双闭环直流PWM调速系统

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1、课运骋统十成绩评定表设计课题双闭环直流PWM调速系统学院名称：电气工程学院专业班级：自动化1003学生姓名:学 号：指导教师：设计时间： 2013-6T厂2013-6-23指导教师意见：成绩:签名:运动控制系统课程设计运动控制系统课程设课程设计名称：双闭环直流PWM调速系统专业班级：自动化1003学生姓名：学 号：指导教师 ：课程设计时间：2013-6-1厂2013-6-23运动控制系统课程设计运动控制系统 课程设计任务书学生姓名喻刚专业班级自动化学号201046820701题目双闭环直流PWM调速系统设计课题性质工程设计课题来源自拟指导教师李智强主要内容（参数）利用单片机C8051F005设

2、计双闭环直流PWM调速系统，实现以下功能：1. 控制电机在不同速度下旋转；2. 通过控制PWM脉冲的占空比来改变IGBT的输出电压；3. 实现双闭环直流调速。直流电机参数：220V, 20KW, 1500r/min,电枢电阻Ra=0.16Q，电机过载倍 数 2=1.5, T=0.025S, Tm=0.24S。任务要求（进度）第1 -2天：熟悉课程设计任务及要求，杳阅技术资料，确定设计方案。第3-4天：按照确定的方案设计单兀电路。要求画出单兀电路图，兀件及 兀件参数选择要有依据，各单兀电路的设计要有详细论述。第5-6天：软件设计，编写程序。第7-8天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文

3、理流畅、格 式规范、方案合理、设计正确。主要参考资料1王晓明电动机的单片机控制（第版）M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.82 张世铭，王振和直流调速系统M.武汉:华中理工大学出版社,2008.53 余锡存单片机原理及接技术M.西安:西安电子科技大学出版社,20074 于永权单片机在控制系统中的应用M.北京:电子工业出版社,2005.1审查意见系（教研室）主任签字：年月曰1 总体方案设计本系统采用一个8位单片机C8051F005做主控制器。以H型双极性可逆PWM 变换器为主回路核心，采用典型的双闭环调速原理组成PWM调速系统。C8051F005 的 PCA 提供 PWM 脉冲，给定的速

4、度值、速度反馈值和电流反馈值可以控制 PWM 脉冲。改变PWM脉冲的占空比可以改变IGBT的输出电压，以此来改变直流电动 机的速度。由于C8051F005单片机内部有模/数、数/模转换模块，所以直流测速 机将速度值转化为电压值，然后直接由 A/D 转换通道变成数字量送入单片机，从 而实现转速检测。电流检测是通过霍尔效应电流传感器由 A/D 转换通道变成数字 量送入单片机。整流电路采用三相桥式全控整流电路。直流调速系统中应用最普遍的方案是转速、电流双闭环系统，采用串级控制 的方式。本设计中，转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；电流 负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又

5、能实现限流以及改善 系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动 态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。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 1.1 系统原理框图2 系统设计直流电机参数：220V, 20KW, 1500r/min，电枢电阻Ra=0.16Q，电机过载倍数 2=1.5, T=0.025S, T

6、m=0.24S。主电路采用三相全控桥，进线交流电源：三相 380V。根据初始条件,参照图2-1和图2-2对转速和电流环设计时所必要的参数准备如下：图 2.1 双闭环直流调速系统的稳态结构框图图 2.2 双闭环直流调速系统的动态结构框图额定电流： INPNUN20*10390.91A ;220电动机电动势系数：U I R 0127nn_0.127 ;nN转速环放大系数：10VnN0.0057 ；N晶闸管滞后时间常数：Ts丄0.001S;S 1000电流滤波时间常数： T 0.002S ;oi 电流环小时间常数之和： T T T 0.003S ;i S oi 转速滤波时间常数： T 0.01;on

7、转速环小时间常数之和：T 丄T0.016S。n k onI3系统硬件设计3.1 PWM变换器脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。直流电 动机PWM控制系统分为不可逆和可逆系统。不可逆系统是指电动机只能单向旋 转;可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转。对于可逆系统，又可以分为单 极性驱动和双极性驱动两种方式。单极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电 枢两端的脉冲电压是单一极性的；双极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电 枢两端的脉冲电压是正负交替的。本设计采用双极性驱动可逆PWM变换器。图3.1是H型双极性可逆PWM变换器原理图。它包含有4个IGBT管和4个 续流

8、二极管。4个IGBT管分成两组，VT1, VT4为一组；VT2, VT3为另一组。同 组的IGBT管同时导通或截止，不同组的IGBT管的导通与截止是不相同的。图3.1 H型双极性可逆PWM变换器导通，此时P3.1的控制信号为低电平，因此VT2、VT3截止；当P3.0的控制信号为低电平时，开关管VT1、VT4截止，此时P3.1的控制信号为高电平，因此VT2、VT3 导通。当直流电动机正转工作时，在每一个PWM周期的正脉冲区间，VT1、VT4导 通，VT2、VT3截止。在每一个PWM周期的负脉冲区间，VT2、VT3导通，VT1、VT4 截止，电流的方向仍然不变，只不过电流幅值的下降速率比不可逆控制

9、系统的要 大，因此电流的波动较大。H型双极式可逆PWM变换器的优点如下：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限运行；（3）电动机停止时有微振电流，从而可以消除静摩擦死区；（4）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍然比较宽，可以充分保证器件的 可靠导通；（5）低速时，平稳性好，系统的调速范围可达1：20000 左右。3.2整流电路设计整流电路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。本设 计采用三相桥式全控整流电路，其原理图如图 3.2 所示，阴极连接在一起的 3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。图3.

10、2三相桥式全控整流电路原理图这种整流电路的输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形完全相同，故该3.3泵升限制电路当脉宽调速系统的电动机转速由高变低时（减速或者停车），储存在电动机 和负载转动部分的动能将会变成电能，并通过双极式可逆 PWM 变换器回送给直 流电源。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回送电能，电机制动时只好 给滤波电容充电，从而使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。过高的泵升电 压会损坏元器件，所以必须采取预防措施，防止过高的泵升电压出现。可以采用 由分流电阻R和开关元件（电力电子器件）VT组成的泵升电压限制电路，如图 3.3所示。当滤波电容器C两端的电压超过规定的泵升电压允

11、许数值时,VT导通, 将回馈能量的一部分消耗在分流电阻R上。在本设计中泵升电路电解电容选取 C=2200 “ F;电压 U=450V; VT 选取 IRGPC50U 型号的 IGBT 管；电阻选取 R=20Q。i图3.3泵升电压限制电路3.4 测速电路直流测速发电机的输出是一个模拟量，当它与单片机接时，必须经过A/D 转换。由于C8051F005单片机内部集成了 A/D转换器，它具有812位的转换精 度，因此，A/D转换可以全部在片内完成，没有必要再外接A/D转换器。直流测速发电机安装在被测电动机轴上，以与被测电动机相同的转速旋转。 测速发电机的输出电压通过R13和C3组成的滤波环节后，滤去测

12、速发电机输出 的纹波，使之到达电位器Rw两端的电压是稳定的直流电压。调整Rw的位置，使 测速发电机在最大转速时，抽头所获得的电压为2.4V, R1用于限流。对图3.4 所示的直流测速发电机的输出进行 A/D 转换。使用 C8051F005 的AINO通道作为测速发电机的A/D转换输入端，使用单片机内部2.43V电压基准 通过软件启动A/D转换。3.5 键盘电路本系统采用独立式按键电路。独立式按键是指直接用I/O 线与按键电路构 成的单个按键电路。在此形式的按键电路中，每个按键独自占用一根I/O 线, I/O 线之间的工作状态不会受到影响。图 3.5 独立式按键电路图独立式按键电路如图3.5所示

13、，这种独立式按键电路所需器件比较少、软件 编程结构比较简单，在此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻的接入 保证了冷按键断开时，I/O 线上有确定的高电平。通过软件编程实现如下功能： 当按下1键时，电动机启动；当按下2键时，电动机正转；当按下3 键时，电动 机反转；当按下4键时，电动机停止；当按下5键时，电动机加速；当按下6键3.6 电流检测电路本设计采用砷化镓系列的HW300B型霍尔元件，输出霍尔电压范围122 204mV,输入、输出阻抗为240一550 Q,补偿电压为-7一7 mV,温度系数为-1. 8% /ro其输入可采用电压模式供电，也可采用电流模式供电。这里采用电压模式 供电，

14、即就是HW300B的引脚1、3为控制输入端，而引脚2、4为霍尔电压输出 端。由磁敏霍尔元件将集磁环收集到的磁场转换为弱电信号，输出一般为几毫 伏的电压，需对其进行放大。这里采用AD620型仪器放大器，它通过改变电阻而 改变放大倍数（厂1000）0 AD620的1、8引脚之间通过跨接1只10 kQ的电位 器和1只75 Q的电阻来调整放大倍数。若要改变放大倍数，可调节电位器oAD620 的引脚7、4分别接+5 V、-5 V的工作电压，并且分别接0.01 “F的旁路电容 至地，用来滤除交流成分，使输出的直流更平滑；而其引脚3、2分别接霍尔元 件的引脚2、4，其引脚6输出放大后的电压值，接反馈线圈；引

15、脚5是参考基 准，接REF3012的引脚3,作为整个系统的地接。其电路如图3.6图3.6电流检测电路4系统软件设计双闭环直流脉宽调速系统的控制规律是靠软件来实现的,所有的硬件也必须由软件实施管理。双闭环直流脉宽调速系统的软件有主程序、初始化子程序和中4.1 主程序设计 主程序完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘按键的处 理以及与上位机和其他外设通信等功能。主程序框图如图 4-1 所示。系统初始化键处理刷新显示数据通信图 4.1 主程序框图4.2 子程序的初始化设计子程序的初始化完成各种硬件器件工作方式的设定、各种变量的初始化以及系统运行参数的设置等。初始化子程序框图如图 4.2 所示。图 4.2 初始化子程序框图4.3 中断服务子程序设计中断服务子程序包括故障检测