下载文档原格式
第一章绪论1.1背景介绍进入21世纪后，在全球经济发展中，能源与环保日益成为人们关注的焦点。
很多电力电子装置的应用使电力系统中产生谐波。
例如通用变频器，大都为交一直—交电压型结构，整流端为二极管不可控整流或晶闸管相控整流。
这种结构使电网侧电流波形严重畸变，谐波大，对公共电网造成污染。
电网侧功率因数低，与电网交换大量的无功功率，降低了发电和输电设备的利用率，同时产生大量的附加损耗。
系统不能在再生状态下运行，无法实现能量的再生利用。
要从根本上消除通用变频器的上述缺陷，要求新型变频调速系统的整流环节网侧电流正弦化运行于单位功率因数，且能实现能量双向流动。
PWM控制为减少谐波提供了一个技术性的方案，随着高频电力电子器件如GTO、电力晶体管、IGBT价格的降低，以及电压和电流等级的提高，该控制方法越来越成为减少谐波污染的首选技术方案。
自20世纪90年代以来，PWM整流器一直是电力电子领域的研究热点。
对PWM整流相关应用的研究也越来越多，例如有源滤波、超导储能、交流传动、高压直流输电以及统一潮流控制、新型UPS以及太阳能，风能等可再生能源的电压型PWM可逆整流器采用全控型器件，工作在高频状态。
由于功率开关器件的开通和关断都可以控制，所以整流器的电流波形是可以控制的，其理想的状态是和输入相电压同相(或反相)的正弦波，此时网侧功率因数接近1，输入电流的谐波含量接近零，而且能够对直流电压进行调整，使之稳定在一定的设定值，在负载变化时，具有较快的响应速度。
因为具备上述优点，将其作为交一直一交变频调速系统中的整流环节，构成双PWM变频调速系统，使该变频调速系统具有输入电压、电流频率固定，波形均为正弦，功率因数接近1，输出电压、电流频率可变，电流波形也为正弦的特点，可实现四象限运行，从而达到能量双向传送第1 页共44 页的目的，实现了调速节能和绿色环保的高度结合。
1.2PWM整流器的研究现状对PWM整流器的研究开始于20世纪80年代。
毕业设计毕业设计任务书摘要............................................................................................. 错误!未定义书签。
第1章引言................................................................................. 错误!未定义书签。
1.1单片机的产生和发展.......................................................... 错误!未定义书签。
1.2交流调速系统的现状.......................................................... 错误!未定义书签。
第2章硬件设计....................................................................... 错误!未定义书签。
2.1系统总体方案设计.............................................................. 错误!未定义书签。
2.2主回路设计.......................................................................... 错误!未定义书签。
2.2.1整流滤波电路的设计................................................ 错误!未定义书签。
2.2.2整流电路意义总结.................................................... 错误!未定义书签。
2.3整流电路分类...................................................................... 错误!未定义书签。
摘要直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
近年来，虽然高性能交流调速技术发展很快，但是直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，应用前景相当广阔；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。
掌握直流拖动控制系统的基本规律和控制方法具有非常大的必要性。
根据生产机械要求，电力拖动控制系统有调速系统、伺服系统、张力控制系统、多电动机同步控制系统等多种类型。
而各系统往往都是通过转速来实现的，本文研究直流调速系统，是电力拖动控制系统中的基础和及其重要的部分。
针对双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调整系统原理出发，逐步建立了闭环直流PWM调整系统的模型。
关键词：直流电动机直流调速系统双闭环 PWM调速PWM-M可逆调速系统设计1 直流电动机的调速方法介绍直流电动机的调速方法有三种：（1）改变电枢电阻（R）调速。
（2）改变电枢电压（U）调速。
（3）改变主磁通（ ）调速。
前两种调速方法主要适用于恒转矩负载，后一种调速方法适用于恒功率负载。
串电阻调速为有级调速，调速平滑性比较差，机械特性斜率增大，速度稳定性比较差，受静差率的限制，调速范围比较小。
改变电枢电压调速为无级调速，机械特性斜率不变，速度稳定性好，调速范围比较大。
改变主磁通调速，控制方便，能量损耗比较小，调速平滑，但受最高转速限制，调速范围不大。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以改变电枢电压调速方式为最好。
因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主要调节方式。
2 PWM控制系统的优点自从全控型电力电子器件问世以后，就出现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。
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。
目录交直流调速课程设计任务书 (2)前言 (4)关键词 (4)交直流调速课程设计说明书 (5)一、总体方案确实定 (5)1.1 现行方案的讨论与比拟 (5)1.2 选择PWM控制系统的优越性 (6)1.3采用转速电流双闭环的理由 (6)1.4起动过程电流和转速波形 (9)1.5 H桥双极式逆变器的工作原理 (9)1.6 PWM调速系统静特性 (11)二、双闭环直流调速系统的硬件结构 (12)2.1主电路 (13)2.2 电流调节器 (14)2.3转速调节器 (14)2.4控制电路设计 (15)2.5、控制环节电源设计 (16)2.6、限幅电路 (16)2.7转速检测电路 (17)2.8、电流检测电路 (17)2.9、泵升电压限制 (18)三、电机参数及设计要求 (19)3.1电路根本信息如下： (19)3.2计算反响关键参数 (19)四、课程设计心得体会 (23)五、系统主要硬件结构图 (24)参考文献： (25)交直流调速课程设计任务书一、题目：双闭环可逆直流PWM调速系统设计二、设计目的1、对先修课程〔电力电子学、自动控制原理等〕的进一步理解与运用2、运用?电力拖动控制系统?的理论知识设计出可行的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。
也可以制作硬件电路。
3、同时能够加强同学们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。
到达综合提高学生工程设计与动手能力的目的。
三、系统方案确实定自动控制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能〔动、静〕→电机参数→主电路→控制方案〞〔系统方案确实定〕→“系统设计→仿真研究→参数整定→直至理论实现要求→硬件设计→制板、焊接、调试〞等过程，其中系统方案确实定至关重要。
为了发挥同学们的主观能动作用，且防止方案及结果雷同，在选定系统方案时，规定外的其他参数由同学自已选定。
1、主电路采用二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器;2、速度调节器和电流调节器采用PI调节器；U*nm=U*i m =U cm=10V3、机械负载为对抗性恒转矩负载，系统飞轮矩〔含电机及传动机构〕GD2 ＝1.5Nm2；4、主电源：可以选择三相交流380V供电，变压器二次相电压为52V；5、他励直流电动机的参数：见习题集【4-19】〔p96〕n N=1000r/min，电枢回路总电阻R=2Ω，电流过载倍数λ=2；6、PWM装置的放大系数K s=11；PWM装置的延迟时间T s=0.4ms。
1 绪论1.1 课题的研究背景和意义直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。
长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。
由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性;尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电机、步进电机等)的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。
随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制 (PulseWidthModulation，简称PWM)控制方式已成为绝对主流。
这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。
五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。
首先，实现了整流器件的更新换代，从50年代的使用己久的直流发电机一电动机组(简称G-M系统)及水银整流装置，到60年代的晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统)，使得变流技术产生了根本的变革。
再到脉宽调制 (PulsewidthModulation)变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。
另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。
随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器单片机应用于控制系统，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。
由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。
技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位[1]。
目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。
姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。
该方法依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统或环节的内部参数，所获的参数具有较高的精度，方法简便易行。
沈阳理工大学课程设计摘要调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。
目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。
早在20世纪40年代采用的是发电机－电动机系统，又称放大机控制的发电机－电动机组系统。
这种系统在40年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。
为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。
这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健康。
50年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。
晶闸管－电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，广泛应用于世界各国。
近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。
直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。
不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、高智能化特点。
同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。
单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。
而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。
关键字：调速系统直流调速器晶闸管晶闸管－电动机调速系统沈阳理工大学课程设计目录1 绪论 (1)1.1 背景 (1)1.2 直流调速系统的方案设计 (1)1.2.1 设计已知参数 (1)1.2.2 设计指标 (2)1.2.3 现行方案的讨论与比较 (2)1.2.4 选择PWM控制系统的理由 (2)1.2.5 选择IGBT的H桥型主电路的理由 (3)1.2.6 采用转速电流双闭环的理由 (3)2 直流脉宽调速系统主电路设计 (4)2.1 主电路结构设计 (4)2.1.1 PWM变换器介绍 (4)2.1.2 泵升电路 (7)2.2 参数设计 (7)2.2.1 IGBT管的参数 (7)2.2.2 缓冲电路参数 (8)2.2.3 泵升电路参数 (8)3 直流脉宽调速系统控制电路设计 (9)3.1 PWM信号发生器 (9)3.2 转速、电流双闭环设计 (9)3.2.1 电流调节器设计 (10)3.2.2 转速调节器设计 (13)4 系统调试 (17)4.1 系统结构框图 (17)4.2 系统单元调试 (17)4.2.1 基本调速 (17)4.2.2 转速反馈调节器、电流反馈调节器的整定 (18)4.3 实验结果 (18)4.3.1 开环机械特性测试 (18)4.3.2 闭环系统调试及闭环静特性测定 (19)5 总结 (20)参考文献 (21)附录A (22)A.1 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定 (22)A.2 双闭环可逆直流脉宽调速系统性能测试 (26)沈阳理工大学课程设计1 绪论背景在现代科学技术革命过程中，电气自动化在20世纪的后四十年曾进行了两次重大的技术更新。
开环PWM变频调速系统设计一、设计原理：开环PWM变频调速系统设计的基本原理是通过改变PWM信号的占空比来调节电机的转速，其中占空比指的是一个时期内高电平的时间和总时期的比值。
占空比越大，电机的转速越快；占空比越小，电机的转速越慢。
因此，通过控制占空比的大小，可以实现对电机转速的调节。
二、系统硬件电路设计：1.电源电路设计：设计一个合适的电源电路，保证系统正常运行所需要的电压和电流供应。
2.信号输入电路设计：设计一个用于输入转速指令的信号输入电路，可以通过按键、旋钮等方式输入转速指令。
3.信号处理电路设计：设计一个用于处理输入信号的电路，将转速指令转化为控制信号。
4.PWM信号输出电路设计：设计一个用于输出PWM信号的电路，根据控制信号的大小产生相应的PWM信号，并将其输出到电机驱动器中。
5.电机驱动电路设计：设计一个用于控制电机转速的驱动电路，接收PWM信号，并通过电流控制、电压控制等方式控制电机的转速。
三、系统软件编程实现：1.信号处理程序：编写一个用于处理输入信号的程序，将输入信号转化为控制信号。
2.PWM信号输出程序：编写一个用于输出PWM信号的程序，根据控制信号的大小产生相应的PWM信号，并将其输出。
3.电机驱动程序：编写一个用于控制电机转速的程序，接收PWM信号，并通过合适的控制算法控制电机的转速。
4.主程序：编写一个主程序，将信号处理程序、PWM信号输出程序和电机驱动程序集成在一起，实现整个系统的功能。
四、系统调试与优化：在完成硬件电路设计和软件编程后，需要进行系统调试和优化。
通过观察电机的运行情况，并根据实际需求进行调整和优化，以实现系统的稳定运行和良好的性能。
五、总结：开环PWM变频调速系统设计是一种常用的电机调速控制方法，通过控制PWM信号的占空比来实现电机转速的调节。
本文介绍了开环PWM变频调速系统的设计原理、硬件电路设计和软件编程实现等内容，并提供了系统调试和优化的建议。
摘要本文设计的PWM交流变频调速系统采用GTO作为主功率器件，以16位单片机8098为控制核心，辅以正弦脉宽调制专用芯片HEF4752V配合而完成三相异步电动机的PWM交流变频调速系统。
本调速系统充分利用了三相PWM集成芯片HEF4752V的低功耗、可编程、输出开关频率高等优点，与高能的16位单片机8098构成调速系统的微机控制部分。
同时采用HEF4752V产生的GTO驱动电路，HEF4752V的使用不仅使得系统的硬件设计得到简化，而且还有助于提高系统运行的可靠性。
该调速系统由8279构成键盘显示部分，键盘部分通过16键键盘输入命令，0~9为数字键、A~F 为功能键实现相应的功能；显示部分采用8位8段共阴极LED进行显示。
HEF4752V用于产生PWM信号，它能方便组成各种PWM逆变器-交流电机变频调速系统、不断电电源等。
本调速系统软件部分进行了系统主程序、键盘扫描程序、显示程序以及升降频的控制程序等的设计，还对PID算法进行介绍，并用其进行计算分析对本系统加以控制，为保证系统工作的可靠性，设计了多种保护电路和抗干扰措施。
该变频系统的研究开发将有利于风机、泵类等传统传动机构的技术改造，为变频器的开发和研究打下基础。
系统的实时控制性好，电路简单可靠，特别适用于中小功率的交流异步电动机的变频调速系统。
关键词：单片机；变频调速；HEF4752V；GTOAbstractIn this paper, A digital control of AC variable frequency drive system based on high carrier frequency PWM converter is developed. It uses the power GTO as main switch, the 16 bit single chip microcomputer 8098 as the control unit, the large-scale integration HEF4752V as PWM waveform generator.The advantages of HEF4752V are fully utilized. They are low consuming, programmable and high switching frequency. It forms the computer control component of the drive system with single chip microcomputer 8098. The GTO drive circuit uses HEF4752V driver. The hardware is simplified, and system reliability is improved. The system based on keyboard control. Its keyboard constitutes with 8279 .There are 16 keys in keyboard part. Keys 0~9 are data-keys, A~F are functional keys ，adopt 8 bit 8 total cathode LED displays. HEF4752V is designed specially for generating PWM signals, It is convenient to get various variable frequency variable speed PWM inverter-AC motor driver system, interrupt table power sources etc.The software is institute with main process, keyboard scan process, display process and high-down frequency control process. The PID control is using equivalent area principle. It is high accuracy and easy to calculate. It designs protect system to make the system work well.The hardware, the control algorithm and the software of the control system are discussed, shows that the system works well. The real-time control performance of this system is good and electrical circuit is simple and reliable. It is preferable in the small and middle AC asynchronous motor frequency change-timing system.Key Words: Single chip microcomputer；Frequency change-timing；HEF4752V；GTO目录第1章绪论 (1)1.1交流调速技术的发展概述 (1)1.1.1 发展过程 (1)1.1.2 交流调速系统分类 (2)1.1.3 交流调速系统的主要应用领域 (3)1.2器件技术与交流调速系统 (4)1.2.1 电力电子器件 (4)1.2.2发展前景 (7)1.3论文的总体设计内容 (8)第2章PWM变频调速原理 (9)2.1异步电动机变频调速运行原理 (9)2.2 PWM的调制方式 (10)2.3变频器的构成与功能 (11)2.3.1 主回路 (12)2.3.2 控制回路 (13)2.3.3 保护回路 (14)第3章硬件电路设计 (16)3.1 主回路 (16)3.2单片机控制系统 (16)3.2.1 控制核心8098单片机最小系统 (17)3.2.2 8253可编程定时/计数器 (18)3.2.3 键盘显示电路 (18)3.3 PWM信号的产生 (19)3.4转速测量电路 (23)3.4.1 M法工作原理 (24)3.4.2 T法工作原理 (24)3.4.3 M/T法工作原理 (25)3.5保护电路 (25)第4章软件设计 (27)4.1系统的工作过程 (27)4.2键盘显示原理 (29)4.3 变频调速的PID控制 (30)第5章系统调试 (33)5.1 系统调试 (33)5.2系统抗干扰措施 (33)5.2.1硬件抗干扰措施 (33)5.2.2软件抗干扰措施 (34)第6章结论 (35)参考文献 (36)致谢 (38)附录Ⅰ (39)附录Ⅱ (52)附录Ⅲ (54)附录Ⅳ (58)第1章 绪 论1.1 交流调速技术的发展概述1.1.1 发展过程19世纪相继诞生了直流电动机和交流电动机，由于直流电动机转矩容易控制，因此它作为调速电动机的代表在10世纪的大部分年代广泛地应用于工业生产中。
直流调速系统具有起、制动性能好、调速范围广、静差小及稳定性好的等优点，晶闸管整流装置的应用更使直流调速在自动调速系统中占主导地位，相比交流电动机则只能应用于不变速的或要求调速性能不高的传动系统中。
虽然直流调速系统的理论和实践应用比较成熟，但由于电动机的单机容量、最高电压、最高转速及过载能力等主要技术指标受机械换向的制约，限制了直流调速系统的发展，使得人们长期以来寻找用交流电动机替代直流电动机调速的方案，研究没有换向器的交流调速系统。
交流电动机的主要优点是：没有电刷和换向器，结构简单，运行可靠，使用寿命长，维护方便，且价格比相同容量的直流电动机低。
早在20年代到30年代就有人提出用交流调速的有关理论来代替直流调速的有关理论，到60年代，随着电力电子技术的发展，交流调速得以迅速发展。
1971年伯拉斯切克（F.Blaschke ）提出了交流电动机矢量控制原理，使交流转动技术从理论上解决了获得与直流转动相似的静、动态特性问题。
矢量变换控制技术（或称磁场定向控制技术）是一种模拟直流电动机的控制。
众所周知，调速的关键问题在于转矩的控制，直流电动机的转矩表达式为T=C T ΦI a ，其中C T 是转矩常数，磁通Φ和电枢电流I a 是两个可以单独控制的独立变量，它们之间互成900正交关系，在电路上互不影响，可以分别进行调节。
而交流异步电动机的转矩表达式为T=C T ’Φm I 2cos φ2 ，其中C T ’是异步电动机转矩系数气隙有效磁通Φm 与转子电流I 2之间是既不成直角关系又不相互独立的两个变量，转子电流I 2不仅与Φm 有关，且还与转差率s （或转速n ）有关（因为222r sx arctg =ϕ），这也是市交流电动机转矩难以控制的原因所在。
为了获得与直流电动机相似的控制性能，矢量控制理论提出了坐标变换，即把交流电动机的定子电流I 1分解成磁场定向坐标的磁场单六分量I 1M 和与之相垂直的坐标转矩电流I 1T ，把固定坐标系与变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制即变为直流量的控制，就与直流电动机相同了。
矢量控制理论的提出只解决了交流传递控制理论上的问题，而要实现矢量控制技术，则需要复杂的模拟电子电路，其设计、制造和调试均很麻烦，直到有了全控制大功率快速电力电子器件和微机控制之后，可以用软件来实现矢量控制的算法，才使硬件电路规范化，从而降低了成本，提高了控制系统的可靠性。
继矢量控制技术发明之后，又相继提出了直接转矩控制、标量解耦控制等方法，均能达到良好的动态性能，这表面，交流调速系统完全可以与直流调速系统相抗衡、相媲美。
1.1.2 交流调速系统分类我们知道交流电机包括异步电机和同步电机两大类。
对交流异步电动机而言，其转速为：min)/)(1(60r s pf n -= （1-1） 从转速可以知道改变电动机的极对数p 、改变定子供电频率f 以及改变转差率s 都可达到调速的目的。
对同步电机而言，同步电机转速为：min)/(601r pf n = （1-2） 由于实际使用中同步电机的极对数p 固定，因此只有采用变压变频（VVVF ）调速，即通常说的变频调速。
交流调速系统分类如下：图1.1 变频调速系统的分类框图交流调速 异步电机调速 同步电机调速：变频调速 转差功率不变型调速系统 转差功率回馈型调速系统：串级调速系统 转差功率消耗型调速系统 电磁转差离合器调速系统 变电压调速系统 晶闸管串级调速系统 机械串级调速系统 电气串级调速系统 交-交变频器调速交-直-交变频器调速 变频调速 变极对数调速 绕线式异步电机转子串电阻调速系统 自控变频调速系统 他控变频调速系统上述调速系统中，变频调速系统的静、动态特性能与直流调速系统媲美，实际应用中最为广泛，也是最有发展前途调速系统。
