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1、目 录 目 录1概述2一 设计指标2二 参数计算22.1 预置及固有参数计算：22.2 选择电流调节器结构32.3 计算电流环参数32.4 电流环检验近似条件42.5 选择转速调节器结构42.6 计算转速环参数42.7 转速环检验近似条件5三 系统仿真分析53.1 MATLAB绘制双闭环系统动态结构图53.2 MATLAB下仿真运行结果6四 系统硬件设计64.1 系统总体设计方案64.2 主电路设计74.2.1 主电路整体设计74.2.2整流电路及其二极管选择84.2.3主电路开关器件选择94.2.4 IGBT驱动电路的设计104.2.5电流、转速、电压检测电路的设计114.3控制电路设计12
2、4.3.1键盘及显示电路设计124.3.2通信电路设计144.3.3 模拟量给定、电流、电压、转速等反馈量与单片机的接口设计144.4软件设计154.4.1主程序框图154.4.2键盘及显示程序154.4.3转速调节数字PI子程序194.4.4电流调节数字PI子程序204.4.5数字滤波子程序204.4.6 其他程序21五 设计总结215.1器件清单215.2设计过程总结及收获21概述 如何用计算机的新方法来控制调整直流电动机的转速的问题是现在工业控制中急需应用的问题。通常在工业上控制直流电动机转速的方法常用调压线圈来改变直流电动机线圈两端的电压来调整转速，但问题是速度调整不精确而且也不稳定，
3、调压线圈也经常发生短路烧毁等故障现象，容易受外界因素的影响。如果采用单片机来进行自动控制直流电动机的转速，既可以避免以上缺点，又可以减少设备费用和人力等等。 工业生产广泛使用电力拖动，电力拖动的耗电量占了工业生产耗电量的一半左右，而电力拖动又离不开调速和控制，工业上对电动机的控制方式多种多样,一些工厂和企业对电动机仍采用人工手动控制方式,由于人为的各种因素,会造成产品质量和生产效率降低,生产成本提高。故对电机的自动控制和调速进行研究对我国的工业发展有着及其深远的意义。为了使生产机械以最合理的速度进行工作，从而提高生产率和保证产品具有较高的质量，许多生产机械要求在不同的情况下，以不同的转速工作。
4、例如，车床在进行粗加工时，要求主轴速度较低而进给速度较高，以提高生产率时；要求主轴速度较高进给速度较高低，以保证对工件的粗糙度要求；再比如电梯和其它要求准确停车的生产机械，在停车前要降低速度，以提高停车的准确性。这就要求我们采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，一满足生产的需要。通常，我们把这种为了满足生产需要而人为改变拖动电机的转速，使电动机从一个稳定转速过渡到另一个稳定转速的过程称为调速过程，简称调速。对于采用电动机作原动机的生产机械，实现调速的方案通常有电气调速、机械调速和机电配合调速三种。机械调速是靠改变传动机机构的转速比来调节工作机构的转速；而电气调速是靠调节电动机的转速来调节工作
5、机构的转速。电气调速有许多优点，如传动机构简单、调速时不需要脱离负载、技术性能好等。因此，电气调速获得了广泛的应用。直流电机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，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。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。一 设计指标直流电动机参数：，电枢电源采用直流脉宽调制电源供电，系统过载能力1.5，调速范围20，最高转速2000r/min，电流超调量，转速、电流无静差，主电路电力电子器件开关频率。二 参
6、数计算2.1 预置及固有参数计算：1) 电枢电源采用直流脉宽调制电源，滞后时间常数为2) 电动机电动势系数3) 由ACR输出限幅值：， 则 取启动电流：4) 由ASR输出限幅值为：，则电流反馈系数为：5) 由转速最大给定值：，则转速反馈系数： 转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取=0.005s。2.2 选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型型系统动态抗扰性能指标，都可以接受。2.3 计算电流环参数电流滤波时间常数。应有(12) =3.33ms,因此取=
7、0.001s。电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。电流调节器超前时间常数：电流环开环增益：要求时，由相关表知，应取，因此于是，ACR的比例系数为2.4 电流环检验近似条件电流环截止频率：1) 整流装置传递函数近似条件，满足近似条件。2) 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 ，满足近似条件。3) 电流环小时间常数近似处理条件：，满足近似条件。按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为满足设计要求。2.5 选择转速调节器结构按型系统设计转速环，ASR选用PI调节器，传递函数为按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5。2.6 计算转速环参数电流环等效时间常数。由得 转速环小时间常
8、数之和。按小时间常数近似处理，取转速调节器超前时间常数：转速环开环增益ASR的比例系数为2.7 转速环检验近似条件1) 转速环截止频率为2) 电流环传递函数简化条件为，满足简化条件3) 转速环小时间常数近似处理条件为，满足近似条件。三 系统仿真分析3.1 MATLAB绘制双闭环系统动态结构图图1 双闭环系统动态结构图 3.2 MATLAB下仿真运行结果图2 仿真运行结果从仿真结果看，所设计系统基本满足设计要求。四 系统硬件设计4.1 系统总体设计方案图 3 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图单片机可选用AT89C51、AT89S52等。图4 AT89C51管脚图 AT89C51 系
9、列单片机是美国ATMEL 公司近年来推出的一种新型高性能低价位、低电压低功耗的8 位CMOS 微型计算机。它的显著优点是: 内含Flash 存储器,这在系统的开发过程中,可随意进行程序修改,既便错误编程之后仍可以重新编程,故不存在废品且大大缩短了程序的开发周期;同时在系统工作过程中能有效地保存数据信息。采用静态时钟方式,节省电能,这对于降低便携式产品的功耗十分有利。由于它是以 8031 核构成的,所以它与MCS251 系列单片机是兼容的,这对于熟悉MCS251 系列的广大用户来说,用AT89 系列单片机取代51 系列进行系统设计是轻而易举的。 4.2 主电路设计4.2.1 主电路整体设计主电路
10、由整流电路，滤波电路及PWM变换器组成。为简化控制电路，减少滤波，整流电路采用三相二极管整流电路整流，系统的调压由PWM变换器承担。PWM变换器由两个绝缘栅极双极晶体管IGBT和两个续流二极管组成。GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，所以其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。将这两类器件相互取长补短适当结合而成的复合器件，通常称为 Bi-MOS器件。绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）综合了
11、GTR和的MOSFET优点，因而具有良好的特性。因此，自其1986年开始投入市场，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，成为中小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。图5 主电路图 主电路中图中C1、C2为直流侧的滤波环节；开关K1控制交流电的接通与关；K2为接触器触点开关；R1、R2、Rb和Vb起泵升限制作用，当电机制动时，滤波电容吸收运动系统动能，使电容两端电压（给定值260V）升高，当电压检测信号超过给定信号时，单片机通过P3.5口使Vb导通，Rb的分流电路接通。4.2.2整流电路及其二极管选择整流电路
12、是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，个具特色。对于本题目所设计的调速系统，为了对转子电压进行控制，要求对电动机的转子三相交流电流进行整流来构成控制回路，因此必须选用三相整流电路。再此基础上为了使直流电压麦脉动较小，可采用三相桥式整流电路。图6 三相整流电路原理图三相桥式整流电路原理图如图所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个二极管（VD1，VD3，VD5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个二极管（VD4，VD6，VD2）称为共阳极组。此外，习惯上希望二极管按从1至6的顺序导通，为此将二极管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a，b，c三相电源相接的3
13、个二极管VD1，VD3，VD5；共阳极组中与a，b，c三相电源相接的3个二极管分别为VD4，VD6，VD2。对于共阴极组的3个二极管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个二极管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个二极管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。三相桥式整流电路的一些特点如下：（1）每个时刻均需2个三相整流电路原理图二极管同时导通,形成向负载供电的回路，其中1个二极管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同一相的二极管。（2）6个二极管按VD1-VD2-VD3-VD4-VD5-VD6的顺序导通
14、。（3）整流输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。硅整流元件的选择：式中， A（三相桥式电路，电容性负载）所以 A取 考虑到启动时斩波器断开，外接R1和R2全值启动，整流电路元件承受的电压比正常运行时大，式中可取。所以可取： 可选择硅整流元件ZP300六只。4.2.3主电路开关器件选择根据题目的要求，需要选择合适的IGBT驱动装置来控制外串电阻两端电压的大小并保证控制的精度。在这里选用日本东芝公司的MG200Q2YS50型IGBT。具体参数如下表： 表 1 MG200Q2YS50型IGBT参数特性符号极值单位共射极饱和电压VCES1200V栅射极最大额定电压VGES20V栅射极最大额定电压 DC IC(25C/80C)78/50A1msICP(25C/80C)156/100正向电流DCIF200A1msIFM100集电极功耗（Tc=25C）PC400W结温Tj150C存储温度范围Tstg-40125C绝缘电压VIsol2500（AC 1minute）V螺纹扭矩
