《电力拖动自动控制系统》课程设计数字式直流双闭环PWM调速系统设计

《电力拖动自动控制系统》课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班第二小组1《电力拖动自动控制系统》课程设计——直流双闭环PWM调速系统设计一、设计目的及要求1.1课程设计的目的计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它不仅需要微型机控制理论、程序设计方面的基础知识，而且还需要具备一定的生产工艺知识。设计包括确定控制任务、系统总体方案设计、硬件系统设计、控制软件的设计等，以便使学生掌握微型计算机控制系统设计的总体思路和方法。1.2课程设计的预备知识术基本知识及直流控制系统的有关知识。1.3课程设计要求完成直流电机转熟悉计算机控制技速、电流控制系统设计。1.设计控制系统主机、过程通道模板电路，包括元器件选择。2.画出系统控制图。3.控制系统软件设计。转速、电流控制采用PI控制算法，设计增量式PI控制算法。绘出程序流程图，设计算法程序。1.4设计内容及要求为某生产机械设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流双闭环系统，且拟定该系统由大功率晶体管调制放大器给电动机供电。已知系统中直流电动机主要数据如下：1）直流电机型号：Z2-41型额定功率Pe=18kW；额定电压Ue=220V额定电流Ie=94A；额定转速ne=1000r/min电枢回路总电阻R=0.45Ω;电磁时间常数Tl=0.0297s;机电时间常数Tm=0.427s；电动势系数C=0.2059/（r.min-1)晶体管PWM功率放大器：工作频率：2kHz；工作方式：H型双极性；直流电源电压：264V2）主要技术指标：《电力拖动自动控制系统》课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班第二小组2调速范围0-1000r/min电流过载倍数：1.5倍速度控制精度0.1%（额定转速时）3）主要要求：电动机控制电源采用晶体管PWM功率放大器，其占空比变化为0～0.5～1时，对应输出电压为-264V～0～264V，为电机最大提供25A电流。速度检测采用光电编码器（光电脉冲信号发生器），且其输出的A、B两相脉冲经光电隔离辩相后获得每转1024个脉冲角度分辨力和方向信号。电流传感器采用霍尔电流传感器，其原副边电流比为1000：1，额定电流50A。采用双闭环（电流环和速度环）控制方式。二、系统总体方案设计2.1直流双闭环PWM调速系统原理图1直流双闭环PWM调速系统原理图根据设计任务要求整个系统原理如图1所示。采用了转速、电流双闭环控制结构，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为PWM的控制电压。从闭环反馈结构上看，电流调节环在里面，是内环，按典型Ⅰ型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型Ⅱ型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置（TA）对电流环进行检测，转速环则是采用了光电码《电力拖动自动控制系统》课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班第二小组3盘进行检测，达到了比较理想的检测效果。PWM采用8051单片机以及4858、4040共同实现，驱动电路采用了IR2110集成芯片，具有较强的驱动能力和保护功能。2.2直流双闭环PWM调速系统硬件结构根据系统原理我们设计了直流双闭环PWM调速系统硬件结构，如图2所示，系统的特点：双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采用数字PI算法。由软件实现转速、电流调节系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路组成。主电路：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压，给直流电动机供电。检测回路：包括电压、电流、温度和转速检测。电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速（光电码盘）。故障综合：利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。图2微机直流双闭环PWM调速系统硬件结构图《电力拖动自动控制系统》课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班第二小组4三、主电路设计3.1主电路主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。3.1.1限流电阻为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入时影响整流电路的正常工作，并产生附加损耗。3.1.2泵升电压限制《电力拖动自动控制系统》课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班第二小组53.2主电路参数计算和元件选择主电路参数计算包括整流二极管计算，滤波电容计算、功率开关管IGBT的选择及各种保护装置的计算和选择等。3.2.1整流二极管的选择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：IF1.1×IO(AV)÷2≈1.1*99/2=54.5(A)UR1.1×2×U2=1.1×2×220=340.2(V)选用2ZC系列的大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：型号额定正向平均电流IF(A)额定反向峰值电压URM(V)正向平均压降UF(V)反向平均漏电流IR(MA)散热器型号ZP100100100～16000.5～0.76SL18在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容C值，使RC≥(3～5)T/2,且有Udmax=0.9×220×0.95=188(V)2×C≥1.5×0.02,即C≥15000uF故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400v，标称容量为22000uF3.2.2绝缘栅双极晶体管的选择最大工作电流Imax≈2Us/R=440/0.45=978(A)集电极－发射极反向击穿电压（BVCEO）BVCEO≥(2～3)Us=440～660v3.3调节器参数设计3.3.1系统设计的一般原则《电力拖动自动控制系统》课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班第二小组6按照“先内环后外环”的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器直流双闭环调速原理图3.3.2电流环的参数设计电流环结构图最大允许电流Idm=1.5×94=141(A)电枢电流范围为，A/D转换为8位二进制数码，电流反馈回路反馈系数为β，则：β=255/(141-(-141))=255/282=0.904/A已知晶体管PWM功率放大器的工作频率为2kHz，工作方式为H型双极性，直流电源电压为264V,设定用来直接生成PWM信号的计数器的时钟脉冲频率为4MHz，则转换得到的PWM信号的分辨率为1/2000，即计数值为2000时，对应的PWM信号占空比为1，PWM功率放大器的输出电压为200V；计数值为1000时，对应PWM信号的占空比为0.5，PWM功率放大器的输出电压为０Ｖ；计数值为０时，对应PWM信号占空比为０，PWM功率放大器的输出电压为-200V,则PWM控制信号和PWM波形生成之间的数字控制量到模拟电压输出量之间的增益为：《电力拖动自动控制系统》课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班第二小组7==0.0297s=0.0005s=1/2000=0.0005s==0.0005T∑i=0.001s=0.5/T∑i=0.5/0.001=500=R/(β)=500*0.0297*0.45/(0.264*0.904)=28校验近似条件电流环截止频率：wci＝KI=500脉宽调制变换器传递函数近似条件wci≤1/(3Ts)1/(3Ts)＝1/(3×0.00025)=666.67500=wci可见，满足近似条件。小时间常数近似条件wci≤TsToi131＝0005.00.0005131＝654.03500满足近似条件。忽略反电势对电流环影响的条件：wci≥1TmT131＝0297.04270.131＝2.96500满足近似条件。3.3.3转速环的参数设计转速环结构图《电力拖动自动控制系统》课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班第二小组8速度反馈回路的滞后时间约为=1ms机电时间常数=0.427s速度环的小时间常数为=1/+=1/500+0.001=0.003s按跟随性能和抗干扰性能要求，取中频宽h=5，则积分时间常数为；=(h+1)/2h²²=(5+1)/(2*5*5*0.003²)=13333.333速度调节器比例系数00Wci转速环传递函数简化条件Wcn≤iIKT31=235.7满足近似条件。小时间常数近似处理条件Wcn≤onTIK31=235.7满足近似条件。当h=5，查表可知，σn=37.6℅,不满足设计要求。实际上，由于表中是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按照退饱和时的情况重新计算超调量。由公式代入数据计算得σn=0.35℅，能够满足设计要求《电力拖动自动控制系统》课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班第二小组93.4调节器的离散化经过前面的调节器参数计算得到模拟式的电流、转速调节器，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统设计方法设计调节器，然后在离散化，就可以得到数字控制器的散发，这就是模拟调节器的数字化。数字控制器采用PI调节算法，不仅可以对系统偏差进行比例调节，而且可对偏差进行积分，因而提高了系统的控制精度和抗外界干扰能力。模拟调节的PI算式为:式中)(tu---t时刻调节器输出信号;])(1)([)(dtteTteKtuippK---比例系数;‘)(te---时刻偏差，为测量值和给定值之差;tT---积分时间常数;在数字式控制中，由于采用数字计算，要对给定值和反馈量进行采样，因此要对上述PI算式进行离散化，得到适用于数字控制的PI算式:])(1)([)(1TjeTneKnUnjip式中)(nU---第n次采样后算得的调节器输出;)(ne---第n次次采样算得的偏差;T---采样周期;n---采样序号，n=l，2，3，…上述算式计算出的是第n次采样后，控制器输出的数字量，叫做位置式算式。从式中可以看出，想要计算)(nU，不仅击要本次与上次偏差信号)(ne和)1(ne，而且还要在积分项中把历次偏差信号)(je进行相加，即求取)(1jenj。这样不仅计算繁琐，而且保留)(je要占用很大的内存空间，使用非常不方便。为此，又有了在实际应用中的数字化增量式算式:)()]1()([)(neKneneKnUip式中)(nU---第n次输出的地量;)(ne---第n次采样后偏差值;)1(ne---第n-1次采样后偏差值;ipiTTKK/---积分系数:在位置式算式中，由于采用全量输出，每次输出均与原来位置有关，会使输出产生较大变化。在增量式中，每次只输出控制增量，对系统影响较小，且具有以下优点：①由于增量输出，出现误动作时影响小，必要时可以用限幅办法去掉。②手动/自动切换时冲击较小。③不会产生积分失控，易于获得较好的积分效果。《电力拖动自动控制系统》课程设计中国矿业大学信电学院电气06-1班第二小组10因此，实际应用中增量式获得广泛应用，故本系统按要求也选择增量式。但增量式的不足为:由于积分截断误差大，使系统存在静态误差;溢出的影响较大。故在实际应用中，还要根据对象的具侧弓好求来选定。一般来说，以可控硅作驱动的系统或控制程度要求高的系统中，宜采用位置式。而在步进电机或电动阀门作执行器的系统中宜采用增量式为好。3.4.1数字控制器PI增量式算法及程序增量式PI程序：Fosc=12MHZ，用一个定时器/计数器定时50ms，用R2作计数器，置初值14H，到定时时间后产生中断，每执行一次中断服务程序，让计数器内容减1，当计数器内容减为0时，则到1s。PI控制算法:Ui=Ui