西安科技大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)大作業(yè)

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)期中設(shè)班級：自動(dòng)化 1202學(xué)號： 1201010202姓名：劉西洋1 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1 初始條件采用晶閘管三相橋式整流，電機(jī)參數(shù)：Pnom 500kW, nnom 375r / min, U nom 750V, Inom 760 A, R 0.14 , Ce 1.82V min/ r, Ks 75 ，系統(tǒng)無靜差。電流過載倍數(shù) 1.5 ，電流濾波時(shí) 間常數(shù)Toi 0.002s，轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton 0.02s , Tm 0.112s，電流超調(diào) 量 i 5% ，空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 n 10% 。調(diào)節(jié)器輸入輸出 電壓 Unm* Uim* Unm 10V。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)1

2、. 運(yùn)用工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì) ASR和ACR，達(dá)到系統(tǒng)指標(biāo)，得到 ASR與ACR的 結(jié)構(gòu)和參數(shù)，電流環(huán)設(shè)計(jì)成典1,并取KT=0.5，轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成典2系統(tǒng)；2. 運(yùn)用 MATLAB 進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果；3. 設(shè)計(jì)硬件原理圖，并用 Protel 畫圖；4. 給出原理圖上每個(gè)元件的型號與值，并說明選型依據(jù)；5. 系統(tǒng)采用模擬電路或微處理器實(shí)現(xiàn)。若微處理器，說明軟件流程，并寫出 核心算法；2直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 Idm的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量 基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋

3、應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。所以，我們希 望達(dá)到的控制：啟動(dòng)過程只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后只 有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。故而采用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器來組 成系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別在系統(tǒng)中起作用，可以在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。 二者之 間實(shí)行嵌套（或稱串級）連接，如圖1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié) 器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，稱作外環(huán)。這就組成了轉(zhuǎn)速、電 流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。TO圖1轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速

4、系統(tǒng)原理圖3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)運(yùn)用工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。 按照設(shè) 計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則， 從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在雙閉 環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)該首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的 一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。3.1獲得系統(tǒng)設(shè)計(jì)對象在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，由于電流檢測信號中常含有交流分量， 為了不使它影響 到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可以用一階慣性環(huán)節(jié) 來表示，其濾波時(shí)間常數(shù)Toi按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而，在 抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個(gè)延遲作 用，在

5、給定信號通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時(shí)， 使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)?配合，從而帶來設(shè)計(jì)上的方便。由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用Tn表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常 數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。所以直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩圖2直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.2數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.2.1數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。數(shù)字控制的雙閉環(huán) PWM調(diào)速系統(tǒng)如圖3所示。圖3 PWM控制的雙閉

6、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖3.2.2調(diào)節(jié)器的離散化參數(shù)計(jì)算1. 確定時(shí)間常數(shù)1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts 0.00167s2)電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。根據(jù)初始條件有Toi 0.002s。3)取電流環(huán)調(diào)節(jié)器采樣周期Tsi0.001 s。4)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T i。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T iTsToiTsi/20.0042s。2. 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求i 5%，并保證穩(wěn)態(tài)電壓無差，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)：Wacr（S）Ki（iS檢查對電源電壓的抗擾性能：TT i 0.031s 0.0

7、042s 7.38，參照典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3. 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流反饋系數(shù)10V 1.5I n 0.009V / A。電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：i Ti 0.031s。電流開環(huán)增益：要求i 5%時(shí)，按表3，取KT i 0.5，因此0.50.51K119.0s 3仏/2 TsTs / ToiTs146.53S1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 1196.1s 1 ci3Ts3 0.0017sT i0.0042 s于是，ACR勺比例系數(shù)為：K iR 119 0.031 0.14Ki0.766Ks75 0.0094. 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率:ci K 119.

8、0s 1ci滿足近似條件。2）忽略反電動(dòng)勢變化對電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件滿足近似條件。350.91s 10.112s 0.031sci3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件ci瘟 0.0017st0.002s 180看滿足近似條件按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為4.3%5%，滿足設(shè)計(jì)要求。5. ACR的離散化。由以上計(jì)算，可得ACR的S域傳遞函數(shù)方程為：Ki( iS 1)24.71(0.031 SWACR (s)已經(jīng)確定采樣周期為Tsi 0.001s，iSS將S ?匚二代入ACR，Ts1 z1計(jì)算:ai 32 i Tsi2*0.0310.0012*0.0310.0010.9682*0.0

9、312*0.0310.0010.984得ACR的Z域傳遞函數(shù)方程為:WACR 1Ki 1 aiZ1.46110.968Z1 Zei(k) I a (k)Ud(k) Ud(k 1) 1.46e(k)0.968ei(k1)3.2.3電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié),忽略高次項(xiàng)，Wcli (s)可降階近似為Wcli (s)&10.0084S 1近似條件:式中cn3T i 3Ki 11cn11956S0.0042轉(zhuǎn)速開環(huán)頻率特性的截止頻率。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為U (s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效成Id(s)Wcii(s)Ui (s)sKi這樣，原來是

10、雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象， 經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似的等效成只有較小時(shí)間常數(shù)1/Ki的一階慣性環(huán)節(jié)324轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算1. 確定時(shí)間常數(shù)1） 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1Ki。根據(jù)上文中KiT i 0.5，則12T i 2 0.0042s0.0084sKi2） 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton。根據(jù)初始條件Ton 0.02s。3）取轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器采樣周期Tsi 0.001s。4）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T n。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取0.0084s 0.02s 0.0284s2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WASR(s)Kn( ns 1)3. 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)10V

11、nN 0.027V min/r按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h 5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為n hTn 5 0.0174s0.142s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益Knh 12h2T n22 52 0.0284沙 2 14878s 2則ASR的比例系數(shù)為(h 1) CeTmKn6 0.0091.8211210.252h RT n2 5 0.0270.140.02844. 檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為cnKnKn1159.86 0.137s21.9s1）1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為56.1s滿足簡化條件2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為Ki1119s125.7S13 0.02 13Toncn，滿足近似條件。5.

12、 ASR的離散化。由以上計(jì)算，可得ASR的S域傳遞函數(shù)方程為：Kn( nS 1)72.2(0.142S 1)WASR(S)已經(jīng)確定采樣周期為Tsi0.001s，將nSS2 1 z 1S代入ACR，計(jì)算:Ts1 z1ai2 nTsn2*0.1420.0012*0.1420.0010.9932*0.0312*0.0310.0010.984得ASR的 Z域傳遞函數(shù)方程為:WACR Kn b. 11anZ 110.2910.993Z 11 Zen(k)n (k)n(k)Ia(k)Ia(k 1)10.29en(k)0.993en(k 1)6. 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h 5時(shí)，查表得，n 37.6%10%，不能

13、滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR退飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量由表查得 CmaxfCb 81.2%，貝Un 2（上?。▃）亠 2 81.2% 1.5CbnTm滿足設(shè)計(jì)要求。760 0.14 1.823750.02740.1129.29%10%表1典型n型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系h345678910Cmax /Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm片2.452.702.853.0003.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8

14、519.8022.8025.854系統(tǒng)仿真運(yùn)用Matlab的Simulink來對系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。根據(jù)圖2以及上面計(jì)算出 的系統(tǒng)參數(shù)，可以建立直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型， 如圖4所示。系統(tǒng) 運(yùn)行，得到系統(tǒng)電流和轉(zhuǎn)速的仿真曲線，分別如圖 5、6 7所示。圖4直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型I I I、 丨：rll12001QD0600m20002Time c fUet; 023 B IPIPP二IL回O A圖5理想空載條件下的仿真曲線Q a | 回I 3 |管自0PP她翁諳|日fl攜 -圖6負(fù)載電流為300A是的仿真曲線E3紙叩巴丨。丨回II瑤嘗坦|色爐01外IS IS日嗥 些圖7額定負(fù)載是

15、的仿真曲線4.1仿真結(jié)果分析直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 U n時(shí)由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的 動(dòng)態(tài)過程圖如圖57所示。由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR經(jīng)歷了不飽和、 飽和、退飽和三種情況。5軟件設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由三部分組成：主程序、初始化程序和中斷服務(wù)子程序。 下面將介紹各部分程序的流程圖。5.1主程序主程序完成實(shí)時(shí)性要求不高的功能， 完成系統(tǒng)初始化后，實(shí)現(xiàn)鍵盤處理、刷新處理與上位計(jì)算機(jī)和其他外設(shè)通信等功能。如圖8.1所示圖8.1主程序框圖圖8.2初始化子程序框圖5.2初始化子程序初始化程序主要完成硬件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始 化等。其流程圖如圖8.2所示。5

16、.3中斷服務(wù)子程序中斷服務(wù)子程序主要完成實(shí)時(shí)性強(qiáng)的功能，如故障保護(hù)、 PWM生成、狀態(tài) 檢測和數(shù)字PI調(diào)節(jié)等。中斷服務(wù)子程序由相應(yīng)的中斷源提出申請， CPU實(shí)時(shí)響 應(yīng)。它包括了三種中斷服務(wù)，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序流程圖如圖9.1所示,電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序流程圖如圖 9.2所示，故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序流程圖 如圖9.3所示保護(hù)現(xiàn)場1讀入轉(zhuǎn)速給定1r計(jì)算轉(zhuǎn)速1r轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)1F允許測速1r恢復(fù)現(xiàn)場J中斷返回圖9.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖圖9.2電流調(diào)節(jié)中斷 服務(wù)子程序框圖圖9.3故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序框圖通過分析這些程序流程圖,可以為后面的軟件設(shè)計(jì)理清思路， 把準(zhǔn)備工作做好那么在后面的軟件設(shè)

17、計(jì)中，將要對模擬 PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行數(shù)字化，再分析對通用定時(shí)器、比較單元、增量式光電編碼器接口與捕獲單元等功能模塊進(jìn)行介紹和分 析。5.4數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的微機(jī)實(shí)現(xiàn)方法在3.3小節(jié)中，已經(jīng)設(shè)計(jì)好了數(shù)字式轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器。只要根據(jù)上面的程 序流程圖，再利用計(jì)算好的差分方程，將其運(yùn)用到算法中便可實(shí)現(xiàn)，雙閉環(huán)直流 調(diào)速系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制方法。程序設(shè)計(jì)如下：void Pl_n(void)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)輸出Error=volt -Feed_ n*speed;Pout=Kp_ n*(Error-LastError_n);lout=Ki_n*Error*0.01;Asr_out=LastOut_ n+Pout+lout;

18、LastError_ n=Error;LastOut_ n= Asr_out;if(Asr_out10) Asr_out=10;5.5 PWM 算法MSP430 系列單片機(jī)的 Timer 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，適合應(yīng)用于工業(yè)控制， 如數(shù)字化電機(jī)控制， 電表和手持式儀表的理想配置。 它給開發(fā)人員提供了較多靈 活的選擇余地。當(dāng) PWM 不需要修改占空比和時(shí)間時(shí)， TimerA 能自動(dòng)輸出 PWM ， 而不需利用中斷維持PWM輸出。MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部含有兩個(gè)定時(shí)器，TA 和 TB；TA 有三個(gè)模塊， CCR0-CCR2；TB 含有 CCR0-CCR67 個(gè)模塊；其中 CCR0 模塊不能完整

19、的輸出 PWM 波形(只有三種輸出模式可用 );TA 可以輸出完整的 2 路PWM波形；TB可以輸出6路完整的PWM波形。定時(shí)器 4種計(jì)數(shù)模式：停止、增計(jì)數(shù)、連續(xù)計(jì)數(shù)、增減計(jì)數(shù)。定時(shí)器的 PWM 輸出 8 種模式：輸出模式 0輸出模式：輸出信號 OUTx 由每個(gè)捕獲 /比較模塊的控制寄存器 CCTLx中的OUTx位定義，并在寫入該寄存器后立即更新。最終位OUTx直通。輸出模式1置位模式：輸出信號在TAR等于CCRx時(shí)置位，并保持置位到 定時(shí)器復(fù)位或選擇另一種輸出模式為止。輸出模式2 PWM翻轉(zhuǎn)/復(fù)位模式：輸出在TAR的值等于CCRx時(shí)翻轉(zhuǎn)，當(dāng) TAR的值等于CCR0時(shí)復(fù)位。輸出模式3PWM置位

20、/復(fù)位模式：輸出在TAR的值等于CCRx時(shí)置位，當(dāng) TAR的值等于CCR0時(shí)復(fù)位。輸出模式4翻轉(zhuǎn)模式：輸出電平在TAR的值等于CCRx時(shí)翻轉(zhuǎn)，輸出周期 是定時(shí)器周期的 2 倍。輸出模式5復(fù)位模式：輸出在TAR的值等于CCRx時(shí)復(fù)位，并保持低電平 直到選擇另一種輸出模式。輸出模式6PWM翻轉(zhuǎn)/置位模式：輸出電平在TAR的值等于CCRx時(shí)翻轉(zhuǎn)， 當(dāng)TAR值等于CCR0時(shí)置位。輸出模式7PWM復(fù)位/置位模式：輸出電平在TAR的值等于CCRx時(shí)復(fù)位， 當(dāng)TAR的值等于CCR0時(shí)置位。定時(shí)器 B 在增減模式下輸出：圖10定時(shí)器增減模式下輸出死區(qū)時(shí)間二計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期 (TBCLA -TBCL1)PWM程序設(shè)

21、計(jì)：定時(shí)器B初始化：TBCTL|=CNTL_3+TBSSEL_2+ID_3+MC_3+TBCLR+TBIE; 定時(shí)器輸出PWM，清除TBCCTL1|=0UTM0D_6; 選擇模式 6TBCCTL2|=OUTMOD_2; 選擇模式 2TBCCR0=50; /PWM 周期在主函數(shù)中只需給定 TBCCR0和TBCCR1，單片機(jī)的P4.0和P4.1就會按照給定輸出PWM波。6硬件電路設(shè)計(jì)1. 主電路采用二極管不可控整流，逆變器采用帶續(xù)流二極管的開關(guān)管MOSFET構(gòu)成H型雙極式控制可逆PWM變換器；2. 速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器采用數(shù)字 PI調(diào)節(jié)器；3. 主電源：可以選擇三相交流 380V供電，經(jīng)變壓器和

22、二極管整流后得到直 流電；4. 控制電路：采用MSP430F149單片機(jī)；5. 驅(qū)動(dòng)電路：采用兩個(gè)IR2110驅(qū)動(dòng)四個(gè)MOSFET管；6. 保護(hù)電路：采用電壓互感器，檢測電壓；7. 轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋：轉(zhuǎn)速檢測用光電編碼器，電流檢測采用電流互感顯示I/O變壓器鍵盤光電編碼器捕獲MS電壓0互感器電流 互感器A/D采樣整流濾波輔助 開關(guān)器件電源PWM輸出啟停 輸出P4保護(hù)輸出H橋開關(guān)器件圖11總體設(shè)計(jì)框圖6.1主電路設(shè)計(jì)主電路的設(shè)計(jì)：主電路輸入為380V交流電壓，經(jīng)過變壓器再由6個(gè)二極管構(gòu)成三相整流橋，主電路參數(shù)計(jì)算包括濾波電容計(jì)算、功率開關(guān)管MOSFET的選擇及各種保護(hù)裝置的計(jì)算和選擇等。根據(jù)題

23、設(shè)要求設(shè)置開關(guān)頻率為10KHZ，由于電機(jī)功率為744.2KW較大，考慮到泵升電壓的因素，所以選擇濾波電容為 220uF。圖12 主電路6.2驅(qū)動(dòng)電路該驅(qū)動(dòng)電路采用了 IR2110集成芯片，該集成電路具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和保 護(hù)功能。（1）IR2110引腳功能：引腳1（L0）與引腳7（HO）：對應(yīng)引腳12以及引腳10的兩路驅(qū)動(dòng)信號輸出端，使用中，分別通過一電阻接主電路中下上通道MOSFET的柵極。引腳2 （COM）：下通道MOSFET驅(qū)動(dòng)輸出參考地端，使用中，與引腳 13 （VHH）直接相連，同時(shí)接主電路橋臂下通道 MOSFET的源極。引腳3（ VCC）：直接接用戶提供的輸出極電源正極，并且通過一

24、個(gè)較高品 質(zhì)的電容接引腳2。引腳5（Vs）：上通道MOSFET驅(qū)動(dòng)信號輸出參考地端，使用中，與主電路 中上下通道被驅(qū)動(dòng)MOSFET的源極相通。引腳6（ VB）：通過一陰極連接到該端陽極連接到引腳 3的高反壓快恢復(fù)二 極管，與用戶提供的輸出極電源相連，對VCC的參數(shù)要求為大于或等于 一0.5V， 而小于或等于+20V。引腳9（ VDD）：芯片輸入級工作電源端，使用中，接用戶為該芯片工作提 供的高性能電源，為抗干擾，該端應(yīng)通過一高性能去耦網(wǎng)絡(luò)接地， 該端可與引腳 3（VCC）使用同一電源，也可以分開使用兩個(gè)獨(dú)立的電源。引腳10（ HIN）與引腳12（ LIN）：驅(qū)動(dòng)逆變橋中同橋臂上下兩個(gè)功率 MO

25、S 器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號輸入端。應(yīng)用中，接用戶脈沖形成部分的對應(yīng)兩路輸出， 對 此兩個(gè)信號的限制為 VHH -0.5V至VCC+0.5V ,這里VHH與VCC分別為連接到 IR2110的引腳13（ VHH ）與引腳9（ VDD ）端的電壓值。引腳11（SD）：保護(hù)信號輸入端，當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，IR2110的輸出信 號全部被封鎖，其對應(yīng)的輸出端恒為低電平，而當(dāng)該端接低電平時(shí)，則 IR2110 的輸出跟隨引腳10與12而變化。引腳13 （VHH）：芯片工作參考地端，使用中，直接與供電電源地端相連， 所有去耦電容的一端應(yīng)接該端，同時(shí)與引腳 2直接相連。引腳8、引腳14、引腳4:為空引腳。如下圖所示v

26、cc IR：VI oNCCOMvss化乞LINNCSD s cdi hniiVDDHONCU2亠GZ7圖13IR2110接線圖L2JJ-0Q9i_hIR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨(dú)立的高端和低端 輸出通道；邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工 作電壓可達(dá)500V，du/dt= 50V/ns在15V下的靜態(tài)功耗僅有1.6mW;輸出的柵 極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為1020V,邏輯電源電壓范圍為 515V，邏輯電源地電壓偏 移范圍為5V+ 5V。IR2110采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓 鎖定。推挽式驅(qū)動(dòng)輸出峰值電流2A負(fù)載為1000pF時(shí)

27、，開關(guān)時(shí)間典型值為25n& 兩路匹配傳輸導(dǎo)通延時(shí)為120ns,關(guān)斷延時(shí)為94ns。IR2110的腳10可以承受2A 的反向電流。6.3 轉(zhuǎn)速檢測：光電編碼器 轉(zhuǎn)速檢測回路利用光電編碼器將轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機(jī)進(jìn)行處 理。 編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。前者成為碼盤， 后者稱碼尺 按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種 接觸式采用 電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是 “1還”是“0;”非接觸 式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件， 采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū) 來表示代碼的狀態(tài)是 “1還”是 “0?！痹隽渴焦怆娋幋a器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)

28、軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)在徑向有均勻窄縫的 主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)， 在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤， 在鑒向盤上有兩條 彼此錯(cuò)開 90 度相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號。 工作時(shí)，鑒向盤不動(dòng)，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)， 光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤， 通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差 90 度的近似正弦信號，再 由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號和計(jì)數(shù)脈沖信號。 為了獲得絕對位置角， 在增量式光電 編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)零位脈沖，使位置角清零。 利用增量式光電編碼器可以檢測電機(jī)的速度。轉(zhuǎn)速檢測的精度和快速性對電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能影響極大。為了在 較寬的速

29、度范圍內(nèi)獲得高精度和快速的數(shù)字測速， 本設(shè)計(jì)使用每轉(zhuǎn) 100線的光電 編碼器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的測速脈沖頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系， 單片機(jī)對該頻率信號采用 M 法測速處理。本設(shè)計(jì)中，用單片機(jī)定時(shí)器捕捉端口的電平跳變并計(jì)數(shù)，定時(shí)產(chǎn)生中斷并計(jì) 算轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速 =60 計(jì)數(shù)值 /Z /TC6.4 電流檢測：電流互感器 用于直流電流量值變換的互感器。它利用鐵心線圈中鐵心受直流和交流電流共 同磁化時(shí)的非線性和非對稱性， 通過整流電路， 將通過線圈的直流大電流按匝數(shù) 反比變換成直流小電流。在本設(shè)計(jì)中采用變比為400:5的電流互感器(LMZJ1 -400/5)。在經(jīng)過單片機(jī)A/D 轉(zhuǎn)換采集端口電壓，

30、再經(jīng)換算得到實(shí)際電流：實(shí)際電流 =端口電壓 X80。6.5 保護(hù)電路：電壓互感器、熔斷器 在系統(tǒng)中，過高的泵升電壓將超過電力電子器件的耐壓限制值。在大容量 或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中， 不可能只靠電容器來限制電壓， 使用開關(guān)器件控制 能量釋放回路， 當(dāng)測得的電壓大于泵升電壓最大值， 單片機(jī)控制輔助開關(guān)器件開 通，使制動(dòng)過程中多余的動(dòng)能以銅耗的形式消耗在放電電阻 R10 中。還有在突 加交流電源時(shí)，大電容濾波電容 C 相當(dāng)于短路，會產(chǎn)生很大的充電電流，容易 損壞整流二極管。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電阻 R11。合上電源后，經(jīng)過延時(shí)或直流電壓達(dá)到一定值時(shí)，閉合接觸器觸點(diǎn)K2把

31、電阻 R11 短路，以避免在運(yùn)行中附加損耗。在變壓器原邊使用熔斷器作保護(hù)電 路。電壓互感器工作原理與變壓器相同，基本結(jié)構(gòu)也是鐵心和原、副繞組。特點(diǎn) 是容量很小且比較恒定， 正常運(yùn)行時(shí)接近于空載狀態(tài)。 其本身的阻抗很小， 一旦 副邊發(fā)生短路， 電流將急劇增長而燒毀線圈。 為此，電壓互感器的原邊接有熔斷 器，副邊可靠接地，以免原、副邊絕緣損毀時(shí)，副邊出現(xiàn)對地高電位而造成人身 和設(shè)備事故。在本設(shè)計(jì)中采用變比為 100：1 的電壓互感器檢測泵升電壓。在經(jīng)過單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換采集端口電壓， 再經(jīng)換算得到實(shí)際電壓。 當(dāng)實(shí)際電壓大于最大泵升電壓 時(shí)，單片機(jī)控制開關(guān)器件 MOSFET 開通。如下圖所示：圖1

32、4保護(hù)電路6.6主電路參數(shù)計(jì)算6.6.1變壓器二次側(cè)電壓U的計(jì)算U2是一個(gè)重要的參數(shù)，一般可按下式計(jì)算，即:U2 = (11.2)式中:A-理想情況下，a =0整流電壓Udo與二次電壓U2之比，即A=Udo/U2； B- 延遲角為a時(shí)輸出電壓Ud與Udo之比，即B=Ud/Udo；-電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)；11.2 慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，由手冊查得 A=2.34;取b = 0； a角考慮10裕量，貝U B= cos a = 0.985U2(1 1.2)750 (2.34 0.9 0.985)362 434(V)取U2400V ,所以變壓器變比 K U1/U2380 /4000.95。6.6.

33、2一次、二次相電流丨1、丨2的計(jì)算整流變壓器一次、二次相電流與負(fù)載電路Id之比分別為：Ki1 11/ldKi2 b/ld考慮變壓器的勵(lì)磁電流時(shí)，I1應(yīng)乘以1.05左右的倍數(shù)，即：I11.05(Kn*I d)/K對于三相全控整流電路KI1 0.816， Kl2 0.816，可得：Kd0.816 76011- 1.05- 1.05- 685.4AK0.9512- Kl2ld- 0.816 760 - 620.2A6.6.3變壓器容量的計(jì)算S1 口切山 3 380 685.4 781.36KVAS1 m2U2I2 3 380 620.2 707.03KVAS 0.5 S S20.5(781.36 7

34、07.03 744.2KVA式中mi、m2 -一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù);對于三相全控橋整流電路 mi=3, m2=3。6.6.4晶閘管參數(shù)計(jì)算晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓 Um,并考慮(23)倍的安全裕量，參照 標(biāo)準(zhǔn)晶閘管電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓Utn，即Utn= (23) Um在三相全控橋式整流電路，每個(gè)晶閘管所承受的最大峰值電壓為Um 6U2,則Utn (23)Um (23).6U2(23)、.6 400 1959.6 2939.4(V)這里取Utn 2500V。選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值TNI大于實(shí)際流過管子電流最大有效值 TI，即：1 TN

35、1-57 1 T(AV) t考慮到1.52倍的裕量，得:It(av) (1.5 2)K Id (1.52)Kln (1.5 2) 0.95 7601083 1444(A)取 It 1200A。6.6.5平波電抗器的設(shè)計(jì)為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙 的鐵心電抗器Ld，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知 的，因此電抗器參數(shù)計(jì)算主要是電感量的計(jì)算。電動(dòng)機(jī)電感量Ld(單位為mH )可按下式計(jì)算：-2議 103式中Ud、Id、n 直流電動(dòng)機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入; p電動(dòng)機(jī)的磁極對數(shù)；Kd 計(jì)算系數(shù)。一般無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取812,快速無補(bǔ)償電

36、動(dòng)機(jī)取 68,有補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取56。本設(shè)計(jì)中取 Kd=8、Ud=750V、Id=760A、n=375r/min、p=1,LD二Kd- 103 87501 03=10.53mH2pnlD2 1 375 760變壓器漏電感量Lt （單位為mH）可按下式計(jì)算Ush61001 d式中查表可得Ush變壓器的短路比，一般取 510本設(shè)計(jì)中取 Kt=3.9、Ush=6Lt=KUshU2100Id所以3.96 400 =0.124mH100 760可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流電抗器（又稱均衡電抗器），電感量Lt （單位為mH） 的計(jì)算公式為：Lr=KrU2It式中Kr計(jì)算系數(shù)，一般取 Kr= K1； K1=0.695lr

37、要求的環(huán)流值，通常取lr=（ 3%10%） Id （ Id為直流電動(dòng)機(jī)電樞電流）。U2750Lr二Kr0.695=13.7 mHl t5% 760實(shí)際所需的均衡電感量為Lra： Lra=Lr-LT如果均衡電流經(jīng)過變壓器兩相繞組，計(jì)算時(shí)，Lra應(yīng)代入2 Lt。Lra=Lr-LT=13.7 0.667=9.15 mH一般說來，均衡電抗器Lra和平波電抗器LD分設(shè)的方案比較經(jīng)濟(jì)，故采用較 為普遍。6.6.6勵(lì)磁電路元件的選擇整流二極管耐壓與主電路晶閘管相同，故取2500V。額定電流可查得K=0.367，Id(av)=(1.52)K li =(1.52) X 0.367 X 1.2A=0.660.88

38、A，可選用 ZP 型 3A、2500V 的二極管。7 心得體會這次的期中作業(yè)整體做下來感覺比經(jīng)歷一場考試還可怕， 是我遇到過的最難 的，但也是收獲最大的一次期中作業(yè)。運(yùn)動(dòng)控制仿佛就是電力電子，自控，電機(jī) 的一個(gè)綜合體， 而這次的期中作業(yè)需要硬件參數(shù)選擇， 仿真分析， 硬件電路設(shè)計(jì) 等各方面的知識。起初看到這個(gè)作業(yè)的時(shí)候， 不知從何下手， 因?yàn)楦緵]有運(yùn)動(dòng)控制的相關(guān)經(jīng) 驗(yàn)，但我有的是以前數(shù)學(xué)建模， 大創(chuàng)積累下來的解決未遇到過的問題的方法。 借 鑒別人的成功經(jīng)驗(yàn)可以少走很多彎路， 也許在走了這些彎路后也不一定能找到合 適的解決辦法。 我先在知網(wǎng)上下載了各種與直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)的論文， 去 圖書

39、館查閱了很多與電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)的書籍。 然后，從這些資料中 甄別出與題目相關(guān)性較大的，可以提供恰當(dāng)解決方法的，進(jìn)行深入閱讀。慢慢， 設(shè)計(jì)的思路浮現(xiàn)了出來。這次的期中作業(yè)讓我又把已經(jīng)快要忘完的Simulink仿真，Protel等在以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)中十分有用的軟件進(jìn)行了回顧。雖然說設(shè)計(jì)的結(jié)果差強(qiáng)人意， 但真的從中學(xué)到了很多實(shí)用的方法， 對課本知 識有了更深刻的認(rèn)識參考文獻(xiàn)1 阮毅，陳伯時(shí) . 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) . 北京：機(jī)械工業(yè)出 版社， 20102 王兆安，劉進(jìn)軍 . 電力電子技術(shù) . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20133 陳曉鴿，昂軍.Protel 99SE標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例教程.

40、北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20104 洪乃剛. 電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真 . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20105 潘繼安 . 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及程序編制 . 四川輕化工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） ，20016 曲娟 . 微機(jī)控制雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng) . 遼寧大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版）， 2004附錄#include #include /#include 1602.htypedef unsigned int uint;typedef unsigned char uchar;#define temp 60/轉(zhuǎn)速： n=60*M/100*0.01#define Num_of_Results 2#de

41、fine keyin (P2IN & 0x0f)/啟停 增減uint elec,speed,time;/電流 速度 計(jì)時(shí)float volt=10,Asr_out,Acr_out,flag;/ 輸入給定 輸出 泵生電壓 /系數(shù)Float Kp_n=10.25,Ki_n=7.04,Feed_n=0.027;Float Kp_i=0.766,Ki_i=32.25,Feed_i=0.05; float Error,Pout,Iout;static float LastError_i,LastOut_i;static float LastError_n,LastOut_n;uchar dis14,di

42、s24,flag1,flag2; void PI_n(void);void PI_i(void);void key(void);主函數(shù) *I*void main( void )/關(guān)閉看門狗WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; uint i,Ton;float set,Ud;/* 選擇系統(tǒng)主時(shí)鐘為 8MHz */BCSCTL1 &= XT2OFF;/ 打開 XT2 高頻晶體振蕩器doIFG1 &= OFIFG;/清除晶振失敗標(biāo)志for (i = OxFF; i 0; i -);/等待 8MHz 晶體起振while (IFG1 & OFIFG);/晶振失效標(biāo)志仍然存在？BCSCTL2

43、 |= SELM_2 + SELS;/MCLK 和 SMCLK 選擇高頻晶振/計(jì)數(shù)時(shí)鐘選擇 SMLK=8MHz ，1/8 分頻后為 1MHzTACTL|= TASSEL_2 + ID_3+MC_1+TACLR+TAIE;/增計(jì)數(shù)模式，清除，使能TACCTL1|=OUTMOD_2;TACCTL2|=CM_1+CCIS_0+CAP;TACCR0=10000;TACCR1=5000;TBCTL|=CNTL_3+TBSSEL_2+ID_3+MC_3+TBCLR+TBIE;/ 定 時(shí) 器 輸 出 PWM，清除TBCCTL1|=OUTMOD_6;/ 選擇模式 6TBCCTL2|=OUTMOD_2;/ 選擇模式 6TBCCR0=50; /PWM 周期/ 打開 ADC ，設(shè)置采樣時(shí)間，使能轉(zhuǎn)換ADC12CTL0 = SHT0_8 + REF2_5V + REFON + ADC12ON + ENC;ADC12CTL1=SHP+CONSEQ_2;ADC12MCTL0 = INCH_0+INCH_1;ADC12IE = 0x01;ADC12CTL0 |= ADC12SC;P6SEL|=BIT0+BIT1