直流调速课设

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图2-2整流变压器原理图
变压器参数选择:
a.变压器二次侧相电压有效值为
b.整流变压器的标称功率为
注:U 为电动机额定电压,取220V;I 为电动机额定电流,取53.5A
3电力二极管参数计算
本设计为双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下:整流二极管的计算:根据二极管的最大整流平均IF 和最高反向工作电压UR分别应满足:电力二极管的选择:
数字式PWM可逆直流调速系统
于力一
(燕山大学 电气工程学院)
摘 要:本文主要介绍一种基于STM32单片机的数字式PWM可逆直流调速系统的设计。设计PWM变换器作为调速系统的可控直流电源,通过配置STM32的输出PWM模式,利用寄存器TIMx_ARR和TIMx_CCRx生成频率和占空比可调的单极性PWM波。通过高速光耦合器PS7801和半桥驱动器IR2104实现PWM波对H桥功率器件IGBT导通与关断的控制。控制不同的IGBT的导通与关断,改变PWM波的占空比即可实现对电机运动方向和转速的调节。通过设计转速调节器和电流调节器实现双闭环控制系统,用编码器和电流传感器将控制系统的电流和转速数字化反馈给调节器,对转速实现高精度控制。调节器设置为PI调节器,既可以做到快速响应又可以消除静态误差,实现速度快速精准地跟踪给定。
绘制系统电路图。
应用:根据系统要求选择合适的传感器对系统参数进行测量。



1完成设计说明书一份(包括原理的简要说明和主要参数的计算过程);文稿用
钢笔或圆珠笔书写,字迹应工整、清晰(打印也可);
2 绘制电气原理图(包括主电路、控制回路)A2图纸一张,可用铅笔绘制或用
计算机绘制打印,应符合相关制图标准。
图2-6PWM功率放大驱动电路
IR2104S是一种半桥驱动器,引脚功能如表一
IR2104S引脚说明:
表一IR2104S引脚功能表
符号
定义
Min
Max
Units
高侧浮动电源电压的绝对
+10
+20
V
高侧浮动电源偏置电压
600
高侧浮动输出电压
VS
VB
低压侧和逻辑固定电源电压
10
20
低侧输出端
0
逻辑输入电压
关键词:stm32单片机 PWM变换器 双闭环 可逆系统
一、系统总体设计方案
1课设背景
直流电动机具有良好的启动、制动性能,宜于在宽范围内平滑调速,在许多需要调速和(或)快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。调节电动机转速的方式分为调压调速、弱磁调速和调节电枢回路电阻调速,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最好。随着电力电子技术的发展,可控直流电源主要有两大类,第一类是相控整流器,它把交流电源直接转换成可控的直流电源;第二类是直流脉宽变换器,它先用不可控整流把交流电变成直流电,然后用PWM脉宽调制方式调节输出的直流电压。与V-M系统相比,直流PWM调速系统在很多方面有较大的优越性:




第1周:查阅相关资料,分析并确定控制方案,完成简装操作电路;主回路
的设计、计算,并确定主要元器件(包括必要的保护环节),并请指导教师审核;
第2周:转速、电流双闭环直流调速系统调节器参数的设计、计算;电气
原理图设计;绘制硬件电路原理图(A2),并严格执行电气原理图绘图标准,并
规定主回路用粗实线、控制回路用细实线;撰写课程设计说明书,并注意文字、
课程设计说明书
题目:数字式PWM可逆直流调速系统
学院(系):电院自动化系
年级专业:14级过程控制
学 号:************
***************
指导教师:孙 浩 杨晟刚
教师职称:讲 师 讲 师
燕山大学课程设计(论文)任务书
院(系):电气工程学院 基层教学单位:自动化系
学 号
140103010042
图2-3交流侧保护电路
其中C和R的计算公式为


在公式中: S——变压器每相平均电压计算容量,单位VA
—— 变压器二次侧相电压有效值,单位 V
——变压器激磁电流百分数
——变压器的短路
4.2直流侧过电压保护
PWM变换器的直流电源由交流电网经不可控的二极管整流器产生,并采用大电容 滤波,以获得恒定的直流电压 。由于电容容量较大,突加电源时相当于短路,势必产生很大的充电电流,容易损坏整流二极管,为了限制充电电流,在整流器和滤波电容之间传C23入电阻R7,合上电源后,用延时开关将R7短路,以免在运行中造成附加损耗。由于直流电源靠二极管整流器供电,不可能回馈电能,电动机制动时只好对滤波电容充电,这式电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压,用镇流电阻R24消耗掉这些能量,在泵升电压达到允许值时接通Q115。
图1.6双闭环直流调速系统的稳态结构
图1-7双闭环直流调速系统静特性
5.3各变量的稳态工作点和稳态参数计算
双闭环调速系统在稳态工作中,当两个调节器都不饱和时,各变量之间有下列关系
(1-1)
(1-2)
(1-3)
上述关系表明,在稳态工作点上,转速n是由给定电压 决定的;ASR的输出量 是由负载电流 决定的;而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id,或者说,同时取决于 和 。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量,而PI调节器则不然,其输出量的稳态值与输入无关,而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值,它就能提供多少,直到饱和为止。所以,
额定电压:
取1000V
额定电流: 取70A
查表得取二极管型号为ZL06
4保护电路
4.1交流侧过电压保护
在变压器副边并联电阻和电容,可以把变压器铁芯释放的磁场的能量转换为电场能量并储存再电容中,因为电容不可以使两端电压突变,所以可以达到抑制过电压的目的,而串入电阻的目的是为了在能量转换的过程中消耗一部分能量,从而防止因变压器漏感和并联电容构成的震荡回路在闭合时产生的过电压,抑制了LC回路出现震荡,电路如图2.3所示:
17.4
5双闭环直流调速系统
5.1双闭环可逆系统设计流程图
图1-4双闭环调速系统设计流程图
5.2稳态结构图和静特性
双闭环直流调速系统的稳态结构如图1.6所示,两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压 决定了电流给定的最大值,电流调节器ACR的输出限幅电压 限制了电力电子变换器的最大输出电压 ,图中带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时,输出达到限幅值,输入量的变化不再影响输出,除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。当调节器不饱和时,PI调节器工作在线性调节状态,其做用是输入偏差电压 在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随,希望电流调节器不要进入饱和状态。
1)主电路简单,需要的电子电力器件少;
2)开关频率高,电流容易连续,谐波少,电动机损耗及发热都较少;
3)低速性能好,稳速精度高,调速范围宽;
4)若与快速响应的电动机配合,则系统频带宽,动态响应快,动态抗扰能力强;
5)电力电子开关器件工作在开关状态,导通损耗小,当开关频率适当时,开关损耗也不大,因而装置效率较高;
5.2PWM功率放大驱动电路设计
PWM波可以由STM32F103V8T6单片机通过编程来得以产生,当他频率太低时,其产生的电磁噪声就比较大,在实际用用当中,当PWM频率在 10KHz左右时,效果最好。在本系统内,采用单片机的TIM_PWM功能输出两路PWM,经过PS8701输入到IR2104S的输入端,由IR2104S处理输出两路极性相反的PWM驱动IGBTVG1,VG2,VG3和VG4,进而控 制电机转速和转向。如图2.6所示。
控制软件一般采用转速、电流双闭环控制,电流环为内环,转速换为内环,内环采样周期小于外环采样周期。为抗扰动,采用阻容电路滤波,可采用软件滤波和硬件滤波相结合的方法。
图1-1数字式PWM可逆直流调速系统硬件图
3PWM脉冲调制
数字PWM信号由STM32单片机产生,脉冲宽度调制模式可以产生一个由TIMx_ARR寄存器确定频率、由TIMx_CCRx寄存器确定占空比的信号。在TIMx_CCMRx寄存器中的OMxM位写入‘110’(PWM模式1)或‘111’(PWM模式2),能够独立地设置每个OCx使出通道产生一路PWM。必须设置TIMx_CCMRx寄存器OCxPE位以使能相应的预装载寄存器,最有还要设置TIMx_CR1寄存器的ARPE位,(在向上计数或中心对称模式中)使能自动装载的预装载寄存器。STM32产生PWM波用到的寄存器和定时器如图1.3所示,PWM波的占空比和频率的调节原理示意如图1.2所示。
6)直流电源采用不控整流时,电网功率因数比相控整流器高。
由于有上述优点,直流PWM调速系统的应用日益广泛,特别在中、小容量的高动态性能系统中,已经完全取代了V-M系统。
2数字式PWM可逆直流调速系统硬件概述
三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源,再经过直流PWM变换器得到可调的直流电源,给直流电动机供电。检测回路包括电流、转速检测。此外,还具备故障检测功能,对泵升电压进行限制。数字控制器是系统核心,选用STM32,其本身带有A/D转换器、通用I/O和通信接口和PWM生成功能。
图表、及格式的规范化;最后进行答辩。




1《电力拖动自动控制系统》陈伯时主编(教材)
2《电力电子变流技术》黄俊主编(教材)
3《电力拖动自动控制系统习题例题集》童福尧(教材)
4《电气控制》李仁主编(教材)
指导教师签字
孙浩,杨晟刚
基层教学单位主任签字
刘福才
说明:此表一式二份,学生、指导教师各一份。
2017年7 月 2日
学生姓名
于力一
专业(班级)
过控1班
设计题目
数字式PWM可逆直流调速系统






1调速范围D=20,静差率S≤5%。在整个调速范围内要求转速无级、平滑可调;
2动态性能指标:电流环超调量 ≤5%;空载起动到额定转速时的转速超调
量 ≤10%。
3采用第二组电机额定参数(详见附页)。




系统组成:设计直流拖动系统的主回来自百度文库,控制回路,并合理选择元器件参数。
额定转速(rpm)
1500
1450
2000
额定励磁
电压220V
电流0.61A
(Kg.. )
0.56
0.18
电动机电枢电阻Ra(Ω.20℃)
0.28
电动机电枢电感La(mH)
8.85
其他参数
名称
数值
整流侧内阻Rn(Ω)
0.2
整流变压器漏感 (mH)
1.3
电抗器直流电阻 (Ω)
0.13
电抗器电感 ( mH )
图2-4快速熔断器短路保护保护电路
整流变压侧电流电压:
电压 取136V
电流二次侧;
一次侧:
变压器平均容量:
5PWM生成电路
5.1STM32最小系统设计
图2-5单片机最小系统
单片机最小系统是控制系统的核心,设计时必须充分考虑抗干扰、防静电和运行的稳定性。STM32F103TBT6 单片机内部各个模块都已经从单片机内部引出,只有 PLL 电路使用内部的稳压,其他各个部分都要自己外接电源, 外接各模块电源必须通过0欧电阻或者电感隔离开,防止外部电源波动影响 单片机正常工作。由于成本的需要,下载器选择 ST-LINK。
转速反馈系数
电流反馈系数
二、主回路设计及器件选择
1主回路的设计
桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图2.1所示。PWM变换器的直流电源由交流电网经不可控的二极管整流器产生,并采用大电容滤波,以获得恒定的直流电压提供点数电压。
图2-1桥式可逆直流脉宽调速系统主电路
2变压器参数计算
由于△接法是可以给基次谐波提供通路的,可以减少基次谐波的影响,因此整流变压器采用△/Y接法,接线原理图如下所示:
图2.4直流侧保护电路
4.3快速熔断器短路保护
熔断器的作用:当电路发生故障或异常时,伴随着电流不断升高,可能损坏电路中的某些重要器件,也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若安装熔断器,则熔断器就会在电流异常升高到一定高度的时候,自身熔断,切断电流,从而起到保护电路的作用。
为了防止主电路过电流,在主电路串入熔断器进行过电流保护, 为了防止由于电流过大而烧毁电力二极管,在二极管回路上加快速熔断器,如图2.4所示:
0
SD
逻辑输入电压使能
0
COM
GND
图1-2PWM波的占空比和频率的调节原理
图1-3单片机脉冲宽度调制模式工作原理
4电机的技术参数
主要参数
直流电动机
直流发电机
测速发电机
型号
Z2-61
Z2-42
ZYS-3A
额定容量(KW)
10
3.5
0.022
额定电压(V)
220
230
110
额定电流(A)
53.5
15.3
0.22
最大电流(A)
80.25
22.95
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