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1、课 程 设 计课 程 自动控制系统设计 题 目 数字式直流脉宽调速系统设计班 级 08自Y2 姓 名 学 号 数字式直流脉宽调速系统一、 直流脉宽调速系统的概述直流脉宽调速系统是由脉宽调制变换器(简称PWM变换器)对直流电动机电枢供电的自动调速系统。脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器，其基本原理已在电力电子技术中阐述。自从全控式电力电子器件问世以来，应用于实践的脉宽调速系统，以它的线路简单，谐波少，损耗小，效率高和静、动态性能好等优势，引发了直流调速领域的一场革命。将直流PWM调速推广到一般工业应用中取代晶闸管相控式整流器调速有着广阔的前景。只是由于器件的发展，同时带来交流变压
2、变频调速的更快速发展，使得直流PWM调速还没有来得及完全占领市场，几乎是刚刚兴起，就变成了传统领域。不过，在一些仍需要使用直流电动机的场合，例如电动叉车、城市无轨电车、地铁机车等，直流PWM调速仍有用武之地。与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率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；
3、（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。由于有上述有点，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。特别是近几年大功率CTR、GTO、IGBT的相继问世，促使其生产水平已达到4500V、2500A，组成的PWM变换器用来驱动上千千瓦的电动机，广泛用于交通、工矿企业等电动传动系统中。因此对PWM调速系统的进一步研究，在调速精度要求较高的场合，对解决传统直流调速系统调速精度低、稳定性差的难题，具有广泛的意义和价值。二、 根据设计指标进行参数计算2.1 设计指标直流电动机参数：PN=20kW，nN=1500r/min，UN=22
4、0V，IN=106A，Ra=0.16，R=0.6，Tl=0.02s，Tm=0.24s，Unm=Uim=Ucm=10V，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i5，转速、电流无静差，主电路电力电子器件开关频率f1kHz。2.2 参数计算2.2.1 电流反馈系数和转速反馈系数电流反馈系数： 转速反馈系数： 2.2.2 ACR的设计（1）确定时间常数整流装置滞后时间常数： 电流滤波时间常数： 电流环小时间常数之和： （2）计算电流调节器参数根据设计要求i5，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型
5、的，因此可用PI型电流调节器。电流调节器超前时间常数： 电流环开环增益：要求i5时，查相关表，应取，此时，阻尼系数=0.707，超调量。因此，于是，ACR的比例系数为： （3）校验近似条件电流环截止频率： 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件。 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。 电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件电源：电机： 图2-1 ACR电流环框图图2-2 ACR电流环simulink仿真2.2.3 ASR的设计（1）确定时间常数电流环等效时间常数： 转速滤波时间常数： 转速环小时间常数： （2）计算转速调节器参数按典型II型系统设计转速调节器，可用
6、PI型电流调节器。按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为电势系数： 求得转速环开环增益： ASR的比例系数： （3）校验近似条件转速环截止频率 电流环化简条件，满足简化条件 转速环小时间常数近似处理条件，满足近似条件电源：电机： 图2-3 ASR转速环框图图2-4 ASR转速环的simulink仿真三、 硬件设计3.1 系统总体设计方案微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE用的是直流PWM功率变换器，具体结构图如图3-1所示。图3-1 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构（1）主回路三相交流电源经不可控整流变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换
7、器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。（2）检测回路检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中电压、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。（3）故障综合对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即通知微机，以便及时处理，避免故障进一步扩大。（4）数字控制器数字控制器是系统的核心，选用专为电机控制设计的Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列单片微机。这种微机芯片本身都带有A/D转换器、通用I/O和通用接口，还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能，可大大简化数字控制系统的硬件电路。3.2 主电路3.2.1 整流电路二
8、极管的选择可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式电路。如图4-2所示。图3-2 桥式可逆PWM变换器这时，电动机M两端电压UAB的极性随开关器件驱动电压极性变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，最常用的是双极式控制的可逆PWM变换器。整流二极管所承受的正反向电压最大值为三相交流电网线电压的峰值，即为。实际应用当中需要考虑到电网电压的波动及各类浪涌电压的影响，因此需要留有一定的安全裕量，一般取为此峰值电压的23倍，所以整流二极管的正反向额定电压为： 通过二极管的峰值电流及电机最大负载时的峰值电流，为电机额定电流的5-6倍，取，则 二极管的电流有效值为，其最大峰值为。
9、考虑一定的安全裕量可以求得整流二极管的额定正向平均电流为： 根据整流二极管的选型手册，选取50A/1200V的电力二极管作为整流电路的主开关管。3.2.2 主电路的开关器件选取根据设计的要求，选用MG200Q2YS50型IGBT。具有如下参数极值：共射极饱和电压为1200V，栅射极最大额定电压为20V，集电极功耗（Tc=25C）为400W，结温为150C，存储温度范围为-40125C。栅极驱动电压:IGBT开通时，正向栅极电压的值应该足够令IGBT产生完全饱和，并使通态损耗减至最小，同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。在任何情况下，开通时的栅极驱动电压，应该在1220V之间。当栅极电压为
10、零时，IGBT处于关断状态。但是，为了保证IGBT在集电极、发射极电压上出dv/dt噪声时仍保持关断，必须在栅极上施加一个反向关断偏压，采用反向偏压还减少了关断损耗。反向偏压应该在-5-15V之间。IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，因此栅极电阻值将对IGBT的动态特性产生极大的影响。数值较小的电阻使栅极电容的充放电较快，从而减小开关时间和开关损耗。为了使单片机发出PWM脉冲信号能够控制IGBT的导通，在中间必须使用一个驱动装置来实现脉冲信号的放大。本文所设计的驱动电路采用300A，1200V快速型IGBT专用驱动模块EXB841。该电路的信号延迟时间不超过1 ，最高开关频率可
11、达40kHz-50kHz，外部只需要提供单电源20V，内部自己产生-5V反偏压。该模块采用高速光电隔离，射极输出，并且有短路保护及慢速关断功能。3.2.3 电流、转速、电压检测电路选择检测与传感是实现单片机控制的关键环节，它与信息系统的输入端相连。并将检测到的信号输送到信息处理部分，是单片机控制系统的感受器官。传感器是一种以一定精确度将被测量（如位移、力、加速度等）转换为与之有确定对应关系的，易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或装置。检测是检出和测量的总和。检出定义为指示某些特殊量的存在，但无需提供量值的过程。测量则被定义为以确定被测对象量值为目的的全部操作。传感检测技术就是应用传感器将
12、被测信息转换成便于传输和处理的物理量，进而进行变换、传输、显示、记录和分析数据处理的技术。本设计中电压V检测采用运算放大器配合光电耦合器件与单片机实现接口；电流I检测采用霍尔传感器LA50-NP检测直流电流；一旦检测到电压或电流超过设定的参数，单片机则立刻产生中断处理，即可封锁输出给IGBT的PWM信号，并控制发生声光报警。3.2.3.1 电流检测电路选择电流检测装置选用传感器中所学的霍尔元件直接检测直流控制回路中的电流，然后输出一个电压信号送入单片机。电流霍尔传感器分为电压输出和电流输出。电压输出型电流霍尔元件中内部集成了放大器，接入电源（通常为正负电源），当被测电流经过霍尔的窗口时，可以直
13、接输出和电流成正比的电压信号。该电压可以直接用于系统控制或显示。电流输出型电流霍尔元件的输出是和被测电流成正比的电流信号，使用时需接上适当的电阻，将电流信号转变为电压信号。本设计中可直接选用电压输出型电流霍尔元件。它是根据霍尔效应制成的，在一个半导体薄片相应两侧面通以控制电流I，在薄片的垂直方向加磁场B，则在半导体另两侧产生一个大小与控制电流I和磁场的乘积成比例的电动势UH。这一现象叫霍尔效应，其所产生的电动势称为霍尔电动势，其半导体片称为霍尔元件。若霍尔元件有N型半导体制成，则自由电子沿与电流I相反的方向运动。由于电子运动时受磁场中洛仑兹力FL作用，电子向一侧偏转，并使该侧形成电子的积累。与
14、此同时，元件的横向变形成了磁场，它使随后的电子在受到FL的同时，还受到与此反向的电场力FE的作用。当两力相等时，电子的积累变达到动态平衡，这时在两横端面之间建立的电场成为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。N型霍尔元件的 ,P型霍尔元件的 两式中，n为电子密度；p为空穴密度；e为电子电量；d为元件厚度，单位为m。令 或，则，RH称为霍尔系数，其值反映霍尔效应的强弱。设，则 ,KH称为霍尔元件灵敏度，它表示在单位电流单位磁场作用下，开路的霍尔电势输出值。3.2.3.2 转速检测电路选择 本次设计采用75CYB0型永磁直流测速发电机进行转速检测。测速发电机的工作原理类似于发电机的工作原理，两
15、者都是将转动的机械能转换为电信号输出。当测速发电机工作时，在某一瞬间其输出电压跟角速度成正比，而极性有旋转方向确定。 3.2.3.3 电压检测电路选择 采用隔离电路可将AT89C51与被控对象隔离开，以防止来自现场的干扰或强电侵入。数字信号比模拟信号的隔离易于实现，所以输出通道中大部分采用数字隔离。(1)光电耦合器的结构及特点 普通光电耦合器以发光二极管为输入端，光敏三极管为输出端。光电耦合器绝缘电阻可达1010以上，并能承受1500V以上的高电压。被隔离的两端可以不共地自成系统，避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰。另外，以发光二极管作为发光源，其动态电阻很小，可以抑制系统内外的噪声干扰。
16、(2)光电耦合器输入控制和输出形式光电耦合器的发光二极管正常发光电流为毫安级，为满足电流要求，长采用限流电阻的开关输入控制。输出也分为集电极输出和发射极输出等形式。3.3 控制电路3.3.1 键盘电路设计 本次设计采用44键盘，因此，电路图可以设计成如图3-3所示。由图中可知，P2的高4位连接44键盘的Y3、Y2、Y1及Y0，P2的低4位连接44键盘的X3、X2、X1及X0。图3-4键盘电路3.3.2 显示电路设计 本次设计要求8位显示，因此使用两个4位数的7段LED数码显示模块，连接成8位数字的显示电路，再使用74138和7447进行译码，具体的电路图如图3-4所示。图3-5显示电路3.3.
17、3 转速反馈量与单片机的接口设计 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。现在，有许多单片机内部集成了A/D转换器，它们大多具有812位的转换精度。因此，如果这样的转换精度能满足要求，就没有必要再外接A/D转换器。本设计采用了AT89C51单片机，直流测速发电机与单片机的接口如图4-6所示。图36直流测速发电机与单片机的接口它内部集成有12位8通道的A/D转换器，以及2.43V内部参考电压，因此A/D转换可以全部在片内完成。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R2和C1组成的滤波环节后，滤去测速发电机输出的纹
18、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。3.4 软件3.4.1 主程序设计主程序完成实时性不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其他外设通信等功能。主程序框图如图3-6所示。图3-7 主程序框图3.4.2 键盘、显示子程序设计键盘和显示的具体程序如下：键盘子程序： ORG 0 显示子程序：ORG 0 START: MOV R0,#0 START:MOV P1,#10H MOV R1,#4 CALL DELAY MOV R2,#EFH MOV P1,#11H SCAN: M
19、OV A,R2 CALL DELAY MOV P2,A MOV P1,#12H JNB P2.0,KEYIN CALL DELAY INC R0 MOV P1,#13H JNB P2.1,KEYIN CALL DELAY INC R0 MOV P1,#14H JNB P2.2,KEYIN CALL DELAY INC R0 MOV P1,#15H JNB P2.3,KEYIN CALL DELAY INC R0 MOV P1,#16H MOV A,R2 CALL DELAY RL A MOV P1,#17H MOV R2,A CALL DELAY DJNZ R1,SCAN JMP START
20、JMP START DELAY:MOV R7,#10 KEYIN:CALL DEBOUNCE D1: MOV R6,#200 MOV A,R0 DJNZ R6,$ DA A DJNZ R7,D1 MOV P1,A RET JMP START END DEBOUNCE:MOV R7,#40 D1: MOV R6,#200 DJNZ R6,$ DJNZ R7,D1 RET END3.4.3 转速调节数字PI子程序设计进入转速调节器中断服务子程序后，首先应保护现场，再计算实际转速，完成转速PI调节，最后启动转速检测，为下一步调节器做准备。在中断返回前应恢复现场，使被中断的上级程序正确可靠地恢复运行。
21、具体的程序如下：ORG 0 POP APUSH PSW POP PSWPUSH A CALL PISFSETB RS0 MOV R0,32HMOV A,20H MOV R1,33HMOV 22H,32H RETMOV 23H,33H ENDCPL RS03.4.4 电流调节器数字PI子程序设计电流调节器中断服务子程序主要完成电流PI调节器和PWM生成功能，然后启动A/D转换，为下一步调节左准备。具体的程序如下：ORG 0 POP PSWPUSH PSW CALL PISFPUSH A MOV R0,52HSETB RS0 MOV R1,53HMOV A,22H RETMOV 22H,52H E
22、NDMOV 23H,53HCPL RS0POP A3.4.5 数字滤波子程序设计在检测得到的转速信号中，不可避免地要混入一些干扰信号。采用模拟测速时，常用由硬件组成的滤波器来滤除干扰信号；在数字测速中，硬件电路只能对编码器输出脉冲起到整型、倍频的作用，往往用软件来实现数字滤波。数字滤波具有使用灵活、修改方便等优点，不但能代替硬件滤波器，还能实现硬件滤波器无法实现的功能。数字滤波可以用于测速滤波，也可以用于电压、电流检测信号的滤波。常用的数字滤波方法：算术平均值滤波、中值滤波和中值平均滤波。本次设计用的数字滤波程序的流程图如图4-10所示。图3-10 数字滤波的程序流程图数字滤波的具体程序如下：
23、ORG 0MOV A,30HMOV 31H,AMOV A,30HMOV B,#aMUL ABMOV 30H,AMOV A,#1CLR CSUBB A,#aMOV B,31HMUL ABADD A,30HRETEND3.4.6 其它程序设计初始化程序完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。进入故障保护中断服务子程序后，首先封锁PWM输出，再分析、判断故障，显示故障原因并报警，最后等待系统复位。当故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保护中断，而转速调节和电流调节均采用定时中断。三种中断服务中，故障保护中断的优先级别最高，电流调节中断次之，转速调节中断的级别最低。四、 总结4.1 个人小结 这次的自动控制系统课程设计整整做了两周，比起以前的数电模电微机等课程要复杂的多，难得多，同时也让我深深的体会到自己的很多不足之处。在计算参数的时候首先根据教材中的例题进行参数计算，加以适当的修改，最终得到了很适当的参数值，验证理论与实践的结合。 这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固先前学的自动控制系统的理论知识，而且也培养了自己的独立思考的能力，让思维得到拓展。
