雙極式PWM直流電機(jī)

1、鄭州輕工業(yè)學(xué)院本科課程設(shè)計(jì)（論文）題 目 _ _學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 院 （系） 指導(dǎo)教師(職稱) 完成時(shí)間 2014年02月24日 基于微控制器的PWM(雙極式)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要本文主要研究了利用MCS-52系列單片機(jī)控制PWM信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法。本文中采用了專門(mén)的芯片組成了PWM信號(hào)的發(fā)生系統(tǒng)，并且對(duì)PWM信號(hào)的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過(guò)軟件編程對(duì)PWM信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制其輸入信號(hào)波形等均作了詳細(xì)的闡述。另外，本系統(tǒng)中使用了測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)濾波電路后，將測(cè)量值送到A/D轉(zhuǎn)換器，并且最終作為反饋值輸入到單片機(jī)進(jìn)行PI運(yùn)算，從

2、而實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)速度的控制。在軟件方面，文章中詳細(xì)介紹了PI運(yùn)算程序，初始化程序等的編寫(xiě)思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn)。關(guān)鍵詞 PWM信號(hào)/測(cè)速發(fā)電機(jī)/PI運(yùn)算/直流電動(dòng)機(jī)1 緒論采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開(kāi)關(guān)控制方式，形成脈寬調(diào)制變換器直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。脈寬調(diào)制變換器是把脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的一種直流斬波器，脈寬調(diào)制，是利用電力電子開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流電壓變成連續(xù)的直流脈沖序列，并通過(guò)控制脈沖的寬度或周期達(dá)到變壓的目的。與V-M系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機(jī)在四象限

3、運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右；（5）低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。雙極式控制方式的不足之處是：在工作過(guò)程中，4個(gè)開(kāi)關(guān)器件可能都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。由于有以上優(yōu)點(diǎn)直流PWM系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能中，已完全取代了V-M系統(tǒng)。為達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電動(dòng)機(jī)都是在閉環(huán)控制下運(yùn)行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截止負(fù)反饋2系統(tǒng)構(gòu)成和原理直流雙極式

4、可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)的組成見(jiàn)附錄1。圖中可逆PWM 變換器主電路系采用MOSFET 所構(gòu)成的H 型結(jié)構(gòu)形式，它由四個(gè)功率MOSFET管和四個(gè)續(xù)流二極管組成的雙極式PWM 可逆變換器，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機(jī)上可得到+或-的直流電壓。PWM變換器的作用是：用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。TG 是與直流電動(dòng)機(jī)連動(dòng)的測(cè)速發(fā)電機(jī)，經(jīng)過(guò)速度變換器FBS后可獲得一反映轉(zhuǎn)速變化的速度反饋信號(hào)，此信號(hào)接入速度調(diào)節(jié)器ASR 的反饋輸入端，G為電壓給定器，可提供正、負(fù)電壓，電壓大小可以調(diào)節(jié)。SG3525 為脈寬調(diào)

5、制器。R1、C1、VD1、R2、C2、VD2 構(gòu)成邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)。二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟姡Ｇ闆r下，交流輸入為380V，經(jīng)過(guò)整流后變?yōu)?20V直流電，電阻R1為起動(dòng)限流電阻,在VT1 和VT4的源極回路中，串接兩個(gè)取樣電阻，其上的電壓分別反映流過(guò)VT2、VT4的電流,經(jīng)過(guò)差分放大輸出一反映電流大小的電壓，可作為雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流反饋信號(hào)，接到電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入端。回路中的電阻R2 有兩個(gè)作用。第一，可以用來(lái)觀察波形,其上的電壓波形反映了主回路的電流波形。第二，作為過(guò)流保護(hù)用。當(dāng)R2的電壓超過(guò)整定值后，過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作，關(guān)閉脈沖，從而保護(hù)功率MOSFET管3電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

6、的設(shè)計(jì)3.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計(jì)要求?？傮w方案簡(jiǎn)化圖如圖1所示。圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖3.2電流調(diào)節(jié)器及反饋電路設(shè)計(jì)設(shè)置電流調(diào)節(jié)器是為了充分的利用電機(jī)允許的過(guò)載能力，在系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程中，始終保持電流為允許的最大值，使系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動(dòng)，制動(dòng)，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，保證系統(tǒng)具有

7、良好的快速響應(yīng)的性能。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，又讓電流立即降低下來(lái)。本系統(tǒng)中的電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，這是因?yàn)镻I調(diào)節(jié)器的比例部分可以提高系統(tǒng)的快速性，積分部分可以消除電流靜差，是系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)。電流調(diào)節(jié)器處于雙閉環(huán)的內(nèi)環(huán)中，此內(nèi)環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò) 程中，電流調(diào)節(jié)器的給定值隨著轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出值改變而改變。由于運(yùn)放的飽和原因，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出值不能無(wú)限制的增長(zhǎng)，所以當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來(lái)限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)作用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動(dòng)回復(fù)正常。此外電流環(huán)對(duì)電網(wǎng)電壓起及時(shí)抗擾作用由于電流檢測(cè)中常常含有交流分量，為使

8、其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時(shí)間常數(shù)，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。為了平衡反饋信號(hào)的延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時(shí)間上配合恰當(dāng)。CoiUcUi*-UiR0/2R0/2R0/2R0/2RiRbalCiCoi圖3.2電流反饋電路主要參數(shù)確定：根據(jù)初始數(shù)據(jù)，可得出：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)ASR限幅值，電流反饋系數(shù)電力電子變換器放大系數(shù)電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是，為了基本濾平波頭，應(yīng)有，因此取。整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路的平均失控時(shí)間s。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小

9、時(shí)間常數(shù)近似處理，取。電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇電流環(huán)的重要作用就是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，因而在突加控制作用時(shí)不希望有超調(diào)，或者超調(diào)量越小越好。在一般情況下，當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)之比時(shí)，典型I型系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時(shí)間還是可以接受的，因此一般多按典型I型系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)電流環(huán)。電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成： （4-1）式中：為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；為電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和的選擇。電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，應(yīng)取，因此故電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為：校驗(yàn)近似條件以上的結(jié)

10、果是在一系列假定條件下得出的，現(xiàn)將所用過(guò)的假定條件歸納如下，具體設(shè)計(jì)時(shí)，必須校驗(yàn)這些條件 。電流環(huán)截止頻率晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：，效驗(yàn)計(jì)算：，滿足近似條件。忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的近似條件：，效驗(yàn)計(jì)算：，滿足近似條件。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，效驗(yàn)計(jì)算：，滿足近似條件。電流調(diào)節(jié)器的電阻和電容計(jì)算按照電流調(diào)節(jié)器所用放大器取，各電阻和電容值計(jì)算如下，可取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。電流閉環(huán)后，改造了控制對(duì)象，加快了電流跟隨作用。這說(shuō)明了多環(huán)控制系統(tǒng)中局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）的一個(gè)重要功能。4.2.1電流環(huán)等效閉環(huán)傳遞函數(shù)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的

11、電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，須求出它的等效傳遞函數(shù)。其閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （4-2）轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率一般較低，因此傳函可降階近似為：  （4-3）3.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器及其反饋電路設(shè)計(jì)ASR的輸入信號(hào)來(lái)自給定環(huán)節(jié)的輸出值和測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出值。為例滿足系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)的要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用比例積分放大器。其輸出信號(hào)作為電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)有正負(fù)限幅，限幅值在反饋電壓輸入端和給定電壓輸入端均設(shè)有無(wú)源T型濾波環(huán)節(jié)，濾去高次諧波干擾信號(hào)。場(chǎng)效應(yīng)管FET，保證系統(tǒng)停車(chē)時(shí)，本調(diào)節(jié)器鎖零由測(cè)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，由初始條件知濾波

12、時(shí)間常數(shù)。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相同時(shí)間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖3.4 轉(zhuǎn)速反饋電路4.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇     為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，同時(shí)從動(dòng)態(tài)性能上看，調(diào)速系統(tǒng)首先需要有較好的抗擾性能，因此選擇典型型系統(tǒng)。要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （4-4）式中：為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。5.1時(shí)間常數(shù)的確定電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)，按小時(shí)間常數(shù)近似處理52轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

13、參數(shù)的選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和。至于中頻寬h應(yīng)選多大，按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法，按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益于是，ASR的比例系數(shù)為：4.2.1 電流參數(shù)的校驗(yàn)校驗(yàn)近似條件：電流環(huán)截止頻率校驗(yàn)PWM調(diào)壓系統(tǒng)傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足。因?yàn)?，所以滿足近似條件。校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的近似條件是否滿足?，F(xiàn)在，滿足近似條件。校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)近似處理是否滿足條件?，F(xiàn)在，滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和近似條件。4.2.2 轉(zhuǎn)速參數(shù)的校驗(yàn)校驗(yàn)近似條件：轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件是否滿足。，滿足簡(jiǎn)化條件。校驗(yàn)小時(shí)間常

14、數(shù)近似處理是否滿足。，滿足近似條件。4.2.3 校驗(yàn)退飽和轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表得，n=37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于這是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)z=0，已知直流電機(jī)參數(shù)：，電樞回路總電阻；PWM裝置放大系數(shù)；時(shí)間常數(shù)，； 當(dāng)時(shí) ；而因此均滿足設(shè)計(jì)要求。5仿真調(diào)試及結(jié)果分析5.1 Simulink仿真調(diào)試由于雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算采用的工程近似處理的方法，所得出的參數(shù)與實(shí)際最佳參數(shù)有微小的偏差，用計(jì)算出的參數(shù)仿真時(shí)，實(shí)際效果可能并不是很理想，所以在實(shí)際中需要對(duì)各調(diào)節(jié)器

15、參數(shù)微調(diào)，至出現(xiàn)最接近理論最佳為好。5.1.1動(dòng)態(tài)模型仿真圖5.1為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型圖：圖5.1系統(tǒng)仿真模型圖5.2為系統(tǒng)在一秒鐘內(nèi)電機(jī)空載啟動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速變化曲線：圖5.2 電機(jī)空載啟動(dòng)圖5.3為系統(tǒng)在一秒鐘內(nèi)滿載啟動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速變化曲線：圖5.3 額定負(fù)載啟動(dòng)圖5.4為系統(tǒng)在運(yùn)行0.5后加額定負(fù)載時(shí)電流和轉(zhuǎn)速的變化曲線：圖5.4 系統(tǒng)抗干擾檢測(cè)圖5.5為測(cè)試系統(tǒng)跟隨性能時(shí)電流和轉(zhuǎn)速的變化曲線：圖5.5 轉(zhuǎn)速跟隨檢測(cè)5.1.2硬件模型仿真圖5.6為硬件仿真總電路圖圖5.6 硬件電路圖5.7為H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM波形：圖5.7 雙極式PWM波形圖5.8為系統(tǒng)在1.5s內(nèi)電機(jī)空載啟動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速變化曲

16、線：圖5.8 空載啟動(dòng)圖5.9為系統(tǒng)在1.5s內(nèi)滿載啟動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速變化曲線：圖5.9 滿載啟動(dòng)圖5.10為系統(tǒng)在0.8s時(shí)滿載電流和轉(zhuǎn)速變化曲線：圖5.10 抗干擾檢測(cè)圖5.11為測(cè)試系統(tǒng)跟隨性能時(shí)電流和轉(zhuǎn)速的變化曲線：圖5.11 轉(zhuǎn)速跟隨檢測(cè)5.2 結(jié)果分析眾觀以上仿真，電流和轉(zhuǎn)速的變化基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的抗干擾性能，跟隨性能，帶負(fù)載性能各項(xiàng)指標(biāo)均正常。雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動(dòng)過(guò)程波形的。按照ASR在起動(dòng)過(guò)程中的飽和情況，可將起動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動(dòng)時(shí)間上看，階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)

17、基本上實(shí)現(xiàn)了電流受限制下的快速起動(dòng)，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn)，就是轉(zhuǎn)速必超調(diào)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，ASR的作用是對(duì)轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時(shí)無(wú)靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。ACR的作用是電流跟隨，過(guò)流自動(dòng)保護(hù)和及時(shí)抑制電壓波動(dòng)?？?結(jié)課程設(shè)計(jì)是實(shí)踐課的一種，在很大程度上實(shí)現(xiàn)了動(dòng)手與動(dòng)腦，理論與實(shí)際的相互結(jié)合，既是對(duì)工業(yè)環(huán)境的一個(gè)簡(jiǎn)單縮影，又是對(duì)理論知識(shí)的一種檢驗(yàn)，很好地實(shí)現(xiàn)了從書(shū)本到實(shí)際操作的一個(gè)過(guò)渡。通過(guò)這次課設(shè)，我不僅在知識(shí)上有了進(jìn)一步的鞏固和提高，在求學(xué)和研究的心態(tài)上也有不小的進(jìn)步。我想無(wú)論是在學(xué)習(xí)還是在生活上只有自己有心去學(xué)習(xí)和參與才可能有收獲，這也算是課設(shè)給我的一點(diǎn)小小的感悟。我深感要注重理論聯(lián)系實(shí)際。以前一直覺(jué)得理論知識(shí)離我們很遠(yuǎn)，經(jīng)過(guò)課程設(shè)計(jì)，才發(fā)現(xiàn)理論知識(shí)與生活的聯(lián)系。這大大