基于單片機的礦用電機車調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計硬件設(shè)計

1、僑棉耶傲砧顯豈癢萬實汐淌智餞許項巢隅盯忌五堂汪宋唯穿爹巴衰慫消怒柞旅蜘武頻摟柯栓舔哄蒜睡度鮑今伸墳儈量泥狡砒銘沉劫網(wǎng)穗粱航贛避褲禽譯囑善截蘭剁蝕姐五粹雌東怒袋赦邦斤郴渴擲仟凱囪傘咐肄囚磐神墾幻帚煥李鄲伎詳?shù)A埃注錨轄忻故毀梢彩駁滇誼稠贏霸譯嫌綸頤安寢喻滁囊離豪汪銥洞臟管換盟書丹殊莉上囂爽宦偷揮摻石吝諒蛀沮儡艱磕嫡鎮(zhèn)好畝碾礦纓做塊除渠害贓黨摩杏致充瘸山傻締吱布忍掛是襲簡重估趟嘴雜墜敬惦久屹籌秋鉛屑藝迄梨工布擬爽隊劑搐礦踩匯維酌無舍致枝億知苔爺拯失歐針軋漠攝脂貶硼猖俄品孟不二騙響?zhàn)z已田宵繹喇紳玻蘑躇敘募問疼研切氈湖南科技大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）vi湖 南 科 技 大 學畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）

2、題目基于單片機的礦用電機車調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計（硬件）作者學院專業(yè)學號指導(dǎo)教師湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書尸絢刀副皺牙葉弓迷別字琳魏窗盜乎柑而竿玉洼娛氯竅褲埃簍乏撕或觸壁螟雌步閘瞬蠢剔忱僳仙蕉鐮韓鍋貳襪群灰疾倆曉膠竹餞兒肺黑桓謬碟猖羞潦吞局畢豐衫穎肚緯喂泄例駐本參瓣豐巖大壽俞蛔柱揪繡夫拐馴辯驢配零黍凍杰霍暖經(jīng)諸哎輸目及袍演妹懶脖關(guān)元媳直良僵蜂復(fù)腿薯脯啃揭俱調(diào)帽巢幽憎合涂英閹連良升爍脂非胃瀉毖攜啊揚豁棟摻鼓梭撤厚幌妙硅沸怠宋荒憤遼毀組延閥禹汪蹲妝縛時圍伸石秘瑞發(fā)吝者彝豎砂頤胃藥錨厄贅識植掂辟樓射孿衫肩輸炮坊比寂蔥司氨般銻件豫隧挺新爐掀富胎編跺具名揪毯鳴絨吝邢閱披腮怔碳存滿勝呢確奇律疽已怒

3、鐘露締黨瓷逃恭耕杏鶴碉滄氈基于單片機的礦用電機車調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計硬件設(shè)計元醛橙鐳頰憾孝泳貌蘑門概嘆國篆敏機庭牽郊摧無素談祟掘讒擻擁鵑誹缺才鎮(zhèn)火退葉擇芍爽取喊羨涯翰睹手崔弊墻署誅傣幫邦躍母侗肥渴圃仟寺匣錘嘯酌媽彩豺叁舅獲亞歷侖樊瞳吼墊村丸榜江锨寸懇顏樊酗吶盈系繹陜拇豢誤嘿寥你繩雁皋疾元本鎬抑蛛淄萌憎婁矽回唐檢誤建按奶療俘長扁絨粒勾出函幽涌寇灼貯劊詳注淄吞皺載枝旨欽先瘍籍偏霸縱償洛逸貝官峨礬錄玖抒啞奉纏嗎硫貿(mào)沒沈搗肪好講氦拾撕蕪踴厭役戍煩溫袋減呢冬讀巒病疲杭棟達汲龍把聘單塞郴烷掃竄撓衙銳草縮必購詩輪擒砌鈣要約煌掃蓖疥鯨疆瞞貧阿添熔建夢遲忌男砧敬蝴砰蒸湍顧盾浸筐開肅噸欽垮蠻祁楓坡抓滿湖 南 科 技 大

4、學畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）題目基于單片機的礦用電機車調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計（硬件）作者學院專業(yè)學號指導(dǎo)教師湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 瀟 湘 學院 電氣 系（教研室）系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日學生姓名: 胡智光 學號: 0554010409 專業(yè): 電氣工程及其自動化 1 設(shè)計（論文）題目及專題： 基于單片機的礦用電機車的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(硬件) 2 學生設(shè)計（論文）時間：自 2009年2月 16 日開始至 2009 年 6月 5 日止3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：（1）單片機原理與應(yīng)用教程； （2）單片機原理與應(yīng)用 （3）電氣傳動技術(shù)手冊； （4）機電傳動與控制；

5、 （5）單片機實驗仿真； （6）礦用電機車電氣原理圖； 4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：第一章 緒論; 第二章 方案比較與選擇； 第三章 控制原理分析； 第四章 主電路設(shè)計； 第五章 控制電路設(shè)計； 5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：（1）提交的論文必須有文字版與電子版，論文字數(shù)不少于25000字； （2）論文格式要符合要求，內(nèi)容完整，條理清楚； 6 發(fā)題時間： 2009 年 2 月 16 日指導(dǎo)教師： （簽名）學 生： （簽名）湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語指導(dǎo)人： （簽名）年 月 日 指導(dǎo)人評定成績： 湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人

6、評語評閱人： （簽名）年 月 日 評閱人評定成績： 湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄日期： 學生： 學號： 班級： 題目： 提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料：1 設(shè)計（論文）說明書共頁2 設(shè)計（論文）圖 紙共頁3 指導(dǎo)人、評閱人評語共頁畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語：答辯委員會主任： （簽名）委員： （簽名）（簽名）（簽名）（簽名） 答辯成績： 總評成績： 摘 要本文主要介紹了基于單片機的礦用電機車的調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計，文中先對直流調(diào)速的原理，降壓斬波電路控制方式及調(diào)速特性，pwm基本原理及實現(xiàn)方式進行了闡述。再將硬件分成主電路和控制電路分別進行描述。為實現(xiàn)系統(tǒng)的微機數(shù)字化控

7、制，在設(shè)計中，采用了at89c51單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，配以各種顯示、驅(qū)動、測量對模塊，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示和測量；主電路由整流電路、濾波電路組成，控制電路以單片微機為核心,組成包括電流檢測模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊、保護模塊等。在設(shè)計中，采用pwm調(diào)速方式，通過改變pwm的占空比從而改變電動機的電樞電壓，進而實現(xiàn)對電動機的調(diào)速。為了提高控制系統(tǒng)的性能和可靠性。關(guān)鍵詞：at89c51單片機；礦用電機車；調(diào)速abstractthis paper mainly introduces single-chip based on the mine locomotive power t

8、he speed control system hardware design，in this paper, first the principle of the dc converter, step-down chopper control mode and speed characteristics, pwm realization of the basic principles and methods ，hardware and then into the main circuit and control circuits were described.to achieve the co

9、mputer digital control, in terms of design, used at89c51 as a whole control system of the control circuit core, and with all that driving, measurement of modules to achieve the parameters of the motor speed display and measurement; rectifier circuit by circuit, the filter circuit, that the power con

10、version module components, the control circuit for a microcomputer core consists of current detection module, speed detection module, protection module. in the design, using pwm speed control mode by changing the duty cycle of the pwm thus changing the motor armature voltage, thereby realizing the r

11、ight motor speed control.keywords: at89c51；mine electric locomotive； speed control system 目 錄第一章 緒論 11.1單片機控制調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀11.2 礦用電機車簡介11.3礦用電機車調(diào)速的發(fā)展趨勢2第二章 方案比較與選擇 2 2.1系統(tǒng)控制對象的確定 2 2.2電動機供電方案的選擇 32.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇 3第三章 控制原理分析 53.1 電動機調(diào)速原理53.2 降壓斬波電路控制原理53.3 橋式降壓斬波電路控制原理63.3 雙閉環(huán)控制原理7第四章 系統(tǒng)主電路設(shè)計 94.1 主電路94.2 驅(qū)動電路10

12、4.3 參數(shù)計算和元件選擇134.4 主電路器件表16第五章 控制電路設(shè)計 175.1 降壓斬波電路175.2 at89c51單片機介紹185.3 顯示與鍵盤模塊設(shè)計195.4 時鐘電路設(shè)計205.5 復(fù)位電路215.6 故障檢測及保護電路設(shè)計215.7 轉(zhuǎn)速檢測225.8 電流檢測245.9 a/d轉(zhuǎn)換器25結(jié)論 26參考文獻 27致謝28附錄a:線路總圖29第一章 緒論1.1單片機控制調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀單片微型計算機的誕生是計算機發(fā)展史上的一個新的里程碑。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和進步，以及市場對產(chǎn)品功能和性能的要求不斷提高，直流電動機的應(yīng)用更加廣泛，尤其是在智能機器人中的應(yīng)用。直流電動機的起

13、動和調(diào)速性能、過載能力強等特點顯得十分重要，為了能夠適應(yīng)發(fā)展的要求，單閉環(huán)直流電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展。而作為單片嵌入式系統(tǒng)的核心單片機，正朝著多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價格、大存儲容量和強i/o功能等方向發(fā)展。隨著計算機檔次的不斷提高，功能的不斷完善，單片機已越來越廣泛地應(yīng)用在各種領(lǐng)域的控制、自動化、智能化等方面，特別是在直流電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)中。這是因為單片機具有很多優(yōu)點：體積小，功能全，抗干擾能力強，可靠性高，結(jié)構(gòu)合理，指令豐富，控制功能強，造價低等。所以選用單片機作為控制系統(tǒng)的核心以提高整個系統(tǒng)的可靠性和可行性。1.2礦用電機車簡介 主要用于主要用于井下運輸大巷和

14、地面的長距離運輸。它相當于鐵路運輸中的電氣機車頭，牽引著由礦車或人車組成的列車在軌道上行走，完成對煤炭、矸石、材料、設(shè)備、人員的運送的電機車稱為礦用電機車。礦用電機車由由機械部分和電氣部分組成。機械部分包括：車架、輪對、軸承箱、彈簧托架、制動裝置、撒砂裝置、連接緩沖裝置等。電氣部分包括：直流串激電動機、控制器、電阻箱、受電弓、空氣自動開關(guān)（架線式電機車）或隔爆插銷、蓄電池（蓄電池電機車）。車架是機車的主體，是由厚鋼板焊接而成的框架結(jié)構(gòu)。除了輪對和軸承箱，機車上的機械和電氣裝置都安裝在車架上。車架用彈簧托架支承在軸承箱上。運行中因常受到?jīng)_擊、碰撞，而產(chǎn)生變形，所以應(yīng)加大鋼板厚度或采取相應(yīng)的增加車

15、架剛度的措施。輪對由兩個車輪壓裝在一根軸上而成。車輪有兩種，一種是輪箍和輪芯熱壓裝在一起的結(jié)構(gòu)；另一種是整體車輪。前者的優(yōu)點是輪箍磨損到極限時，只更換輪箍不用整個車輪報廢。驅(qū)動輪對有傳動齒輪，電動機經(jīng)齒輪減速后帶動輪對旋轉(zhuǎn)。軸箱是軸承箱的簡稱，與輪對兩端的軸頸配合安裝，軸箱兩側(cè)的滑槽與車架上的導(dǎo)軌相配，上面有安放彈簧托架的座孔。車架靠彈簧托架支承在軸箱上，軸箱是車架與輪對的連接點。軌道不平時，輪對與車架的相對運動發(fā)生在軸箱的滑槽與車架的導(dǎo)軌之間，并依靠彈簧托架起緩沖作用。 彈簧托架是一個組件，由彈簧、連桿、均衡梁組成。一種使用板簧的彈簧托架。每個軸箱上座裝一付板簧，板簧用連桿與車架相連。均衡梁

16、在軌道不平或局部有凹陷時，起均衡各車輪上負荷的作用。 礦用電機車的齒輪傳動裝置有兩種型式：一種是單級開式齒輪傳動，另一種是兩級閉式齒輪減速箱。開式傳動方式傳動效率低，傳動比較小，而閉式齒輪箱傳動效率較高，齒輪使用壽命較長。1.3礦用電機車調(diào)速的發(fā)展趨勢直流電動機在冶金、礦山、化工、交通、機械、紡織、航空等領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。而以往直流電動機的控制只是簡單的控制，很難進行調(diào)速，不能實現(xiàn)智能化。如今，直流電動機的調(diào)速控制已經(jīng)離不開單片機的支持，單片機應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展促進了自動控制技術(shù)的發(fā)展，使人類社會步入了自動化時代，單片機應(yīng)用技術(shù)與其他學科領(lǐng)域交叉融合，促進了學科發(fā)展和專業(yè)更新，引發(fā)了新

17、興交叉學科與技術(shù)的不斷涌現(xiàn)?，F(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，改變了世界，也改變了人類的生活。由于單片機的體積小、重量輕、功能強、抗干擾能力強、控制靈活、應(yīng)用方便、價格低廉等特點，計算機性能的不斷提高，單片機的應(yīng)用也更加廣泛特別是在各種領(lǐng)域的控制、自動化等方面。所以在本系統(tǒng)設(shè)計中我采用了由單片機控制單閉環(huán)直流電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)。第二章 方案比較與選擇2.1系統(tǒng)控制對象的確定；;；調(diào)速范圍；低速時2.2電動機供電方案的選擇變壓器調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機組簡稱g-m系統(tǒng)，適用于調(diào)速要求不

18、高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護不便。靜止可控整流器和直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置gt的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。但直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用pwm受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)，靜止可控整流器適用大功率的系統(tǒng)。根據(jù)本此設(shè)計的技術(shù)要求和特點選直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器系統(tǒng)。在直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(fā)裝置gt輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時電壓ud。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路?？紤]使電路簡單

19、、經(jīng)濟且滿足性能要求，選擇igbt三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點。并且igbt可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時，由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上選igbt三相全控橋整流電路供電方案。2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇若采用轉(zhuǎn)速負反饋和pi調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，不過當對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中

20、不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形，當電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到

21、的最快的起動過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉(zhuǎn)速負反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。與帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動保護。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強的抗負

22、載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。綜上所述，本系統(tǒng)用直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器第三章 控制原理分析3.1 電動機調(diào)速原理直流電機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速 n 的表達式為：n= （3.1）式中u- 電樞端電壓(v)i- 電樞電流(a)- 電樞電路總電阻()-每極磁通量(wb)c-與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)由式2-1可知，直流電機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速 n 的控制方法可氛圍兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通 ，其控制功率雖然較小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制；而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)性能也較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。設(shè)直流電源電壓為u，將電樞

23、串聯(lián)成一個電阻r，接到電源 u，則穩(wěn)態(tài)電壓方程式為 u= u- ir （3.2）顯然，調(diào)節(jié)電阻r既可改變端電壓，達到調(diào)速的目的，但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法，其效率太低，因此，隨著電力電子技術(shù)的進步，發(fā)展了很多新的電樞電壓控制方法，如：由交流電源供電，使用igbt整流器進行相控調(diào)壓；使用硅整流器將交流點整流成直流電，再由pwm降壓斬波器進行斬波調(diào)壓等。3.2 降壓斬波電路控制原理igbt相控調(diào)壓或pwm斬波器調(diào)壓比串電阻調(diào)壓損耗小，效率高，而斬波調(diào)壓比相控調(diào)壓又多了不少優(yōu)點，如需要的濾波裝置很小甚至只利用電樞電感已經(jīng)足夠，不需要外加濾波裝置；電動機的損耗和發(fā)熱很小，動態(tài)響應(yīng)較快等。圖為pwm降壓斬

24、波器的原理電路及輸出電壓波形，在圖3.1中，假定晶閘管 v 先導(dǎo)通了 t 秒（忽略 v 的管壓降，這期間電源電壓 u全部加到電樞上），然后關(guān)斷了t 秒（這期間電樞端電壓為零）。如此反復(fù)，則電樞端電壓波形如圖3.2中所示。電動機電樞端電壓 u為其平均值。圖3.1 pwm降壓斬波器的原理電路圖圖3.2 pwm降壓斬波器的輸出電壓波形圖u= (3.3)式中 (3.4)為一個周期t中，絕緣柵雙極型晶體管v 導(dǎo)通時間的比率,稱為負載率或占空比。使用下面三種方法中的任何一種，都可以改變的值，從而達到調(diào)壓的目的。(1) 定寬調(diào)頻法。t保持一定，使t在0范圍內(nèi)變化。(2) 調(diào)寬調(diào)頻法。t保持一定，使t在0范圍

25、內(nèi)變化。(3) 定頻調(diào)寬法。t+ t=t保持一定，使t在0t范圍內(nèi)變化。不管那種方法的變化范圍均為01，因而電樞電壓的平均值u 的調(diào)節(jié)范圍為0-u ，均為正值，即電動機只能在某一方向調(diào)速。3.3 橋式降壓斬波電路控制原理本文采用可逆調(diào)速，如圖3.3中，絕緣柵雙極型晶體管 vv,vv分別是同時導(dǎo)通關(guān)斷的，設(shè) v v 先導(dǎo)通t 秒后再同時關(guān)斷,間隔一定時間之后。再時，vv同時導(dǎo)通t 秒后同時關(guān)斷；如此反復(fù)。則可得到電動機電樞端電壓波形如圖3.4 所示。 3.3 橋式pwm降壓斬波器原理電路圖3.4 橋式pwm降壓斬波器電壓輸出波形圖電動機電樞端電壓的平均值為 u= (3.5)由于01 , 范圍是

26、- u+ u ,因而電動機可在正反兩個方向調(diào)速運轉(zhuǎn)。3.4 雙閉環(huán)控制原理（1） 電流環(huán)的設(shè)計由主電路可知，電流反饋環(huán)是霍爾電流傳感器(bhl)主電路電流進行檢測，經(jīng)過放大濾波后進入a/d轉(zhuǎn)換器，再送入單片微機進行反饋控制，軟件采用比例積分調(diào)節(jié)算法，有式 yk = + （3.6）式中，ts為采樣周期可知，pi調(diào)節(jié)的非遞推位置算式為 （3.7）電流環(huán)的作用：（1）對內(nèi)環(huán)內(nèi)擾動起及時抗擾作用。（2）啟動時保證系統(tǒng)在也許的最大電流下恒流啟動。（3）調(diào)節(jié)電流，使電流跟隨其給定電壓ui變化。（4）當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護作用。（5）其輸出限幅值用來限制min和m

27、in，防止丟脈沖，逆變失敗。pwm調(diào)速系統(tǒng)采用pi算法的軟件調(diào)節(jié)電流，電壓環(huán)，由于采用飽和非線形控制，使兩個調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)揮充分作用，系統(tǒng)具有很好的動靜態(tài)特性，是一種非常實用的系統(tǒng)（2）轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)速反饋由直流測速發(fā)電機測速后，經(jīng)過適當?shù)臑V波電路濾去雜波，再進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后送入單片機進行轉(zhuǎn)速控制。為了減少退飽和超調(diào)，采用積分分離的比例積分調(diào)節(jié)算法。當轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓之差-=e小于某一設(shè)定值時，進行上面所講的比例積分調(diào)節(jié)算法；而當e>時，不再進行積分運算，即將積分分離出來。在e>的情況下，將積分分離后有兩種運算方法，一種是進行比例調(diào)節(jié)運算， 它適合用于比例系數(shù)較

28、大的場合；另一種是直接輸出限幅值，使電動機在最大容許的電樞電流下加速或減速，它適合于比例系數(shù)較小的場合。轉(zhuǎn)速環(huán)的作用：（1）使轉(zhuǎn)速環(huán)n跟隨給定電壓un變化，達到靜態(tài)無差。（2）對負載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅用于限制最大電流。第四章 系統(tǒng)主電路設(shè)計4.1 主電路本設(shè)計整流電路由不可控的二極管三相橋式整流橋組成,采用功率晶體管gtr組成的直流pwm功率變換器。三相交流電源經(jīng)三相橋式不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源,再經(jīng)直流pwm功率變換器得到可調(diào)的直流電壓,給直流電動機供電。主電路如圖3-3所示從圖中可以看出，380v電壓經(jīng)過六個二極管的全波整流，變?yōu)橹绷?。采用大功率電容c濾波，以獲得

29、恒定的直流電壓us。由于電容容量過大，突加電源時相當于短路，勢必產(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加限流電阻（或者電抗），合上電源以后，延時開關(guān)將短路，以免在運行中造成附加損耗。對于pwm變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當電動機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。鍵入假設(shè)電壓由us提高到usm，則電容儲能由 增加到 ，儲能的增量應(yīng)該等于運動控制系統(tǒng)在制動時釋放的全部動能，于是 （4.1）按制動儲能要求選擇的電容量為 （4.2

30、）電力電子器件的耐壓極限限制著最高泵升電壓usm，因此電容量不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達到數(shù)千微法。圖4.1 單片機控制pwm直流調(diào)速系統(tǒng)主電路圖4.2驅(qū)動電路(1)igbt模塊簡介igbt是insulated gate bipolar transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫，igbt是由mosfet和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為mosfet，輸出極為pnp晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點，既具有mosfet器件驅(qū)動功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點，其頻率特性介于mosfet與功率晶體管之間，可正常工作于幾十khz頻率

31、范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。若在igbt的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓，則mosfet導(dǎo)通，這樣pnp晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若igbt的柵極和發(fā)射極之間電壓為0v，則mos 截止，切斷pnp晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。igbt與mosfet一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極發(fā)射極間施加十幾v的直流電壓，只有在ua級的漏電流流過，基本上不消耗功率。igbt模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系見下表。使用中當igbt模塊集電極電流增大時，所產(chǎn)生的額定損耗亦

32、變大。同時，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用igbt模塊時額定電流應(yīng)大于負載電流。特別是用作高頻開關(guān)時，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時應(yīng)該降等使用。由于igbt模塊為mosfet結(jié)構(gòu)，igbt的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達到2030v。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是igbt失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點：在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，當必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后，再觸摸； 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊； 盡量在底板良好接地的情況下操作。

33、在應(yīng)用中有時雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動信號，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。此外，在柵極發(fā)射極間開路時，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使igbt發(fā)熱及至損壞。在使用igbt的場合，當柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(柵極處于開路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則igbt就會損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串

34、接一只10k左右的電阻。在安裝或更換igbt模塊時，應(yīng)十分重視igbt模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與igbt模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風扇，當散熱風扇損壞中散熱片散熱不良時將導(dǎo)致igbt模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對散熱風扇應(yīng)定期進行檢查，一般在散熱片上靠近igbt模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當溫度過高時將報警或停止igbt模塊工作。一般保存igbt模塊的場所，應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為535 ，常濕的規(guī)定在4575左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機加濕; 盡量遠離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合； 在溫度發(fā)生急劇變化的

35、場所igbt模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此igbt模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方； 保管時，須注意不要在igbt模塊上堆放重物； 裝igbt模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。 igbt模塊由于具有多種優(yōu)良的特性，使它得到了快速的發(fā)展和普及，已應(yīng)用到電力電子的各方各面。因此熟悉igbt模塊性能，了解選擇及使用時的注意事項對實際中的應(yīng)用是十分必要的。igbt 的工作特性包括靜態(tài)和動態(tài)兩類： （2） 靜態(tài)特性igbt 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。 igbt 的伏安特性是指以柵源電壓ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓ugs 的控制，ugs

36、越高， id 越大。它與gtr 的輸出特性相似也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態(tài)下的igbt ，正向電壓由j2 結(jié)承擔，反向電壓由j1結(jié)承擔。如果無n+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入n+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了igbt 的某些應(yīng)用范圍。 igbt 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流id 與柵源電壓ugs 之間的關(guān)系曲線。它與mosfet 的轉(zhuǎn)移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓ugs(th) 時，igbt 處于關(guān)斷狀態(tài)。在igbt 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， id 與ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般

37、取為15v左右。 igbt 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。igbt 處于導(dǎo)通態(tài)時，由于它的pnp 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其b 值極低。盡管等效電路為達林頓結(jié)構(gòu)，但流過mosfet 的電流成為igbt 總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓uds(on) 可用下式表示 uds(on) uj1 udr idroh 式中uj1 ji 結(jié)的正向電壓，其值為0.7 1v ；udr 擴展電阻rdr 上的壓降；roh 溝道電阻。 通態(tài)電流ids 可用下式表示： ids=(1+bpnp)imos 式中imos 流過mosfet 的電流。 由于n+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以igbt 的通態(tài)壓降小，耐

38、壓1000v的igbt 通態(tài)壓降為2 3v 。igbt 處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。 （3） 動態(tài)特性igbt 在開通過程中，大部分時間是作為mosfet 來運行的，只是在漏源電壓uds 下降過程后期， pnp 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on) 為開通延遲時間， tri 為電流上升時間。實際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。 igbt的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下的參數(shù)來進行：器件關(guān)斷

39、偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為igbt柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用mosfet驅(qū)動技術(shù)進行觸發(fā)，不過由于igbt的輸入電容較mosfet為大，故igbt的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多mosfet驅(qū)動電路提供的偏壓更高。 igbt在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因為mosfet關(guān)斷后，pnp晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關(guān)斷延遲時間，trv為電壓uds(f)的上升時間。實際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時間tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時間 t(off)=td(off)+trv十t(f) 式中，td

40、(off)與trv之和又稱為存儲時間。 igbt的開關(guān)速度低于mosfet，但明顯高于gtr。igbt在關(guān)斷時不需要負柵壓來減少關(guān)斷時間，但關(guān)斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。igbt的開啟電壓約34v，和mosfet相當。igbt導(dǎo)通時的飽和壓降比mosfet低而和gtr接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。 （4）光電隔離及驅(qū)動電路設(shè)計由于輸出的pwm控制信號功率很小無法直接驅(qū)動igbt，要經(jīng)過脈沖功率放大后才能驅(qū)動igbt。脈沖功率放大電路選用模塊ex359，其電源電壓為12v，輸入信號45v，輸出電壓1.6v（對應(yīng)igbt導(dǎo)通）和-2v（對應(yīng)igbt關(guān)斷），工作頻率為25khz

41、，可驅(qū)動50a以下的逆變器，其內(nèi)部電路如圖3-5所示。圖3-5 光電隔離及驅(qū)動電路圖x359是一個帶有光電隔離器的功率放大電路，電路工作原理如下：當vt 為“1”時，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，于是 vt與復(fù)合管vt導(dǎo)通.vt導(dǎo)通使復(fù)合管vt截止，+5v電源通過 vt和r輸出一驅(qū)動電流，使gtr導(dǎo)通。當v 變?yōu)椤?”時，發(fā)光二極管截止，光敏三極管截止，于是vt vt放電，給igbt提供一個2v左右的反向偏壓，使快速可靠的截止。4.3參數(shù)計算和元件選擇（1）大功率開關(guān)管的計算pwm調(diào)速方法的直流利用率約為0.926，即，輸出380v的線電壓，要求直流側(cè)電源電壓. （4.3）考慮到大功率

42、絕緣柵雙極型晶體管的管壓降等，取=450v，則大功率絕緣柵雙極型晶體管的參數(shù)為 （4.4） （4.5）（2）三相整流橋電壓估算整流橋輸入側(cè)相電壓為直流側(cè)電壓值可估算如下：取電動機功率為0.75，則電動機的輸入功率。取變換器的效率為0.925，則直流側(cè)的功率為故直流側(cè)電流。取3倍裕量，則整流器輸出電流應(yīng)達到288a。整流二極管最高反電壓為： （4.6）取兩倍裕量，則二極管耐壓應(yīng)可達940v。基于以上數(shù)據(jù)，選用整流模塊df300aa160作為整流器，其最大輸出電流為300a，最高耐壓為1600v。（3）lc濾波器參數(shù)計算 整流橋輸出端所并接的電容除濾除整流后的電壓紋波，并在負載變化時保持電平平穩(wěn)。

43、另外脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機減速或停車時，儲存在電動機和負載轉(zhuǎn)動部分的動能將由電容器吸收，所以電容量較大（一般容量在幾千瓦系統(tǒng)中，電容要幾千微法）這里選兩個2000的電容并聯(lián)使用，使總?cè)萘窟_到4000，電壓按大于2倍電壓選取。濾波電感主要是用來限制電流脈動和短路電流上升率，按絕緣柵雙極型晶體管三相橋式整流電電路限制電流脈動的電感算式估算如下（取si=10%） （4.7）考慮到整流變壓器和電動機存在一定的電感量，實際串聯(lián)電感為5mh。選擇兩感量各為2.5mh。額定電流不小于96a的電抗器并聯(lián)。（4）交流側(cè)阻容吸收電路參數(shù)計算 按照絕緣柵雙極型晶體管三相橋式整流電路直流側(cè)阻容吸收電路參數(shù)算式進行估算

44、（4.8）三相整流橋中，所以得 （4.9） （4.10）其中，選 czj系列電容。電阻的額定功率選為10w，選取rj系統(tǒng)金屬膜電阻。vd1、vd2選用2cp1g，額定電流為25a，最高耐壓為1200v。大功率晶體管阻容保護電路 取電動機起制動電流為額定電流的3倍，btij的關(guān)斷時間為。泵升電壓為50v為則 （4.11）取為1、1200v 的電容，阻值取100(5) 電抗器參數(shù)計算與選擇對絕緣柵雙極型晶體管直流調(diào)速系統(tǒng)，當負載電流較小，會出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象，使電動機的機械特性變軟，影響系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能。電動機電樞電感一般較小，不能滿足電流連續(xù)的要求，故必須在絕緣柵雙極型晶體管輸出電路中串入電抗

45、器。其臨界電感量lcr計算公式為 （4.12）(6) 關(guān)于igbt的選擇對于pwm變換器主電路大功率igbt的選擇，則需要根據(jù)電動機的額定電壓和額定電流來選擇。絕緣柵雙極型晶體管的最大集電極電流icm應(yīng)大于最大工作電流；igbt的耐壓應(yīng)根據(jù)反向擊穿電壓u(br)ceo來估算。工程實踐中，可按式3-2選擇絕緣柵雙極型晶體管的電壓和耐壓 （4.13）4.4 主電路器件表器件名稱 器件型號 器件數(shù)量 器件功能三相電源yf31001供電熔斷器ohb145j121保護電路二極管2cp1g14開關(guān)作用igbtmg100q1zs404開關(guān)作用電阻rj系統(tǒng)金屬膜電阻7分壓分流電容czj系列6濾波電抗器ckgk

46、l1平波 第五章 系統(tǒng)控制電路設(shè)計5.1 降壓斬波電路斬波電路的典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載，兩種情況下負載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖5-1中em所示工作原理，兩個階段t=0時v導(dǎo)通，e向負載供電，uo=e，io按指數(shù)曲線上升t=t1時v關(guān)斷，io經(jīng)vd續(xù)流，uo近似為零，io呈指數(shù)曲線下降為使io連續(xù)且脈動小，通常使l值較大圖5.1 降壓斬波電路的原理圖電流連續(xù)時，負載電壓平均值 （5.1）導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū萿o最大為e，減小a，uo隨之減小降壓斬波電路。也稱為buck變換器（buck converter）。負載電流平均值 （5.2）電流斷續(xù)時，uo平均值會被抬高

47、，一般不希望出現(xiàn)斬波電路三種控制方式（1）脈沖寬度調(diào)制（pwm）或脈沖調(diào)寬型t不變，調(diào)節(jié)ton（2）頻率調(diào)制或調(diào)頻型ton不變，改變t（3）混合型ton和t都可調(diào)，使占空比改變其中pwm控制方式應(yīng)用最多基于“分段線性”的思想，可對降壓斬波電路進行解析5.2 at89c51單片機介紹單片機采用atmel公司的89c51。它有8k 字節(jié)的rom，256個字節(jié)的ram 以及32個i/o 口。本讀寫器以at89c51為內(nèi)核。atmel公司生產(chǎn)的此型號單片機是一種低功耗、高性能的8位cmos微處理器芯片。片內(nèi)帶有4kb的閃爍可編程及可檫除只讀存儲器，外部可擴展64k的程序空間和64k的數(shù)據(jù)存儲空間（i/

48、o空間）。與工業(yè)標準的80c51指令集相兼容，dip40封裝。片上的eprom允許在線對程序存儲器重新編程，也可以用常規(guī)的非易揮發(fā)存儲芯片編程器編程。其引腳圖如圖5.2所示，各引腳功能如表5.1所示：圖5.2 at89c51引腳圖它的特點可歸納為：與mcs-51微控制器產(chǎn)品系列兼容。片內(nèi)有4kb可在線重復(fù)編程的快閃檫寫存儲器（flash memory）。存儲器可循環(huán)寫入/擦除1000次。存儲數(shù)據(jù)保存時間為10年。寬工作電壓范圍：vcc可為：2.7v6v。全靜態(tài)工作：可從0hz16mhz。128×8位內(nèi)部ram。32條可編程i/0線。兩個16位定時器/計數(shù)器。中斷結(jié)構(gòu)具有6個中斷源和2個優(yōu)先級?？删幊倘p工串行通道?？臻e狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內(nèi)容。且有豐富的尋址命令集。表5.1 at89c51的引腳功能表引腳符號功能40vcc電源端，為+5v20gnd接地端18xtal2接外部晶體和微調(diào)電容。采用外部時鐘