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全数字化双闭环可逆直流PWM调速系统的研究.rar

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    编号:20180802233206136    类型:共享资源    大小:1.31MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-02
      
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    数字化 闭环 可逆 直流 PWM 调速 系统 研究
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    I摘 要当今,自动化控制系统己经在各行各业得到了广泛的应用和发展,而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统,它主要由三部分组成,包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来,直流电动机因其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,一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展,在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流 PWM 调速系统进行了较深入的研究,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,用微机硬件和软件发展的最新成果,探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法,研究上作在对控制对象全面回顾的基础上,重点对控制部分展开研究,它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨,控制策略和控制算法的探讨等内容。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。论文分析了系统上作原理和提高调速性能的方法,研究了 IGBT 模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术在微机控制方面,讨论了数字触发、数字测速、数字 PWM 调制器、双极式 H 型 PWM 变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。该方案以 89C52 微机为核心,分别采用了8255,8253, 8279, ADC0809, 741914 等芯片与一些外围电路。通过实时测试与调节电动机的转速/电流,此调速系统可获得快速、精确的调速效果。关键词:直流可逆调速,数字触发,PWM,数字控制器IIAbstractToday, autocontrol systems have been widely used and deleloped in every Walk of life, while DC speed regulation as the artery in the area of electric drive systems acts the main effect in modernization production. DC speed regulation is mainly made up of control unite, power unite and DC motor. For a long time,DC motor has possessed the main role in the area of electric drive field because of its neatly adjust, easy method and smooth timing in wide rage, also, its control performance is very good.With the rapid development of microcomputer, it is widely used in the control field. This paper reserches reversible DC-PWM timing system with a dual-converter and dual-closed-loop. Beginning with the theory of the DC timing system, this article has build up the maths model of the reversible DC-PWM timing system with Central a dual-converter and dual-closed-loop,discussing a microcomputer with DC-drive. Based new method that 0n the overall review of control object, the emphasis is put on the part of control system, which includes the discussion of hardware and software, control policy and algorithm, etc. In the hardware, it fully utilizes the advantage of microcomputer that are abundant interface and fast speed so as to realize the control of the system.This paper analyzes the working principles of the system and some key technical issues of the application based on the IGBT apparatus, which include drive circuit,snubber circuit,protection and controlling the quantity of heat, and so on.In the aspect of microcomputer control, it has discussed the principle of number touch off、 number velocity testing、current/velocity controller、number PWM modulator and presents the hardware/software scheme to achieve it. This scheme is based on the core of 89C52 single chip, using the chips of 8255/8253/8279/ADC0809/74191 and some peripheral circuits. By real time testing dand adjusting the motor’s velocity/current, this timing system can get quick and exact timing result.Keywords: reversible DC timing system, number touch off, Pulse-Width Modulation, number controllerIII目 录第 1 章 引言......................................................................................................……....11.1 电气传动技术发展现状.......................................... .............................……......11.2 微机控制电机的发展和现状.........................................................…….............11.3 电机微机控制系统的特点...............................................................……...........21.4 本课题在实际应用方面的意义和价值..........................................……............2第 2 章 单闭环控制直流脉宽调速系统...................................................…….......... 42.1 单闭环直流调速系统简介...............................................................…….......... 42.1.1 直流电动机的调速方案.........................................................……............. 42.1.2 调速系统的静态指标........................................ ......................……............52.2 开环系统机械特性和闭环系统静特性.........................................….................62.3 采用比例调节器的单闭环控制脉宽调速系统..............................…................72.4 比例积分单闭环脉宽控制系统(无静差系统)..............................……..............82.5 本章小结.............................................................................................…........ ....9第 3 章 微机控制双闭环可逆直流 PWM 调速系统原理设计……………………..1 13.1 转速、电流双闭环调速系统及其静特性..........................…..........................1 13.1.1 问题的提出......................................................................…......................1 13.1.2 转速、电流双闭环调速系统的组成..........................…….......................1 23.1.3 稳态结构图和静特性.............................................................…...............1 33.1.4 各变量的稳态工作点和稳态参数计算..................................…..............1 43.2 双闭环脉宽调速系统的动态性能...............................................…................1 53.2.1 动态数学模型......................................................................…..................1 53.2.2 起动过程分析..................................................................…...…...............1 53.2.3 动态性能和两个调节器的作用.............................................…...............1 73.3 电流调节器和转速调节器的设计................................................…...............1 83.3.1 电流调节器的设计..................................................................…..............1 83.3.2 转速调节器的设计..................................................................…..............1 93.4 可逆 PWM 变换器......................................................................……...............2 03.4.1 可逆 PWM 变换器上作原理...............................................……...............2 03.4.2 IGBT 缓冲电路..................................................................…................ 2 33.5 脉宽调速系统的开环机械特性...................................................…................2 43.6 脉宽调速系统的电流脉动量和转速脉动量.......................................……....2 53.6.1 电流脉动量.................................................................................…...........2 5IV3.6.2 转速脉动量............................................................................…................2 83.7 脉宽调制器和 PWM 变换器的传递函数..................................…...........…....3 13.8 电力晶体管的开关过程、开关损耗和最佳开关频率................…...…......... 3 13.8.1 开关过程......................................................................................…..........3 13.8.1.1 开通时间...............................................................................…..........3 13.8.1.2 关断时间..............................................................................…...........3 23.8.2 开关损耗..........................................................................................…....3 3 3.8.3 最佳开关频率.................................................................................…...3 33.9 本章小结..................................................................................................3 4第 4 章 双闭环可逆直流 PWM 调速系统的硬件设计..................................…...…....3 54.1 双闭环可逆直流 PWM 调速系统简介.........................................…........3 54.2 双闭环可逆直流 PWM 调速系统总体设计...................................…......3 64.3 主要芯片的选择.............................................................................…......3 64.3.1 单片机的选择....................................................................…............3 64.3.2 8253 可编程定时器 /计数器芯片.....................................…..........3 74.3.3 8279 可编程键盘、显示接口芯片.................................…...........3 84.3.4 A/D 转换芯片 ADC0809........................................................……3 84.4 高精度数字测速电路........................................................................…...3 84.4.1 M/T 法测速原理......................................................................…...3 94.4.2 数字测速硬件电路....................................................................…....4 04.5 键盘/显示接口..................................................................................…....4 14.6 全数字 PWM 调制器............................................................................…4 24.7 泵升电压限制电路...........................................................................…... 4 44.8 本章小结...........................................................................................…....4 5第 5 章 调速系统的软件设计.............................................................................…...4 65.1 软件设计的基本要求.......................................................................…....4 65.2 软件的结构设计...............................................................................…....4 65.3 软件的编制......................................................................................….....4 85.3.1 微机头文件的设置.........................................................................4 85.3.2 主程序设计.....................................................................................4 85.3.3 数字电流调节器和数字转速调节器的算法及软件实现.............5 05.4 系统的软件抗干扰措施.................................................................…...5 45.4.1 模拟输入信号的噪声滤波.............................................................5 45.4.2 防止程序运行失常的软件措施........................................................5 55.4.3 软件冗余技术............................................................................…....5 6第 6 章 硬件电路的改进............................................................................................5 V7第 7 章 总结.......................................................................................................….5 9参考文献..............................................................................................................…...6 0致 谢...............................................................................................................……6 1附录 A 系统硬件原理图..................................................................................……6 2附录 B 系统程序清单......................................................................................…....6 31第 1 章 引言1.1 电气传动技术发展现状电气传动技术以电动机控制为控制对象,以微电子装置为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论指导下组成电气传动控制系统。因电机种类的不同分为直流电动机传动(简称直流传动)、交流电动机传动(简称交流传动) 、步进电机传动(简称步进传动)、伺服电动机传动(简称伺服传动)等等。众所周知,与交流调速系统相比,由于直流调速系统的调速精度高,调速范围广,变流装置控制简单,长期以来在调速传动中占统治地位。在要求调速性能较高的场合,一般都采用直流电气传动。目前,通过对电动机的控制,将电能转换为机械能进而控制上作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术己广泛应用于国民经济的各个领域。三十多年来,直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代,以晶闸管整流装置取代了习用己久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时,控制电路己经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用,使直流调速系统的性能指标大幅提高,应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展,走向成熟化、完善化、系列化、标准化,在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。由于直流电气传动技术的研究和应用己达到比较成熟的地步,应用相当普遍,尤其是全数字直流系统的出现,更提高了直流调速系统的精度及可靠性。所以,今后一个阶段在调速要求较高的场合,如轧钢厂、海上钻井平台等,直流调速仍然处于主要地位。早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成,由于模拟器件有其固有的缺点,如存在温漂、零漂电压,构成系统的器件较多,使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展,直流传动系统己经广泛使用微机,实现了全数字化控制。由于微机以数字信号工作,控制手段灵活方便,抗干扰能力强。所以,全数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。而且通过系统总线全数字化控制系统,能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行交换,实现生产过程的自动化分级控制。所以,直流传动控制采用微机实现全数字化,使直流调速系统进入一个崭新的阶段。1.2 微机控制电机的发展和现状微机,出现于 20 世纪 70 年代,随着大规模及超大规模集成电路制造上艺的迅速发展,微机的性能越来越高,价格越来越便宜。此外,电力电子的发展,使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电机,完成各种新颖的、高性能的控制策略,使电机的各种潜在能力得到充2分的发挥,使电机的性能更符合使用要求,还可以制造出各种便于控制的新型电机,使电机出现新的面貌。比较简单的电机微机控制,只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中,现在己普遍采用带微机的可编程控制器,按一定的规律控制各类电机的动作。对于复杂的电机控制,则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等,使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制,可使电机的性能有很大的提高。传统的直流电机和交流电机各有优缺点,直流电机调速性能好,但带有机械换向器,有机械磨损及换向火花等问题;交流电机,不论是异步电机还是同步电机,结构都比直流电机简单,工作也比直流电机可靠,但在频率恒定的电网上运行时,它们的速度不能方便而经济地调节。目前,广泛应用于数控机床等自动化设备的数控位置伺服系统。为了提高性能,在先进的数控交流伺服系统中,己采用高速数字化处理芯片(DIGITAL SIGNAL PROCESSOR,简称 DSP),其指令执行速度达到每秒数百兆以上,且具有适合于矩阵运算的指令。1.3 电机微机控制系统的特点 目前,很多电机微机控制系统都是由数字部件和模拟部件组成的混合系统,而全数字控制系统是当前的发展方向。在微机控制系统中,通常是既有模拟信号,也有数字信号;既有连续信号,也有离散信号。由于计算机的 CPU 只能识别和处理数字信号,而且只能一次次离散地处理,所以计算机处理外界信息时总要有一个采样过程,电机微机控制系统必然是一种采样控制系统。电机采用微机控制,还具有以下特点:(1)硬件比较简单,用少量芯片就可完成很多功能,且易于通用化。(2)可以分时操作;一台微机可以起多个控制器的作用,为多个控制回 路服务;也可控制多个电机,完成较多功能。(3)计算机具有记忆和判断功能,系统的控制方式由软件决定,若要改 变控制规律,一般不必改变系统的硬件,只需按新的控制规律编出 新的程序即可;且可在运行中随时根据不同的电机上作状态,选择 最有利的系统参数、系统结构及控制策略等;使系统具有很强的灵 活性和适应性。(4)计算机的运算速度快,精度高。它有丰富的逻辑判断功能和大容量 的存储单元,因此有可能实现复杂的控制规律,如采样参数辨识、 优化控制等现代控制理论所提供的控制算法,以达到较高的控制质 量。(5)数字量的运算不会出现模拟电路中所遇到的零点漂移问题,被控量可以很大,也可以很小,都较易保证足够的控制精度。(6)信息处理能力强,可以完成各种数据的处理,及时给操作人员提供 有用的信息和指示。正因为有上述优点,电机微机控制的理论及应用发展得非常迅速,新产品不断涌现和普及。31.4 本课题在实际应用方面的意义和价值电机调速系统采用微机实现数字化控制,是电气传动发展的主要方向之一从 80 年代中后期起,世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置,当前直流调速己发展到一个很高的技术水平;功率元件采用可控硅;控制板采用表面安装技术;控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微机及其他先进技术,使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力,在国内外得到广泛的应用。全数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断推出,为工程应用提供了优越的条件。采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化,结构简单,可靠性高,操作维护方便,电机稳态运行时转速精度可达到较高水平。直流电机具有优良的调速特性,调速平滑,方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动,制动和反转;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。由于微机具有较佳的性能价格比,所以微机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。近年来,尽管交流调速系统发展很快,但是直流电机良好的启动、制动性能,在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要广泛范围内平滑调速的高性能可控电力拖动领域中得到了广泛的应用.现阶段,我国还没有自主的全数字化控制直流调速装置商用,国外先进的控制器价格昂贵,研究及更好的使用国外先进的控制器,具有重要的实际意义和重大的经济价值。4第 2 章 单闭环控制直流脉宽调速系统在现代化工业生产中,生产机械都不停地运动着,几乎无处不使用电力传动装置。由于各种不同的生产机械运动规律不一样,对传动装置性能的要求也不一样。为了提高产品质量,增加产量,提高生产效率,越来越多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动化控制,并且对电力传动装置的拖动性能要求也越来越高。2.1 单闭环直流调速系统简介2.1.1 直流电动机的调速方案由电机学基本理论可知,直流电动机转速特性方程式为(2-1)eaKRIUn由上式可见,直流电动机调速方案可有以下三种:1. 改变电枢回路总电阻 R 如图 2-1,总电阻 R 越大,特性线斜率越大,机械特性越软。若负载转矩为 TL,对应所需的电枢电流为 IaL,则负载大小不变时总电阻越大,转速越低。由于电阻耗能大,机械特性软,调速范围窄,不能实现无级平滑调速,只用于一些要求不高的场合。R aR a + R 1R a + R 2nn 0n 1n 2n 3n 2n 1nR 1 U 1 > U 2 > U 3A0图 2-3 改变电枢电压调速特性变电压调速要有可调的直流电源。根据供电电源的种类分两种情况:一是采用可控硅变流装置,将交流电转变为可调的直流电。二是采用直流斩波器,将交流电通过整流提供直流电源,实现脉冲调压调速。随着电力电子全控器件的成熟,采用全控电力晶体管 IGBT、 MOSFET 等全控式电力电子器件组成的直流脉宽调制(PWM)型的调速系统近年来己发展成熟,用途越来越广。2.1.2 调速系统的静态指标
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