(完整word版)双闭环可逆直流脉宽调速系统设计

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- - - 1 - 双闭环可逆直流脉宽调速系计

摘要

直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，因此本次设计基于单片机89S51芯片建立了双闭环可逆直流脉宽调速系统的数学模型,设计了一套实验用双闭环可逆直流脉宽调速系统，并详细分析系统的原理及其静态和动态性能，且利用Simulink对系统进行各种参数给定下的仿真。

关键词：直流电机、单片机89S51、双闭环可逆、PWM调速、仿真 (完整word版)双闭环可逆直流脉宽调速系统设计

- - - 2 - 目录

第一章 设计的内容和要求 ……………………………………………1

1.1 设计的目的及意义 …………………………………………………………1

1.2 设计的任务和要求 …………………………………………………………1

第二章 方案设计 ………………………………………………………2

第三章 理论分析 ………………………………………………………3

3.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成 …………………………………3

3.2 转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型 ……………………………4

3.3 电流环的设计 ………………………………………………………………4

3.4 转速环的设计 ………………………………………………………………7

第四章 系统硬件电路设计 ……………………………………………9

4.1 主电路设计 …………………………………………………………………9

4.2 控制电路设计 ………………………………………………………………9

4.3 驱动电路设计………………………………………………………………10

4.4 系统反馈检测电路设计……………………………………………………11

4.5 光电隔离电路设计…………………………………………………………13

4.6 系统硬件电路原理图………………………………………………………13

第五章 软件设计………………………………………………………14

5.1 程序流程图…………………………………………………………………14

5.2 程序清单……………………………………………………………………15 (完整word版)双闭环可逆直流脉宽调速系统设计

- - - 3 - 第六章 调试与仿真……………………………………………………16

第七章 总结……………………………………………………………18

附录 ……………………………………………………………………19

附录I系统硬件电路原理图……………………………………………………19

附录II 程序清单………………………………………………………………20

参考文献 ………………………………………………………………24 (完整word版)双闭环可逆直流脉宽调速系统设计

- - - 1 - 第一章 设计的内容和要求

1.1 设计的目的及意义

通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。

本次设计的目的：

（1）训练学生正确地应用运动控制系统，培养解决工业控制、工业检测等领域具体问题的能力

（2）学生通过课程设计，熟悉运动控制系统应用系统开发、研制的过程，软、硬件设计的工作方法、工作内容、工作步骤

（3）对学生进行基本技能训练，例如组成系统、编程、调试、绘图等，使学生理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力

1.2 设计的任务和要求

1）设计的任务及步骤：

分析并测定系统各环节的输入输出特性及其参数，调试各单元电路；

根据测定参数计算速度调节器和电流调节器的参数；

系统开环调试并测定其开环机械特性；

系统闭环调试并测试系统闭环静态、动态性能；

2）内容要求： (完整word版)双闭环可逆直流脉宽调速系统设计

- - - 2 - （1）画出控制电路和主电路原理图

（2）画出程序流程图

（3）写课程设计论文，附有原理图、流程图、程序清单，内容要正确，概念要清楚，文字要通顺。 (完整word版)双闭环可逆直流脉宽调速系统设计

- - - 3 - 第二章 方案设计

方案I：改变电枢回路电阻R

在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。

方案II：改变电动机主磁通

改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。fI变化时间遇到的时间常数同aI变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。

方案III：调节电枢供电电压U

改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。aI变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。

改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。故本次设计采用方案III。

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- - - 3 - 第三章 理论分析

3.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成

对于经常正、反转运行的调速系统，应尽量缩短短启、制动过程的时间，达到理想的过渡过程，完成时间最优控制。即在过渡过程中始终保持转矩为允许的最大值，使直流电动机以最大的加速度加、减速。到达给定转速时，立即让电磁转矩与负载转矩相平衡，从而转入稳态运行。对于恒磁通的他励直流电动机而言，转矩控制就成为了电流控制。

转速负反馈控制系统，系统的被调节量时转速，所检测的误差是转速，它要消除的也是扰动对转速的影响，不能控制电流（或转矩）的动态。而电流截止负反馈环节只能限制电动机的动态电流不超过某一数值，而不能控制电流保持为某一所需值。根据反馈控制原理，以某物理量作负反馈控制，就能实现对该物理量的无差控制。用一个调节器难以兼顾对转速的控制和对电流的控制。如果在系统中另设一个电流调节器，就可构成电流闭环。电流调节器串联在转速调节器之后，形成以电流反馈作为内环、转速反馈作为外环的双闭环调速系统。转速、电流双闭环直流调速系统框图如图3.1所示

图3.1转速、电流双闭环直流调速系统框图

图中ASR-转速调节器、ACR-电流调节器、TG-测速发电机、TA-电流互感器、UPE-电力电子变换器、*nU-转速给定电压、nU-转速反馈电压、*iU-电流给定电压、iU-电流反馈电压 (完整word版)双闭环可逆直流脉宽调速系统设计

- - - 4 - 3.2 转速、电流双闭环调速系统的数学模型

用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的原则是先内环后外环。先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似；然后根据电流环控制要求确定把电流环校正为哪类典型系统；按照控制对象确定电流调节器的类型及参数；再根据电流调节器的参数计算电流调节器的电路参数；当用微机实现数字控制时，按照此参数设计数字调节器。电流环设计完后，把电流环等效成一个小惯性环节，作为转速环（外环）的一个组成部分，再用同样的方法设计转速环。

图3.2是双闭环调速系统的动态结构框图，图中虚线所框的是电流环部分，它的反馈信号是电流检测信号，由于电流检测信号中常含有交流分量和检测干扰信号，为了不使它影响到系统的性能，必须加低通滤波环节，这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数T按需要选定。但滤波器也会给反馈信号带来延迟，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个相同的惯性环节，称作给定滤波环节。因此，需要在电流环的给定与反馈通道上加时间常数为oiT的滤波环节，同样在转速环的给定与反馈通道上加时间常数为onT的滤波环节。

图3.2 双闭环调速系统的动态结构框图 (完整word版)双闭环可逆直流脉宽调速系统设计

- - - 5 - 3.3 电流环的设计

1. 系统基本参数设定：

电动机：KWPN60,VUN220,AIN280；min/1000rnN；

电动势系数：rvCemin/195.0；

允许过载倍数：2.1；

电枢回路总电阻：2.0R；

触发整流环节放大倍数：30sK；

电磁时间常数：sTl012.0；

机电时间常数：sTm15.0；

电流反馈系数：AV/03.0（≈NIV2.1/10）；

转速反馈系数：rVmin/01.0（≈NnV/10）。

2. 确定时间常数

1）整流装置滞后时间间常数sT：三相桥式电路的平均失控时sTs0017.0；

2）电流滤波时间常数oiT：三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了 基本平波头，应有（1～2）oiT=3.3ms，因此取smsToi0025.05.2；

3）电流环小时间常数之和iT：按小时间常数近似处理，取 sTTToisi0042.0。

3.选择电流调节器结构

根据设计要求%5i，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的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为： ssKsWiiiACR)1()(

检查对电源电压的抗扰性能： 86.20042.0/012.0/ilTT，各项指标都能接受，因此设计成典型I型系统。 (完整word版)双闭环可逆直流脉宽调速系统设计

- - - 6 - 4. 计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：sTli012.0；

电流开环增益：因要求%5i，故取5.0iITK，因此11.1190042.05.05.0sTKiI；于是ACR的比例系数为：

317.03003.02.0012.01.119siIiKRKK

5. 校验近似条件

电流环截止频率：11.119sKIci ；

1）晶闸管装置传递函数的近似条件：sciT3/1，由于

cissT11.1960017.03131 ，所以满足近似条件；

2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的近似条件：lmciTT/13 由于

cilmsTT171.70012.015.01313 ，满足近似条件；

3）电流环小时间常数近似处理条件：oisciTT/1)3/1(，由于

cioissTT17.1610025.00017.0131131 ，满足近似条件。

综上所述，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。

6. 计算调节器电阻和电容

图3.3为含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器原理图：

图3.3 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器

按所用运算放大器取KR400 ，各电阻和电容值计算如下：