转速、电流双闭环可逆直流PWM调速系统设计

题目：转速、电流双闭环可逆直流

PWM调速系统设计

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起始时间： 2016年6月6日--6月17日

摘要

直流脉宽变换器，或称为直流PWM变换器，是在全控型电力电子器件问世以后出现的能取代相控整流器的直流电源。根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类。

电流截至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，以某物理量作为负反馈控制，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，就可以构成电流闭环。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、转速作为外环的双闭环调速系统。

利用单片机实现对直流电动机的双闭环调速，此系统使直流电机具有优良的调速特性，调速方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，制动和反转，能满足生产过程自动化系统的各种特殊运行要求。

关键词：双闭环，PWM，直流电动机，单片机

目录

摘要 (1)

一、设计的目的及意义 (3)

二、设计要求 (3)

三、双闭环直流调速系统 (4)

3.1、双闭环直流调速系统的原理 (4)

3.2、双闭环直流调速系统的静特性分析 (6)

3.3双闭环直流调速系统的数学模型 (8)

四、转速环、电流环的设计 (10)

4.1、转速调节器、电流调节器在直流双闭环系统中的作用 (10)

4.2、调节器的具体设计 (10)

4.3、电流环的设计 (11)

4.4、速度环的设计 (12)

五、PWM可逆直流调速系统 (14)

5.1、PWM变换器 (14)

5.2、整流电路 (15)

5.3、泵升电路 (16)

六、控制电路的设计 (16)

6.1、单片机 (16)

6.2、测速电路 (17)

6.3、键盘电路 (17)

七、双闭环可逆直流PWM调速系统的仿真 (18)

八、结论 (20)

附录 (21)

附录A (21)

附录B (22)

参考文献 (23)

一、设计的目的及意义

1、训练学生正确的应用运动控制系统，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。

二、设计要求：

设计一个转速、电流双闭环控制PWM可逆直流调速系统，电动机控制电源采用

H型PWM功率放大器，其占空变化为0～0.5～1时，对应输出电压为-264～264v, 为电机提供的最大电流为25A，速度检测采用光电编码器，且其输出的A、B两相脉冲经光电隔离后获得每转1024个脉冲角度分辨率和方向信号；电流传感器采用霍尔传感器，其原、副边电流比为1000:1，额定电流50A，已知直流电动机：电动势系数e C=0.135 V·min/r , 主回路总电阻R=2.5Ω,。电流反馈滤波时间

T0=0.015s。额定转速时的给定电压常数i T0=0.0025s,转速反馈滤波时间常数n

(Un*)N =10V,调节器ASR，ACR饱和输出电压Uim*=8V,Ucm =6.5V。H型PWM功率放大器、工作频率为2KHZ，采用单极性、双极性工作方式；直流电源电压264V。直流电动机(一)：

（1）输出功率为:7.5Kw电枢额定电压220V

（2）电枢额定电流36A额定励磁电流2A

（3）额定励磁电压110V功率因数0.85

（4）电枢电阻0.2欧姆电枢回路电感100mH

（5）电机机电时间常数2S电枢允许过载系数1.5

（6）额定转速1430rpm

环境条件:

（1）电网额定电压: 380/220V;

（2）电网电压波动: 10%;

（3）环境温度: -40~+40摄氏度;

（4）环境湿度: 10~90%；

控制系统性能指标:

（1）电流超调量小于等于5%;

（2）空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于10%;

（3）调速范围：D＝10;

（4）静差率小于等于0.1。

三、双闭环直流调速系统

3.1、双闭环直流调速系统的原理

对于经常正、反转运行的调速系统，应尽量缩短启、制动过程的时间，达到图1所示的理想过度过程曲线，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。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，图1所示的理想过度过

I的恒流启=制动程只能得到近似的逼近，其关键是要获得使电流保持为最大值

dm

过程。

图1 时间最优的理想过渡过程

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，以某物理量作为负反馈控制，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，就可以构成电流闭环。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，转速作为外环的双闭环调速系统。

在启、制动过程中，电流闭环起作用，保持电流恒定，缩小系统的过度过程时间。一旦到达给定转速，系统自动进入转速控制方式，转速闭环起主导作用，而电流内环则起跟随作用，使实际电流快速跟随给定值（转速调节器的输出），以保持转速恒定。转速、电流双闭环调速系统的原理图见图2，为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。

转速闭环环节的原理和转速单闭环系统基本一致，只不过它的输出不再作为电力电子变换器的控制电压

U，而是用来和电流反馈量作比较，故被称为电流

c

给定*

U。ASR调节器和ACR调节器的输出都是带限幅作用的，ASR调节器的i

U限制了电力输出限幅电压决定了电流给定的最大值，ACR调节器的输出电压

cm

U。

电子变换器的最大输出电压

dm