【正文】 PWM 變換器作用的是用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)制直流電機的轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速環(huán)的設計 1. 確定時間常數(shù) 1）電流環(huán) 等效時間常數(shù) 1/ IK ：已取 ??iITK ，則 sTK iI ???? ? 2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) onT ：根據(jù)所用測速發(fā)電機波紋情況，取 sTon ? 3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) nT? ：按小時間常數(shù)近似處理，取 0 . 0 1 8 4 s2 in ??? ?? onTTT 2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構 按 照設計要求 ASR 選用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：ssKsW nnnASR ?? )1()( ?? 3. 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 5?h ，則 ASR的超前時間常數(shù)為： shT nn ???? ?? 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益： 22222 62 1 ?? ?????? sThhK nN 于是 ASR 的比例系數(shù)為： ? ? 1 ????? ??????? nmen RTh TChK ? ? 4. 檢驗近似條件 1） 轉(zhuǎn)速截止頻率 為 ： 11 ?????? sKK NN n ??? ； 2） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： iI TK ?? /3/1? ，由于 iI sTK ????? ?? ，滿足簡化條件； 3）轉(zhuǎn)速環(huán) 小時間常數(shù)近似處理條件：onI TK31?? ，由于 8 課 程 設 計 用 紙 教師批閱 onI sTK ????? ? ，滿足近似條件。 綜上所述 ，電流環(huán)滿足動態(tài)設計指標要求和近似條件。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用 PI 型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： ssKsW iiiACR ?? )1()( ?? 檢查對電源電壓的抗擾性能： ??? il TT ，各項指標都能接受，因此設計成典型 I 型系統(tǒng)。 2. 確定時間常 數(shù) 1） 整流裝置滯后時間 間 常數(shù) sT ：三相橋式電路的平均失控時 sTs ? ； 2） 電流濾波時間常數(shù) oiT ：三相橋式電路每個波頭的時間是 ，為了 基本平波頭，應有（ 1～ 2） oiT =，因此取 smsT oi 0 0 2 ?? ； 3 ） 電 流 環(huán) 小 時 間 常 數(shù) 之 和 iT? ： 按 小 時 間 常 數(shù) 近 似 處 理 ， 取 sTTT oisi ???? 。因此，需要在電流環(huán)的給定與反饋通道上加時間常數(shù)為 oiT 的濾波環(huán)節(jié)，同樣在轉(zhuǎn)速環(huán)的給定 與反饋通道上加時間常數(shù)為 onT 的濾波環(huán)節(jié)。 圖 是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構框圖，圖中虛線所框的是電流環(huán)部分 ，它的反饋信號是電流檢測信號， 由于 電流 檢測信號中常含有交流分量和檢測干擾信號，為了不使它影響到系統(tǒng)的性能，必須加低通濾波環(huán)節(jié)，這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù) T 按需要選定。先從電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）開始，對其進行必要的變換和近似；然后根據(jù)電流環(huán)控制要求確定把電流環(huán)校正為哪類典型系統(tǒng)；按照控制對象確定電流調(diào)節(jié)器的類型及參數(shù)；再根據(jù)電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)；當用微機實現(xiàn)數(shù)字控制時，按照此參數(shù)設計數(shù)字調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器串聯(lián)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器之后，形成以電流反饋作為內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速反饋作為外環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。用一個調(diào)節(jié)器難以兼顧對轉(zhuǎn)速的控制和對電流的控制。而電流截止負反饋環(huán)節(jié)只能限制電動機的動態(tài)電流不超過某一數(shù)值，而不能控制電流保持為某一所需值。對于恒磁通的他勵直流電動機而言，轉(zhuǎn)矩控制就成為了電流控制。即在過渡過程中始終保持轉(zhuǎn)矩為允許的最大 值，使直流電動機以最大的加速度加、減速。 故本次設計采用方案 III。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。 改變電阻調(diào)速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。 fI 變化時間遇到的時間常數(shù)同 aI變化遇到的相比要大得多，響應速度較慢，但所需電源容量小。但是只能進行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；還會在調(diào)速電阻上消耗大量電能。并以此為基礎，再對交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究，最終掌握各種交、 直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應用于國民經(jīng)濟各個生產(chǎn)領域。 1 課 程 設 計 用 紙 教師批閱 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系計 摘要 直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點， 因此本次設計 基于單片機 89S51 芯片 建立了 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 的數(shù)學模型 ,設計了一套實驗用 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) ， 并詳細分析系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能，且利用 Simulink 對系統(tǒng)進行各種參數(shù)給定下的仿真。 關鍵詞： 直流電機、 單片機 89S5 雙閉環(huán) 可逆、 PWM 調(diào)速 、 仿真 2 課 程 設 計 用 紙 教師批閱 目錄 第一章 設計的內(nèi)容和要求 …………………………………………… 1 設計的目的及意義 …………………………………… …………………… 1 設計的任務和要求 ………………………………………………………… 1 第二章 方案設計 ……………………………………………………… 2 第三章 理論分析 ……………………………………………………… 3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 ………………………………… 3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型 …………………………… 4 電流環(huán)的設計 ……………………………………………………………… 4 轉(zhuǎn)速環(huán)的設計 …………………………………………………………… … 7 第四章 系統(tǒng) 硬件電路設計 …………………………………………… 9 主電路設計 ………………………………………………………………… 9 控制電路設計 ……………………………………………………………… 9 驅(qū)動電路設計……………………………………………………………… 10 系統(tǒng)反饋檢測電路設計…………………………………………………… 11 光電隔離電路設計………………………………………………………… 13 系統(tǒng)硬件電路原理圖……………………………………………………… 13 第五章 軟件設計 ……………………………………………………… 14 程序流程圖………………………………………………………………… 14 程序清單…………………………………………………………………… 15 第六章 調(diào)試與仿真 …………………………………………………… 16 第七章 總結(jié) …………………………………………………………… 18 附錄 …………………………………………………………………… 19 附錄 I 系統(tǒng)硬件電路原理圖…………………………………………………… 19 附錄 II 程序清單…………………… ………………………………………… 20 參考文獻 ……………………………………………………………… 24 1 課 程 設 計 用 紙 教師批閱 第一章 設計的內(nèi)容和要求 設計的目的及意義 通過對轉(zhuǎn)速、 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關內(nèi)容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使 用效率。 本次設計的目的： （ 2）學生通過課程設計，熟悉運動控制系統(tǒng)應用系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程，軟、硬件設計的工作方法、工作內(nèi)容、工作步驟 （ 3）對學生進行基本技能訓練，例如組成系統(tǒng)、編程、調(diào)試、繪圖等，使學生理論聯(lián)系實際，提高動手能力和分析問題、解決問題的能力 設計的任務和要求 1） 設計的任務及步驟： 分析并測定系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性及其參數(shù)，調(diào)試各單元電路； 根據(jù)測定參數(shù)計算速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)； 系統(tǒng)開環(huán)調(diào)試并測定其開環(huán)機械特性； 系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試并測試系統(tǒng)閉環(huán)靜態(tài)、動態(tài)性能； 2） 內(nèi)容要求： （ 1）畫出控制電路和 主電路原理圖 （ 2）畫出程序流程圖 2 課 程 設 計 用 紙 教師批閱 第二章 方案設計 方案 I： 改變電樞回路電阻 R 在電動機電樞回路外串電阻進行調(diào)速的方法，設備簡單，操作方便。 方案 II： 改變電動機主磁通 ? 改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。 方案 III： 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U 改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉(zhuǎn)速向下變速 ， 屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。 aI 變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應，但是需要大容量可調(diào)直流電源。弱磁調(diào)速范 圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。 因此， 改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。 3 課 程 設 計 用 紙 教師批閱 第三章 理論分析 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，應盡量縮短 短啟、制動過程的時間，達到理想的過渡過程，完成時間最優(yōu)控制