【正文】 些重要器件或貴重器件，也有可能燒毀電路甚至造成火災(zāi)。這種紋波往往是有害的，需要由平波電抗器加以抑制。 整流變壓器的計(jì)算與設(shè)計(jì) 變壓 器二次側(cè)電壓： U2的確定原則是要保證在電動(dòng)機(jī)的整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，整流裝置都能夠提供要求的最大電流值 *Idnom，忽略 IGBT 壓降和換相重疊壓降后可列出下列公式： 電動(dòng)機(jī) Ce= Udm=*U2Ce*Nn+Idm 考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)，取波動(dòng)系數(shù)為 0 .95，則有 : U2=(Ce*Nn+Idm*R)/=(0270*1510+**)/(*)= 整流器視在功率： Sn=3u2I2=3***= KVA 10 故1 13NSI u?，變壓器一次側(cè)電壓一般由供電電源決定取 u1=220V 1 13NSI u?=*1000/(3*220)= A 故變壓器應(yīng)選擇 220V/220V 視在功率為 40KVA 開關(guān)器件 IGBT 參數(shù)計(jì)算與選擇 由經(jīng)驗(yàn)公式得額定電壓為 440V 時(shí)開關(guān)器件 IGBT 的耐壓應(yīng)選 1200V 的 反向最大電壓： U=1200V I==*= 電阻、電容的選 擇 由限流電阻計(jì)算公式： R0= Ud02/Pe= (Ce*Nn+Idn*R) 2 / Pe = 2/15000= 濾波電容器由經(jīng)驗(yàn)公式求得： C1=C2=4uF/V* Ud0=4*= 并聯(lián)電阻一般取 56100kΩ ,則有： R1=R2=56kΩ 整流功率二極管的選擇： 選擇功率二極管的耐壓值： U=(23)Um=(23)*sqr(2)*U2=579~ 通態(tài)電流值： Ita=（ ） Ivt=()*(3)/= 11 選取功率二極管數(shù)據(jù)為： 900V/50A 平波 電抗器 的選擇及計(jì)算 平波電抗器：平波電抗器用于整流以后的直流回路中。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為 12MHz。 中斷控制系 統(tǒng)：該芯片共有 5 個(gè)中斷源，即外部中斷 2 個(gè)，定時(shí) /計(jì)數(shù)中斷 2 個(gè)和串行中斷 1 個(gè)。 串行口：它是用來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器： 8051 芯片內(nèi)部共有 4K 個(gè)單元，用于存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡(jiǎn)稱內(nèi)部 ROM。通常說(shuō)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是指這前 128 個(gè)單元，簡(jiǎn)稱內(nèi)部 RAM。 其 基 本 組 成 如 下 圖 所 示 ： 圖 8051 單片機(jī)基本組成 2． CPU 及 8 個(gè)部件的作用功能介紹如下 中央處理器 CPU：它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。本系統(tǒng)選用我們比較熟悉的 8051 作為微型計(jì)算機(jī)。其中 ,電流環(huán)控制要求微型計(jì)算機(jī)有很快的響應(yīng)速度 ,其采樣頻率比較高。 經(jīng)上述考慮 ,本系統(tǒng)組成的方框圖如圖 所示。 本系統(tǒng)選用光電脈沖信號(hào)發(fā)生器作為速度反饋的測(cè)量元件 ,光電脈沖信號(hào)發(fā)生器將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移量轉(zhuǎn) 換成脈沖序列 ,通過(guò)計(jì)數(shù)器定時(shí)計(jì)數(shù)即可得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)字式反饋量。 6 本系統(tǒng)采用霍爾元件作為檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電樞電流的傳感器 ,其電流容量為 50A,轉(zhuǎn)換比例為 1000： 1。如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則有 nA S R n n 1() sW s K s? ? ?? （ 11） iA CR i i 1() sW s K s?? ?? （ 12） 為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)框圖中必須把電樞電流 dI 顯露出來(lái)。 5 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。 圖 1－ 為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。在電流控制回路中設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)器，專門用于調(diào)節(jié)電流量，從而在調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制。為了提高生產(chǎn)率，要求盡量縮短起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間，最好的辦法是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（即動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 ）為允許的最大值，使系統(tǒng)盡最大可能加速起動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低，進(jìn)入轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。 本設(shè)計(jì)選用雙極性控制的橋式可逆 PWM 變換器。但又不是固定其中一個(gè)橋臂始終為低頻 (輸出基頻 )，另一個(gè)橋臂始終為高頻 (載波頻率 )，而是每半個(gè)輸出電壓周期切換工作，即同一個(gè)橋臂在前半個(gè)周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個(gè)橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對(duì)于選用同樣的功率管時(shí)，使其使用壽命均衡，對(duì)增加可靠性有利。 本設(shè)計(jì)應(yīng)脈寬調(diào)速要求，采用直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用 PWM，用恒定直流或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流靜止可控整流器又稱 VM 系電壓。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡(jiǎn)稱 GM 系統(tǒng)，用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。電樞回路總電阻為 R=Ra+Rrec=，系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm=，電磁時(shí)間常數(shù) Tl=，電動(dòng)勢(shì)系數(shù) Ce=*min/r。 本系統(tǒng)采用 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，調(diào)速范圍 01500r/min,電流過(guò)載倍數(shù)為 倍，速度控制精度為 %（額定轉(zhuǎn)速時(shí)）。 第一章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 第一節(jié) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案選擇與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的質(zhì)量。文章中采用了專門的芯片組成了 PWM 信號(hào)的發(fā)生系統(tǒng)，然后通過(guò)放大來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒(méi)有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為 PWM 控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù)。直到進(jìn)入上世紀(jì) 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。在軟件方面，文章中詳細(xì)介紹了 PI 運(yùn)算程序，單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 波形的程序，初始化程序等的編寫思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn)， M 法數(shù)字測(cè)速及動(dòng)態(tài) LED 顯示程序設(shè)計(jì)， A/D 轉(zhuǎn)換程序及動(dòng)態(tài)掃描 LED 顯示程序和故障檢測(cè)程序及流程圖。此外，本文中還采用了芯片 IR2112S 作為直流電機(jī)正轉(zhuǎn)調(diào)速功率放大電路的驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)完成了在主電路中對(duì)直流電機(jī)的控制。 1 摘 要 本文主要研究了利用 MCS51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。文章中采用了專門的芯片組成了 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)中使用了光電編碼器對(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，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)速度的控制。 關(guān)鍵詞： PWM 信號(hào) 直流調(diào)速 雙閉環(huán) PI 調(diào)節(jié) 前 言 本文主要研究了利用 MCS51 系列單片機(jī)，通過(guò) PWM 方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法。 PWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論 為理論基礎(chǔ)，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。 PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和 2 自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用， PWM 控制技術(shù) 獲得了空前的發(fā)展。 PWM 控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。 本文就是利用這種控制方式來(lái)改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。利用編碼器測(cè)得電機(jī)速度，經(jīng)過(guò)濾波電路得到直流電壓信號(hào)，把電壓信號(hào)輸 入給 A/D 轉(zhuǎn)換芯片最后反饋給單片機(jī)，在內(nèi)部進(jìn)行 PI 運(yùn)算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。根據(jù)電機(jī)的型號(hào)及參數(shù)選擇最優(yōu)方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運(yùn)行。 系統(tǒng)控制對(duì)象的確定 本次設(shè)計(jì)選用 直流電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù) 直流電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù) PN=15kW、 UN=440V、IN=、 nN=1510 r/min，電流過(guò)載倍數(shù) λ=。 電動(dòng)機(jī)供電方案選擇 3 變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有 3 種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。適用于調(diào)速 要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變 Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。 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： 一、 主電路線路簡(jiǎn)單，需要的功率器件少； 二、 開端頻率高 ，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較?。? 三、 低速性能好，穩(wěn)速精度該，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1： 10000 左右； 四、 若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)； 五、 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，道通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高； 六、 直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流高。 晶體管 PWM 功率放大器方案選擇 方案一 單極性 控制方式，這種控制方式 的特點(diǎn)是在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開關(guān)頻率互補(bǔ)開關(guān)，保證可以得到 理想的正弦輸出電壓：另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開關(guān)損耗。 方案二 雙極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是 4 個(gè)功率管都工作在較高頻率 (載波頻率 )， 雙極性控制的橋式可逆 PWM 變換器有以下優(yōu)點(diǎn)： 1） 電流一定連續(xù)； 2） 可使電機(jī)在四象限運(yùn)行； 3） 電機(jī)停止時(shí)有微振電流，可以消除靜摩擦死區(qū)； 4 4） 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1： 20200 左右； 5） 低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于器件的可靠導(dǎo)。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理 隨著調(diào)速系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，傳統(tǒng)的采用 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)節(jié)，又能較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)只能滿足一般生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速要求。要實(shí)現(xiàn)上述要求，其唯一的途徑就是采用電流負(fù)反饋控制方法，即采用速度、電流雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)中采用了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)現(xiàn)串級(jí)連接。圖中兩個(gè)調(diào)節(jié)器 ASR 和 ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和 電流調(diào)節(jié)器，二者串級(jí)連接，即把轉(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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。 兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅， ASR 的輸出限幅什 Uim決定了電流調(diào)節(jié)器 ACR 的給定電壓最大值 Uim，對(duì)就電機(jī)的最大電流；電流調(diào)節(jié)器 ACR 輸出限幅電壓 Ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角 α。圖中 ASR()Ws和 ACR()Ws分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要 求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為全數(shù)字式控制方式，因此要求微型計(jì)算機(jī)完成：電流環(huán)控制器運(yùn)算、速度環(huán)控制器運(yùn)算、位置環(huán)控制器運(yùn)算，以及與它們相應(yīng)的反饋信號(hào)的采樣和數(shù)字信號(hào)處理?；魻栐z測(cè)得到的弱電流信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、濾波、放大后 ,變成與電樞電流成比例的 0~5V的直流電壓信號(hào) ,再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換電路 ,將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ,輸入微型計(jì)算機(jī)。本系統(tǒng)由微型計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制 ,用全數(shù)字方式來(lái)取代傳統(tǒng)的模擬控制方式 ,不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性 ,而且還為整個(gè)系統(tǒng)的多功能、智能化提供了必要條件。 圖 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方框圖 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 所示 數(shù)字式位置控制器 數(shù)字式速度控制器 數(shù)字式電流控制器 數(shù)字式 PWM信號(hào)發(fā)生器 PWM 功率放大器 M 信號(hào)轉(zhuǎn)換濾波放大 A/D 轉(zhuǎn)換 . PG 光電隔離倍頻變向 位置可逆計(jì)數(shù)器 數(shù)字式速度測(cè)量計(jì)數(shù)器 位置給定 + 霍爾元件 + 7 圖 數(shù)字式 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 8051 單片機(jī)簡(jiǎn)介 本系統(tǒng)要求微型計(jì)算機(jī)完成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的控制算法運(yùn)算以及相應(yīng)的反饋信號(hào)數(shù)字化測(cè)量和采樣 ,接收和處理上位微型計(jì)算機(jī)送給伺服系統(tǒng)的指令 ,采集伺服系統(tǒng)的有關(guān)信息并反饋到上位微型計(jì)算機(jī)等。另外 ,為了保證足夠的控制精度和運(yùn)算速度 ,對(duì)微型計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)和指令功能也有更高的要求。 1． 8051 單片機(jī)的基本組成 8051 單片機(jī)由 CPU 和 8 個(gè)部件組成，它 們都通過(guò)片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用 CPU 加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模