1、本 科 毕 业 设 计不可逆直流 PWM 数字调速系统设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要在自动化控制系统己经在各行各业得到广泛应用和发展的现在，直流调速控制系统作为电气传动的主流在现代化生产中仍起着主要作用。本设计主要研究双闭环直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分和直流电动机部分。长期以来，直流电动机因其调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等优点，一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展，使其在控制领域得到广泛应用。本设计对基于微机控制的双闭环不可逆直流 PWM 调速系统进行了较深
2、入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流 PWM 调速系统的数学模型，充分利用微机硬件和软件发展的成果，将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法运用到本次设计中，在对控制对象全面回顾的基础上，对控制部分展开研究，控制策略和控制算法的探讨等。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了 IGBT 模块应用中驱动电路保护控制等关键技术。在微机控制方面，讨论了数字测速、数字 PWM 调制器、转速与电流控制器的原理，并给出了软、硬件实现方案。设计采用由 DSP 芯
3、片 TMS320LF2402 作为主控芯片，具有成本低、功耗低、高性能、高 A/D 转换速度的特点。转速环的设计按离散系统设计，电流环则先按连续系统设计再进行离散化处理。在检测电路设计中，采用霍尔传感器进行电流检测，采用电压隔离变换器进行电压检测，转速检测电路中，摒弃了模拟测速法，选用了具有测速精度高、分辨能力强、受器件影响小等优点的利用旋转编码器的 M/T 法数字测速进行转速检测。最后通过 MATLAB 系统对纯模拟系统和模拟数字混合系统进行了仿真。关键词：双闭环调速系统；PWM；数字控制；DSP 芯片；MATLAB 仿真IIAbstractDC speed control system,
4、as the mainstream of electric driving in modern production, still has a key role to play when automatic control systems have made widely applied in all kind of fields. This graduation project focuses on the dual - closed loop dc speed control system which consists of three parts, including the contr
5、ol part, power supply part and dc motivation part. DC speed regulation is mainly made up of control device unit, power supply unit and DC motor. For a long time, DC motor has acted as the essential role in the field of electric drive field because it is neatly adjusting, and easily and smoothly timi
6、ng in wide range, also, its control performance is very good.With the rapid development of computer technical, it has been used a wide application in control field. This paper researches un-reversible DC-PWM timing system with dual-closed-loop based on computer control. To begin with the theory of t
7、he DC timing system, it has built up the mathematical model of the un-reversible DC-PWM timing system with a dual-closed-loop gradually, the progeny of the development of microcomputer and software is used sufficiently that propose a new control method combining microcomputer with DC-drive in the de
8、sign. After an overall review of the control object, we put the emphasis the part of control system including the discussion of hardware and software, control policy and algorithm, etc. In hardware section, it fully takes the advantages of microcomputer, such as an abundant interfaces and the fast s
9、peed of calculation, to realize the control of the rotate speed and the whole system. This paper analyzes the principles of the system, the method to improve the performance of the speed adjustment and some key technical issues of the drive circuit protection in the IGBT apparatus. In the aspect of
10、microcomputer control, it has discussed the principle of the digit velocity testing, digit PWM modulator and current controller. On the basis of the discussion, we present a software/hardware combined design to realize it. TMS320LF2402, as the master chip, has the characters of low cost, low power a
11、nd high performance. The speed loop is designed as a discrete system and the current loop has to be operated with a discretization processing after the design of a continuous system at first. In the design of the test circuit, we use the Hall sensor to realize the current test and the voltage isolat
12、ion converter to realize the voltage detection. Rev test circuit abandons the analog speed method and chooses the M/T digit velocity method which is based on the revolving coder. The method has the advantages of the high accuracy, high resolution and small device influences. At last, the simulations
13、 of the analog system and the analog-digital mixed system are presented through the MATLAB softawre.Keywords: double closed loop；PWM ；digital control；DSP；MATLAB simulation目 录III前言 .1第 1 章 绪论 .21.1 设计内容 .21.2 设计要求 .21.3 设计参数 .3第 2 章 系统方案的选择及模型推导 .42.1 控制策略的选择 .42.1.1 单环调速系统的特性及稳态结构比较 .42.1.2 双闭环直流调速系
14、统分析 .52.2 控制方框图推导及仿真 .72.3 数字控制方框图及仿真 .92.4 PWM 变换器工作原理 .11第 3 章 主电路的设计 .133.1 主电路选型和确定 .133.2 变流变压器容量的计算和选型 .133.3 二极管的计算和选型 .153.4 电抗器的计算和选型 .153.5 电容的计算和选型 .163.6 IGBT 的计算和选型 .163.7 保护电路的设计 .163.7.1 二次侧过电压压敏保护 .173.7.2 一次侧过电流保护 .183.7.3 直流侧过电压保护 .183.7.4 二极管的保护电路设计 .193.7.5 IGBT 的保护电路 .20第 4 章 控制
15、电路的设计 .214.1 TMS320LF2402 DSP 资源概述 .214.2 TMS320LF2402 DSP 的程序储存器与数据储存器 .224.3 TMS320LF2402 DSP 的 PWM 管理模块 .234.4 TMS320LF2402 DSP 与键盘的接口 .24IV4.5 TMS320LF2402 DSP 与 IGBT 驱动电路的接口 .254.6 电流检测电路与转速检测电路的设计 .264.6.1 电流检测电路 .264.6.2 电压检测 .264.6.3 转速检测 .27第 5 章 调节器及软件的设计 .285.1 电流调节器的设计 .285.1.1 确定时间常数 .2
16、85.1.2 选择电流调节器的结构 .295.1.3 计算电流调节器的参数 .295.1.4 校验近似条件 .305.1.5 数字量化处理 .305.1.6 二进制转换 .315.2 转速调节器的设计 .315.2.1 控制对象传递函数的离散化 .325.2.2 数字转速调节器的设计 .345.2.3 二进制转换 .365.3 软件程序的设计 .37结论 .39致谢 .40参考文献 .411前言当今，自动化控制系统己经在各行各业中得到了广泛的应用与发展，而直流电动机凭着其具有良好的起、制动性能，宜在大范围内平滑调速的优势，在现代化生产中起着主要作用。因此直流调速系统仍是自动调速系统中的主要形式
17、。在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。直流调速系统主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。近年来，虽然高性能交流调速技术的发展很快，交流调速系统已有逐步取代直流调速系统的趋势，但直流拖动控制系统不仅在理论上和实践上都更为成熟，长期以来，也因直流电动机具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域中占有统治地位。在变压调速系统中，大致可分为可控整流式调速系统和直流 PWM 调速系统两种。PWM是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种
18、非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。相对于可控整流调速系统而言，直流 PWM 调速系统具有以下优点：开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好，稳速精度高，调速范围宽；由于该系统的开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。随着电力电子器件开关性能的不断提高，直流脉宽调制(PWM) 技术也得到了飞速的发展，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全成为了主导者。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，系统中设置了两
19、个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节系统的转速和电流。即转速、电流双闭环控制的直流调速系统。该系统是目前应用最广，性能较好的直流调速系统。在整个系统中，转速环和电流环，二者实行嵌套连接，其中内环为电流环，外环为转速环。调速系统的设计任务主要是合理地选择调节器的结构和参数，以使得系统的性能指标满足生产工艺的要求。调节器可以分为模拟式和数字式的两种，模拟调节器的关键是运用运算放大器等模拟电子电路。而以微处理器为核心的数字控制系统具有的硬件电路标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响；控制软件能够进行逻辑判断和复杂的运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化
20、等控制规律，且更改起来灵活方便。随着微机技术的快速发展，计算机控制技术在控制领域得到了广泛的应用，使得运用微型计算机实现双闭环直流调速系统的设计成为可能，并且能达到比模拟控制系统更优的控制效果。由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。2第 1 章 绪论1.1 设计内容直流电动机因其具有良好的调速及控制性能，在许多领域得到了广泛的应用。当前，在直流调速方面，脉宽调制调速技术的发展尤为迅速，具有相当广阔的应用前景。相对于直流调速方面晶闸管电动机调速系统，脉冲宽度调制（PWM）直流调速系统有着许多无可比拟的优点，如主电路简单，需要的电力电子器
21、件少；开关频率高，电流容易连续；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；动态响应快，动态抗扰能力强等。由于上述优点，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。随着微电子技术、微处理机以及计算机软件的发展，使调速控制的各种功能几乎都可以通过数字化控制来实现。相对于模拟调速系统相对比，数字调速系统技术性能具有静态精度高且能长期保持；易于实现各类自适应和复合控制；调速范围宽；电压波动小；所用元件数量少，不易失效；适用范围广等优势。由此，数字化将在未来的调速设备中得到更大量的应用。本次设计选用由直流 PWM 调制电源和直流电动机等构成的不可逆双
22、闭环直流调制系统，采用由 DSP 芯片 TMS320LF2402 作为主控芯片，采用数字调节器。转速环按离散系统设计，电流环先按连续系统设计再进行离散化。设计主电路、控制电路（包括显示和输入电路）驱动电路、检测电路（测速采用数字方式） ，故障保护电路。直流电源由三相式电经过变压器变压后再经过不控整流桥后电容滤波获得。设计的基本内容：1根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图；2调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件与保护电路等） ；3驱动控制电路的设计与选型；4动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定
23、 ASR 调节器与 ACR 调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求；5绘制直流电动机双闭环直流可逆调速系统电气原理总图，并用 MATLAB 软件进行拖动控制系统仿真（建立传递函数方框图） ，并研究参数变化时对直流电机动态性能的影响。1.2 设计要求1本课题设计由直流 PWM 调制电源和直流电动机等构成的可逆双闭环调制系统，采用由 DSP 芯片 TMS320LF2402 作为主控芯片，采用数字调节器；2转速环按离散系统设计，电流环先按连续系统设计再离散化；3设计主电路、控制电路（包括显示和输入电路）驱动电路、检测电路（测速采用数字方式） ，故障保护电路；34
24、该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（ ） ，系统在工作范围内能稳定工作；0D5系统静特性良好，无静差（静差率 ） ；1.5%s6动态性能指标：转速超调量 ，电流超调量 ，动态最大转速降6n5i，调速系统的过渡过程时间（调节时间） ；7%n 0.8sst7调速系统中设置有过电压、过电流等保护。1.3 设计参数PWM 装置数据： ，器件开关频率为 ；13.0PWMR10KHz负载电机数据: ， ， ， ，kN4VUNAIN530minNnr， ；0.37aR.5系统总电阻 为 ， 。8sTm29.4第 2 章 系统方案的选择及模型推导 2.1 控制策略的选择
25、2.1.1 单环调速系统的特性及稳态结构比较转速开环直流调速系统即无反馈控制的直流调速系统，调节控制电压 就可以改变电cU动机的转速。开环系统的机械特性为：(2-1)开环调速系统的稳态结构图如图 2.1 所示。Uc Ks Ud0+IdR- cC1n图 2.1 开环调速系统稳态结构图在不要求动态特性或电机经常处于恒速运行的传动系统中，可以采用转速开环方案，其硬件结构简单，成本较低，且不需加转速检测和反馈装置。适用于静差率要求不高的场合。在造纸机、轧钢机中要求静差率较高，开环调速系统常常不满足要求，因此必须采用转速闭环调速系统。转速闭环控制可以减小转速降落，降低静差率，扩大调速范围。在负反馈基础上
26、的“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的环路，因此被称作闭环控制系统。在直流调速系统中，被调节的量是转速，所构成的是转速反馈控制的直流调速系统。该系统的静特性方程式为（2-)1()()/1(* KCRIUKCRIUKn edensPsPedn 2）式中： 表示闭环系统的开环放大系数。K闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流间的稳态关系。根据各环节的稳态关系式可以画出采用比例调节器的闭环系统的稳态结构框图，如图 2.2 所示。PKseC1+ - *nUncU0dEn- +RId图 2.2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图edecse
27、dIKIn05采用比例调节器的转速反馈控制直流调速系统虽然有效的解决了调速范围和静差率的矛盾，抑制直至消除扰动造成的影响，但是仍为有静差调速系统。要获得无静差的调速系统，可采用比例积分调节器。转速单闭环反馈控制的直流调速系统还存在着在起、制动过程中和堵转状态时，必须限制电枢电流的问题。为了解决转速反馈闭环调速在启动及堵转状态时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。可以引入电流负反馈，使电流在启动和堵转时不超过允许值。但这种电流负反馈只能在当电流大到一定程度时才出现，叫做电流截止负反馈。带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构图如图 2.3 所示，当 时，电dcrI流负反馈被截止
28、，静特性与只有转速负反馈调速系统的静特性相同，当 后，引入了电流负反馈，静特性变成（2-)1()1( )1()()*KCIRKCUUnedsPecomnsP edcomsePes 3） pKs eC1Rscom dIiUn图 2.3 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统，虽然能够限制电枢电流不超过允许值，但是这种系统在动态过程中不能理想的控制电流（转矩）波形。因此在电机启动及运行时，不能获得良好的动态特性。为了能够直接控制电磁转矩，以获得良好的动态性能，需采用转速、电流双闭环速系统。2.1.2 双闭环直流调速系统分析为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图 2.4 所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出控制电力电子变换器。从闭环结构上看，电流环为内环，转速环为外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速+ *n c0dUEn
