2 (V)22选用2ZC系列的大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：型号额定正
9、向平均电流IF(A) 额定反向峰值电压URM(V)正向平均压降UF(V)反向平均漏电流IR(MA)散热器型号ZP10010010016000.50.76SL18在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容C值，使RC(35)T/2,且有Udmax=0.92200.95=188(V)2C1.50.02, 即C15000uF故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400v，标称容量为22000 uF3.2.23.2.2绝缘栅双极晶体管的选择绝缘栅双极晶体管的选择最大工作电流 Imax2Us/R=440/0.45=978(A)集电极发射极反向击穿电压（BVCEO） BVCEO(2
10、3)Us=440660v3.33.3调节器参数设计调节器参数设计3.3.13.3.1 系统设计的一般原则系统设计的一般原则电力拖动自动控制系统课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班 第二小组 6按照“先内环后外环” 的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器直流双闭环调速原理图直流双闭环调速原理图3.3.23.3.2电流环的参数设计电流环的参数设计电流环结构图电流环结构图最大允许电流 Idm=1.594=141(A)电枢电流范围为，A/D 转换为 8 位二进制数码，电流反馈回路反馈系数为 ，则： 141
11、A=255/(141-(-141)=255/282=0.904/A 已知晶体管 PWM 功率放大器的工作频率为 2kHz，工作方式为 H 型双极性，直流电源电压为 264V,设定用来直接生成 PWM 信号的计数器的时钟脉冲频率为 4MHz，则转换得到的 PWM 信号的分辨率为 1/2000，即计数值为 2000 时，对应的 PWM 信号占空比为 1，PWM 功率放大器的输出电压为 200V；计数值为 1000 时，对应 PWM 信号的占空比为 0.5，PWM 功率放大器的输出电压为；计数值为时，对应 PWM 信号占空比为，PWM 功率放大器的输出电压为-200V,则PWM 控制信号和 PWM
12、波形生成之间的数字控制量到模拟电压输出量之间的增益为：=0.0297s=264 - （ - 264） 2000= 0.264/单位数字量电力拖动自动控制系统课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班 第二小组 7=0.0005s=1/2000=0.0005sTS=0.0005TST Tii=0.001s=0.001s=0.5/ Ti =0.5/0.001=500KI=R/()=500*0.0297*0.45/(0.264*0.904)=28KKIKs校验近似条件电流环截止频率：wciKI=500脉宽调制变换器传递函数近似条件 wci1/(3Ts)1/(3Ts)1/(30.00025)=666.
13、67500= wci可见，满足近似条件。小时间常数近似条件 wci654.03500TsToi1 310005. 00.00051 31 满足近似条件。忽略反电势对电流环影响的条件：wci2.96Umax ,则跳转MOV A,#UiCJNE A，7AH，LOOP3 ；UiB）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机 P1 端口输出值 X 时，图中U2 的（AB）输出端为高电平。随着计数值的增加，Q2Q9 由全“1”变为全“0”时，图中U2 的（AB）输出端又变为低电平，这样就在 U2 的（AB）端得到了 PWM 的信号，它的占空比为（255 -X / 255）*100%，那么只要改变 X 的数
14、值，就可以相应的改变 PWM 信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出 X 的值，而 PWM 信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。由于单片机上电复位时 P1 端口输出全为“1” ，使用数值比较器 4585 的 B 组与 P1 端口相连，升速时 P0 端口输出 X 按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。电力拖动自动控制系统课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班 第二小组 154.24.2 PWMPWM 功率放大驱动电路设计功率放大驱动电路设计该驱动电路采用了 IR2110 集成芯片，该集成电路具
15、有较强的驱动能力和保护功能。4.2.14.2.1 芯片芯片 IR2110IR2110 性能及特点性能及特点IR2110 是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁 CMOS 技术，于1990 年前后开发并且投放市场的，IR2110 是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。它把驱动高压侧和低压侧 MOSFET 或 IGBT 所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，可以达到 600V，其内设欠压封锁，
16、成本低、易于调试。高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得 MOSFET 和 IGBT 的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对 MOSFET 和 IGBT 的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。与此同时，IR2110 的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。降低了产品成本和减少体积。4.2.24.2.2 IR2110IR2110 的引脚图以及功能的引脚图以及功能引脚 1（LO）与引脚 7（HO）：对应引脚 12 以及引脚 10 的两路驱动信号输出端，使用中，分别通过一电阻接主电路中下上通道 MOSFET 的栅极，为了防止干扰，通常分别在引脚 1 与引脚 2 以及引脚 7 与引脚 5 之间并接一个 10K 的
