《转速电流双闭环不可逆直流调速系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《转速电流双闭环不可逆直流调速系统（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、沈阳工程学院课程设计摘 要 直流电机传统的调速方法调节精度低、能源利用率低、调速不稳定、可控性较差；而脉宽调制（PWM）直流调速技术，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低等特点，不仅实现了对电机速度的实时调节，而且还体现了节约能源，经济实用的特点。 本文介绍了美国德州仪器（TI）公司的超低功耗16位单片机MSP430F2619。基于MSP430F2619设计一直流电机双闭环PWM调速系统，由测速发电机检测直流电机转速构成速度反馈，利用整流桥构成电流反馈。MSP430F2619完成转速、电流双闭环PI控制器的数字控制，且单片机的定时器生成PWM波，经功率驱动芯片放大后控制直流电机的电枢
2、电压进行平滑调速。从而实现了控制系统简单、调速性能可靠。 关键词： MSP430，直流电机，PWM调速，双闭环控制器I目 录摘 要I1引 言11.1 直流电机调速技术的发展11.2 PWM调速技术12研究课题的目的和意义23设计要求33.1给定条件33.2技术要求34系统总体方案设计44.1双闭环调速系统的结构图44.2直流双闭环系统的原理44.3双闭环调速系统优点44.4转速电流双闭环直流控制系统64.5 PWM变换器介绍85电路设计125.1 PWM（双极性）主电路设计125.2双闭环调节器电路设计126系统参数计算136.1 电流调节器的设计136.2 转速调节器的设计15总结20参考文
3、献21 III沈阳工程学院课程设计1引 言 三十多年来，随着电力电子技术的不断进步,直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，随着计算机技术与现代控制理论的发展，控制电路向高集成化、小型化、高可靠性及低成本方向发展。在全控型电力电子器件问世后，基于脉宽调制的高频开关控制的直流脉宽调速系统（PWM调速系统）的应用，不仅使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，而且使直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化。近几年来，随着单片机成本的降低，以单片机为
4、控制核心的PWM 调速系统越来越多，其特点是通过程序产生控制脉冲，电路简单；开关频率高，电流连续，谐波少；低速性能好,稳速精度高，调速范围宽。 1.1 直流电机调速技术的发展 直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。 30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占
5、地多、效率低及维修困难。 近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能远远超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。如今，电力电子技术中大功率器件（IGBT等）的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统12。 1.2 PWM调速技术 直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法是：改变电枢电压调速。而传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻值大小改变电枢电压, 达到调速的目的, 这种方法效率低、平滑度差
6、，且转速越慢, 能耗越大，因而经济效益低。 随着电力电子的发展, 出现了许多新的电枢电压控制方法。如: 由交流电源供电, 使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制(PWM)调压等。这些调压调速法具 有平滑度高、能耗少、精度高等优点, 在工业生产中广泛使用, 其中PWM的应用更为广泛。 脉宽调制(PWM)调压34的基本原理是：利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开, 并通过改变一个周期内电源的接通和断开时间的长短,即用改变电机电枢（定子）电压的接通和断开的时间比(占空比)来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。 在脉宽调速系统中,当电机通电时,其速度增加；电机断电时,其速度降低。只要按照定的规
7、律改变通、断电的时间,即可使电机的速度达到并保持一稳定值，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为开关驱动装置2研究课题的目的和意义而在众多PWM变换器实现方法中，又以H型PWM变换器更为多见。这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。因此，本次设计以H型PWM直流控制器为主要研究对象。要研究PWM调速方法，不能不提到微电子技术、电力电子技术和微机控制技术，没有这些技术的支持，我们就只能还是在走前人的老路，被模拟、人工控制的思维所禁锢。在电动机转速控制领域，如果不能有效的引用这些技术，我们很难有所突破，发现问题，进而有所进步。 PWM控制技术一般可分为三大类，即
8、正弦PWM、优化PWM及随机PWM，从实现方法上来看，大致有模拟式和数字式两种，而数字式中又包括硬件、软件或查表等几种实现方式，从控制特性来看主要可分为两种：开环式（电压或磁通控制型）和闭环式（电流或磁控型）。 随着计算机设计技术的不断进步，数字化PWM已逐步取代模拟式PWM，成为电力电子装置共用的核心技术。交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于PWM技术的不断进步。目前广泛应用的是在规则采样PWM的基础上发展起来的准优化PWM法，即三次谐波叠加法和电压空间矢量PWM法，这两种方法具有计算简单、实时控制容易的特点。 1.2 选择PWM控制系统的理由 自从全控型电力电子器件问世以后，就出现
9、了采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统4。PWM系统在很多方面有较大的优越性： （1）主电路线路非常简单，需要用到的功率器件比较少。 （2）开关频率比较高，电机损耗及发热都比较少，电流很容易连续，并且谐波少。 （3）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗比较小，装置效率比较高。 （4）低速性能比较好，调速范围比较宽，稳速精度比较高。 （5）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应比较快，动态抗干扰能力强。 （6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 由于有上述优点，直流PWM调
10、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，已经完全取代了其他调速系统，这是我们选取它作为研究对象的重要原因3设计要求3.1给定条件（1） 电机参数型号P(对)Z2-91-21795.522060059.01 （2）折合到电机轴上的总飞轮矩 (3）电枢电阻估算：，3.2技术要求（1） 稳态指标：无静差（2）动态指标:电流超调量，启动到额定转速时的超调量（按饱和方式算）（3）要求以转速，电流双闭环形式作为控制方案（4）要求主电路采用晶闸管整流电路 ，采用单相桥式全控整流电路； ，采用三相半波可控整流电路； ，采用三相桥式全控整流电路。（5）要求电流检测选用交流互感器，经整流后输出
11、电压作为反馈信号（6）转速反馈信号也经过整流以确保极性 (7)PI调节器没有备用微分反馈电路4系统总体方案设计4.1双闭环调速系统的结构图直流双闭环调速系统的结构图如图4.1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，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去控制PWM装置。其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。 图 4.1双闭环调速系统的结构图4.2直流双闭环系统的原理 ASR（速度调节器）根据速度指令Un*和速度反馈Un的偏差进行调节，其输出是电
12、流指令的给定信号Ui*（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。 ACR(电流调节器)根据Ui*和电流反馈Ui的偏差进行调节，其输出是UPE（功率变换器件的）的控制信号Uc。进而调节UPE的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te与TL不相等转速会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，转速不变后，达到稳定。4.3双闭环调速系统优点 一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起
13、动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态1。这种理想的起动过程如图4.1为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。采用转速、电流双闭环控制系统。如图4.3。 图4.2理想启动过程 参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图如图2.4所示。 图4.3双闭环直流调速系统动
14、态结构图4.4转速电流双闭环直流控制系统（a） 带电流截止负反馈的单闭环调速系统 （b）理想的快速启动过程 图4.4直流调速系统的电流，转速启动特性曲线 双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统在突加给定电压Un*由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图4.4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以、和。 第阶段：0t1是电流上升阶段。突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，当IdIdl后，电动机开始转动。由于电机惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压Un=Un*Un数值较大并使其输出达到饱和值U*im，强迫电流Id迅速上升。当Id=Idm时，UiU*im，电流调节器ACR的作用使Id不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。 第阶段：t1t2是恒流加速阶段。这一阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定U*im作用下的电流调
