1、課 程 設 計 說 明 書題目：數字式PWM可逆直流調速系統 學院（系）： 電院自動化系 年級專業： 14級過程控制 學 號： 140103010042 學生姓名： 于力一 指導教師： 孫 浩 楊晟剛 教師職稱： 講 師 講 師 燕山大學課程設計（論文）任務書院（系）：電氣工程學院 基層教學單位：自動化系學 號140103010042學生姓名于力一專業（班級）過控1班設計題目數字式PWM可逆直流調速系統設計技術參數1調速范圍D=20,靜差率S5%。在整個調速范圍內要求轉速無級、平滑可調； 2動態性能指標：電流環超調量5%；空載起動到額定轉速時的轉速超調量10%。3采用第二組電機額定參數（詳見附

2、頁）。設計要求系統組成：設計直流拖動系統的主回路，控制回路，并合理選擇元器件參數。繪制系統電路圖。應用：根據系統要求選擇合適的傳感器對系統參數進行測量。工作量1完成設計說明書一份（包括原理的簡要說明和主要參數的計算過程）；文稿用鋼筆或圓珠筆書寫，字跡應工整、清晰（打印也可）；2 繪制電氣原理圖（包括主電路、控制回路）A2圖紙一張，可用鉛筆繪制或用計算機繪制打印，應符合相關制圖標準。工作計劃第1周：查閱相關資料，分析并確定控制方案，完成簡裝操作電路;主回路的設計、計算，并確定主要元器件（包括必要的保護環節），并請指導教師審核；第2周：轉速、電流雙閉環直流調速系統調節器參數的設計、計算；電氣原理圖

3、設計；繪制硬件電路原理圖（A2），并嚴格執行電氣原理圖繪圖標準，并規定主回路用粗實線、控制回路用細實線；撰寫課程設計說明書，并注意文字、圖表、及格式的規范化；最后進行答辯。參考資料1電力拖動自動控制系統陳伯時主編（教材）2電力電子變流技術黃俊主編（教材）3電力拖動自動控制系統習題例題集童福堯（教材）4電氣控制李仁主編（教材）指導教師簽字孫浩，楊晟剛基層教學單位主任簽字劉福才說明：此表一式二份，學生、指導教師各一份。2017年7 月 2日 燕 山 大 學 課 程 設 計 說 明 書數字式PWM可逆直流調速系統于力一（燕山大學 電氣工程學院）摘 要： 本文主要介紹一種基于STM單片機的數字式PWM

4、可逆直流調速系統的設計。設計PWM變換器作為調速系統的可控直流電源，通過配置STM的輸出PWM模式，利用寄存器TIMx_ARR和TIMx_CCRx生成頻率和占空比可調的單極性PWM波。通過高速光耦合器PS7801和半橋驅動器IR2104實現PWM波對H橋功率器件IGBT導通與關斷的控制。控制不同的IGBT的導通與關斷，改變PWM波的占空比即可實現對電機運動方向和轉速的調節。通過設計轉速調節器和電流調節器實現雙閉環控制系統，用編碼器和電流傳感器將控制系統的電流和轉速數字化反饋給調節器，對轉速實現高精度控制。調節器設置為PI調節器，既可以做到快速響應又可以消除靜態誤差，實現速度快速精準地跟蹤給定。

5、關鍵詞：stm32單片機 PWM變換器 雙閉環 可逆系統目錄一、系統總體設計方案41課設背景42數字式PWM可逆直流調速系統硬件概述43PWM脈沖調制54電機的技術參數65雙閉環直流調速系統75.1雙閉環可逆系統設計流程圖75.2穩態結構圖和靜特性75.3各變量的穩態工作點和穩態參數計算8二、主回路設計及器件選擇91主回路的設計92變壓器參數計算93電力二極管參數計算104保護電路104.1交流側過電壓保護104.2直流側過電壓保護114.3快速熔斷器短路保護125PWM生成電路135.1STM32最小系統設計135.2PWM功率放大驅動電路設計136勵磁回路設計14三、控制回路設計及器件選擇

6、151系統的動態結構圖152電流調節器的設計162.1電流環結構框圖162.2電流調節器的參數整定163轉速調節器的設計193.1轉速調節器結構的選擇193.2轉速調節器的參數計算193.3確定時間常數193.4選擇、計算轉速調節器參數203.5檢驗近似條件20四、輔助電路設計211.電源設計及自鎖電路212.按鍵給定及液晶顯示223.光電編碼器轉速測量23五、心得體會23附錄24一、 系統總體設計方案1 課設背景 直流電動機具有良好的啟動、制動性能，宜于在寬范圍內平滑調速，在許多需要調速和（或）快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。調節電動機轉速的方式分為調壓調速、弱磁調速和調節電樞回

7、路電阻調速，對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調節電樞供電電壓的方式最好。隨著電力電子技術的發展，可控直流電源主要有兩大類，第一類是相控整流器，它把交流電源直接轉換成可控的直流電源；第二類是直流脈寬變換器，它先用不可控整流把交流電變成直流電，然后用PWM脈寬調制方式調節輸出的直流電壓。與V-M系統相比，直流PWM調速系統在很多方面有較大的優越性：1) 主電路簡單，需要的電子電力器件少；2) 開關頻率高，電流容易連續，諧波少，電動機損耗及發熱都較少；3) 低速性能好，穩速精度高，調速范圍寬；4) 若與快速響應的電動機配合，則系統頻帶寬，動態響應快，動態抗擾能力強；5) 電力電子開關器

8、件工作在開關狀態，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；6) 直流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流器高。由于有上述優點，直流PWM調速系統的應用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態性能系統中，已經完全取代了V-M系統。2 數字式PWM可逆直流調速系統硬件概述三相交流電源經不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經過直流PWM變換器得到可調的直流電源，給直流電動機供電。檢測回路包括電流、轉速檢測。此外，還具備故障檢測功能，對泵升電壓進行限制。數字控制器是系統核心，選用STM32，其本身帶有A/D轉換器、通用I/O和通信接口和PWM生成功能。控制軟件一般采用轉速、

9、電流雙閉環控制，電流環為內環，轉速換為內環，內環采樣周期小于外環采樣周期。為抗擾動，采用阻容電路濾波，可采用軟件濾波和硬件濾波相結合的方法。圖1-1 數字式PWM可逆直流調速系統硬件圖3 PWM脈沖調制數字PWM信號由STM32單片機產生，脈沖寬度調制模式可以產生一個由TIMx_ARR寄存器確定頻率、由TIMx_CCRx寄存器確定占空比的信號。在TIMx_CCMRx寄存器中的OMxM位寫入110（PWM模式1）或111（PWM模式2），能夠獨立地設置每個OCx使出通道產生一路PWM。必須設置TIMx_CCMRx寄存器OCxPE位以使能相應的預裝載寄存器，最有還要設置TIMx_CR1寄存器的AR

10、PE位，（在向上計數或中心對稱模式中）使能自動裝載的預裝載寄存器。STM32產生PWM波用到的寄存器和定時器如圖1.3所示，PWM波的占空比和頻率的調節原理示意如圖1.2所示。圖1-2 PWM波的占空比和頻率的調節原理圖1-3 單片機脈沖寬度調制模式工作原理4 電機的技術參數主要參數直流電動機直流發電機測速發電機型號Z2-61Z2-42ZYS-3A額定容量(KW)103.50.022額定電壓 (V)220230110額定電流 (A)53.515.30.22最大電流 (A)80.2522.95 額定轉速（rpm）150014502000 額定勵磁電壓 220V電流0.61A ( Kg.)0.56

11、0.18電動機電樞電阻Ra(.20)0.28電動機電樞電感La(mH)8.85其他參數名稱數值 整流側內阻Rn()0.2整流變壓器漏感 (mH)1.3電抗器直流電阻()0.13電抗器電感 ( mH )17.45 雙閉環直流調速系統5.1 雙閉環可逆系統設計流程圖圖1-4 雙閉環調速系統設計流程圖5.2 穩態結構圖和靜特性雙閉環直流調速系統的穩態結構如圖1.6所示，兩個調節器均采用帶限幅作用的PI調節器。轉速調節器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調節器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，圖中帶限幅的輸出特性表示PI調節器的作用。當調節器飽和時，輸出達到限幅值，

12、輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節器退出飽和。當調節器不飽和時，PI調節器工作在線性調節狀態，其做用是輸入偏差電壓在穩態時為零。為了實現電流的實時控制和快速跟隨，希望電流調節器不要進入飽和狀態。圖1.6 雙閉環直流調速系統的穩態結構圖1-7 雙閉環直流調速系統靜特性5.3 各變量的穩態工作點和穩態參數計算雙閉環調速系統在穩態工作中，當兩個調節器都不飽和時，各變量之間有下列關系 （1-1） （1-2） （1-3）上述關系表明，在穩態工作點上，轉速n是由給定電壓決定的；ASR的輸出量是由負載電流決定的；而控制電壓Uc的大小則同時取決于n和Id，或者說，同時取決于和。這些關系反映了

13、PI調節器不同于P調節器的特點。比例環節的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調節器則不然，其輸出量的穩態值與輸入無關，而是由它后面環節的需要決定的。后面需要PI調節器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。所以，轉速反饋系數 電流反饋系數 二、 主回路設計及器件選擇1 主回路的設計橋式可逆直流脈寬調速系統主電路的如圖2.1所示。PWM變換器的直流電源由交流電網經不可控的二極管整流器產生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓提供點數電壓。圖2-1 橋式可逆直流脈寬調速系統主電路2 變壓器參數計算由于接法是可以給基次諧波提供通路的，可以減少基次諧波的影響，因此整流變壓器采用/Y接法，接線

14、原理圖如下所示：圖2-2 整流變壓器原理圖變壓器參數選擇：a.變壓器二次側相電壓有效值為b整流變壓器的標稱功率為注：U為電動機額定電壓，取220V；I為電動機額定電流，取53.5A3 電力二極管參數計算本設計為雙閉環直流調速系統，整流裝置采用三相橋式全控整流電路基本數據如下：整流二極管的計算：根據二極管的最大整流平均IF 和最高反向工作電壓UR分別應滿足：電力二極管的選擇：額定電壓： 取1000V額定電流： 取70A查表得取二極管型號為ZL064 保護電路4.1 交流側過電壓保護在變壓器副邊并聯電阻和電容，可以把變壓器鐵芯釋放的磁場的能量轉換為電場能量并儲存再電容中，因為電容不可以使兩端電壓突

15、變，所以可以達到抑制過電壓的目的，而串入電阻的目的是為了在能量轉換的過程中消耗一部分能量，從而防止因變壓器漏感和并聯電容構成的震蕩回路在閉合時產生的過電壓，抑制了LC回路出現震蕩，電路如圖2.3所示：圖2-3 交流側保護電路其中C和R的計算公式為 取 取在公式中: S變壓器每相平均電壓計算容量，單位VA 變壓器二次側相電壓有效值，單位 V 變壓器激磁電流百分數 變壓器的短路4.2 直流側過電壓保護PWM變換器的直流電源由交流電網經不可控的二極管整流器產生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓。由于電容容量較大，突加電源時相當于短路，勢必產生很大的充電電流，容易損壞整流二極管，為了限制充電電流

16、，在整流器和濾波電容之間傳C23入電阻R7，合上電源后，用延時開關將R7短路，以免在運行中造成附加損耗。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機制動時只好對濾波電容充電，這式電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮流電阻R24消耗掉這些能量，在泵升電壓達到允許值時接通Q115。圖2.4 直流側保護電路4.3 快速熔斷器短路保護熔斷器的作用：當電路發生故障或異常時，伴隨著電流不斷升高，可能損壞電路中的某些重要器件，也有可能燒毀電路甚至造成火災。若安裝熔斷器，則熔斷器就會在電流異常升高到一定高度的時候，自身熔斷，切斷電流，從而起到保護電路的作用。為了防止主電路過電流

17、，在主電路串入熔斷器進行過電流保護，為了防止由于電流過大而燒毀電力二極管，在二極管回路上加快速熔斷器，如圖2.4所示：圖2-4 快速熔斷器短路保護保護電路整流變壓側電流電壓：電壓 取136V電流二次側；一次側：變壓器平均容量：5 PWM生成電路5.1 STM32最小系統設計圖2-5 單片機最小系統單片機最小系統是控制系統的核心，設計時必須充分考慮抗干擾、防靜 電和運行的穩定性。STM32F103TBT6 單片機內部各個模塊都已經從單片機內部引出，只有 PLL 電路使用內部的穩壓，其他各個部分都要自己外接電源， 外接各模塊電源必須通過0歐電阻或者電感隔離開，防止外部電源波動影響 單片機正常工作。

18、由于成本的需要，下載器選擇 ST-LINK。5.2 PWM功率放大驅動電路設計PWM波可以由STM32F103V8T6單片機通過編程來得以產生，當他頻率太低時，其產生的電磁噪聲就比較大，在實際用用當中，當PWM頻率在 10KHz左右時，效果最好。在本系統內，采用單片機的TIM_PWM功能輸出兩路PWM，經過PS8701輸入到IR2104S的輸入端，由IR2104S處理輸出兩路極性相反的PWM驅動IGBT VG1，VG2，VG3和VG4，進而控制電機轉速和轉向。如圖2.6所示。圖2-6 PWM功率放大驅動電路IR2104S是一種半橋驅動器，引腳功能如表一IR2104S引腳說明：表一 IR2104

19、S引腳功能表符號定義MinMaxUnitsVB高側浮動電源電壓的絕對VS+10VS+20VVS高側浮動電源偏置電壓600VHO高側浮動輸出電壓VSVBVCC低壓側和邏輯固定電源電壓1020VLO低側輸出端0VCCVIN邏輯輸入電壓0VCCSD邏輯輸入電壓使能0VCCCOMGND006 勵磁回路設計圖2-7 勵磁回路由380V引出，經三角-星型變壓器和三相不可控整流橋變流，經過調壓電阻，獲得勵磁電流。三、 控制回路設計及器件選擇1 系統的動態結構圖圖3-1 雙閉環調速系統的動態結構圖圖中：轉速調節器的傳遞函數； 電流調節器的傳遞函數；晶閘管整流與觸發裝置的靜態放大倍數； 電流反饋濾波時間常數；轉

20、速反饋濾波時間常數；PWM整流電路的失控時間，對于三相橋式電路；電動機電樞回路的電磁時間常數；機電時間常數；主回路總電阻；電動機電勢系數；電動機轉矩系數；轉速反饋系數；電流反饋系數；KI-電流開環增益2 電流調節器的設計2.1 電流環結構框圖圖3-2電流環的動態結構框圖在一般情況下，系統的電磁時間常數遠小于機電時間常數，因此，轉速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即。這樣，在按動態性能設計電流環時，可以暫且把反電動勢的作用去掉，把給定濾波和反饋濾波兩個環節都等效地移到環內，同時把給定信號改成，則電流環便等效成單

21、位負反饋系統，由于和一般都比小得多，可以當作小慣性環節近似處理，則電流環結構框圖最終簡化成圖3.3.圖3-3 電流環的最終結構框圖2.2 電流調節器的參數整定 2.2.1 確定時間常數：平波電抗器電感其中：整流變壓器的漏感：電動機電樞電感1） 整流裝置之后時間常數Ts，通過查表可得 2） 取3） 電流環小時間常數之和。按小時間常數近似處理，取。2.2.2 選擇調節器結構：根據設計要求，并保證穩態電流無誤差，可按典型系統設計電流調節器，電流環控制對象是雙慣性型的，因此可用型電流調節器，其傳遞函數為 （3-1）2.2.3 計算電流調節器的參數 調節器的超前時間常數：電流環的開環增益：要求時，按表2

22、-2，應取，因此 ACR的比例系數為2.2.4 校驗近似條件:電流環截止頻率：（1） 校驗晶閘管裝置傳遞函數的近似條件 滿足近似條件（2） 校驗忽略反電動勢的變化對電流環的動態影響的條件 滿足近似條件（3） 校驗電流環小時間常數近似處理條件 滿足近似條件（5） 按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為 滿足設計要求。3 轉速調節器的設計3.1 轉速調節器結構的選擇轉速控制系統的動態結構框圖如圖3.4. 圖3-4 轉速控制系統的動態結構框圖轉速環開環傳遞函數應共有兩個積分環節，應該設計成典型II型系統，這樣系統同時也能滿足動態抗擾性能號的要求，ASR也應該采用PI調節器，不考慮負載擾動時

23、，校正后的調速系統動態結構框圖如圖3.4所示。3.2 轉速調節器的參數計算轉速調節器的參數包括和，按照典型型系統的參數有：圖3-5 校正后的典型型系統 (3-2) (3-3)3.3 確定時間常數.電流環等效時間常數KI.轉速濾波時間常數Ton，取.轉速環小時間常數Tn，按小時間常數近似處理，取3.4 選擇、計算轉速調節器參數按照設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數為 (3-4)按照跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，取h=5,則ASR的超前時間常數為轉速環開環增益ASR的比例系數為3.5 檢驗近似條件轉速環截止頻率為：.電流傳遞函數簡化條件為 滿足簡化條件.轉速環小時間常數近似處理條件為 滿足近似

24、條件校核轉速超調量：四、 輔助電路設計1. 電源設計及自鎖電路圖4.1 電源電路及自鎖電源設計：整流電路：利用二極管的單向導電性，將正負交替的交流電整流成單方向的脈動電壓濾波電路：利用電容元件可以儲能的性能，將整流后的輸出電壓的能量儲存起來，然后慢慢的釋放給負載，同時出去脈動信號，是輸出電壓更平滑。穩壓電路：用三端式穩壓器，7812和7805，分別輸出12V和5V。自鎖電路：在接觸器的“自鎖”電路，簡單的兩位按鈕“開”和“斷”，接觸器的線圈一個接頭，根據線圈的電壓要求，接上一條火線或零線。在按電鈕“開”的時候，由按鈕接通線圈的另一個接頭，提供了線圈電壓，接觸器吸合。當按鈕斷開時，按鈕的這一條火

25、線，通過接觸器的輔助接點，繼續為線圈提供電壓，接觸器還可以保持接通狀態，這就是接觸器的“自鎖”。如果要斷開接觸器，就按動按鈕開關的“停”，接觸器失電，斷開了電路。2. 按鍵給定及液晶顯示圖4.2 液晶顯示及按鍵給定顯示使用了LCD1602液晶，能夠同時顯示32個字符（16列2行）。特性應用5V電壓；對比度可調，內含復位電路；提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能；有80字節顯示數據存儲器DDRAM；內建有192個5X7點陣的字型的字符發生器CGROM；8個可由用戶自定義的5X7的字符發生器CGRAM；微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應

26、用系統中。采用4×4的矩陣鍵盤，可以速度給定等功能。按照上圖所示，將鍵盤接到單片機的PE0E7端口。首先將 PE0PE3置為1（給電，高電平），將PE4PE7置為0（低電平），然后檢測PE4PE7中哪個端口輸入為1（高電平），若為 1，則說明相對應列的按鍵按下，否則相對應的按鍵未下，記下此時的按鍵所在行的值。判斷完成后，繼續將 PE47置為1（給電，高電平），將PE0PE3置為0，判斷PE0PE3中哪個端口輸入為1，若為1，則說明相對應的行按鍵按下，將之前記下的按鍵的列的數和此時所對應的行數相加即為所按按鍵數。最后判斷按鍵是否一直按下，若松開則得出所按按鍵數。3. 光電編碼器轉速測量

27、 光電轉換原理輸出兩組方波脈沖A、B；A、B兩組脈沖相位差90º，從而可方便地判斷出旋轉方向。它的優點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。接線如圖4.3所示。圖4.3 光電編碼器五、 心得體會課程設計結束了，課程設計在很大程度上實現的動手與動腦，理論與實際的相互結合，既是對工業環境的一個簡單縮影，又是對理論知識的一種檢驗，很好地實現了從書本到實際操作的一個過渡。課程設計是對前面所學電力電子技術和運動控制理論的一種檢驗，致力于綜合運用本專業所學課程的理論和生產實際知識進行一次交直流調速設計從而培養

28、和提高我們的獨立工作能力，鞏固與擴充交直流調速等課程所學的內容，掌握交直流調速課程設計方法和步驟，而且同時各科相關的課程都有了全面的復習，獨立思考的能力也有了提高，也是對自己能力的一種提高。通過這次課程設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺，自己要學習的東西還太多我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。參考文獻：1 陳伯時.電力拖動自動控制系統運動控制系統M.第3版,北京：機械工業出版社，2007. 2 王兆安，黃俊等.電力電子技術M.第4版,北京：機械工業出版社，2000.3 任彥碩.自動控制原理M.機械工業出版社，2006.4 陳治明.電力電子器件M.北京：機械工業出版社，1992.附錄/主程序int main(void)Adc_Init();/電流檢測 函數初始化EXTIX_Init( );NVIC_Configuration();TIM2_Int_Init(999,7199);/編碼器轉速檢測函數初始化LCD1602_Init();/轉速顯示函數初始化Motor_Con