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1、精选优质文档-倾情为你奉上电气工程及其自动化专业课程设计150kW电力拖动自动控制系统设计学生学号： 学生姓名： 知行合一 班 级： 班 指导教师： 王阳明 起止日期： 哈尔滨工程大学自动化学院1、 设计要求：(一)基本要求 根据所要求指标自选直流调速控制系统进行设计。1.调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽地转速调速 范围（），系统在工作范围内能稳定工作。 2. 系统静特性良好，理论上实现无静差。3. 动态性能指标：转速超调量小于5%，电流超调量小于5%，动态最大转速降 小于10%。 4. 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。 5. 调速系统中设置有过电压、过电流
2、保护，并且能够实现制动运行。 6. 给定信号对应范围控制在10V之间。(二)被控对象参数所设计控制系统被控对象参数参考MATLAB/Simulink提供直流电机所提供直流 电机的模型的参数。第10组所选择的直流电机序号20号。参见下列各图。(三)硬件电路图设计要求要求实现电流和转速值的显示，转速给定的设置（具有起动、停止、加速、减速、突加给定、正反转切换功能）基于89c58单片机（双列直插40针）设计一套微机数字监控系统硬件结构，并采用PROTUES进行单片机系统仿真校验，搭建相应的硬件电路并校验。外围条件：电力拖动控制系统需要单片机控制系统提供转速给定模拟控制信号(最大转速对应电压信号为5V
3、或10V）；单片机控制系统从电拖控制系统获得 5V（或者10V）之间的转速和电流测量信号。具体要求如下：硬件结构中包括89c58单片机最小系统；外加AD转换（采用TLC2543一片）和DA转换(采用DAC0832一片)；两组四位数码管（采用SM四位七段数码管）分别用于显示转速（4位有效数字）和电流值(负号和3位有效数字)，可以辅助led灯显示正反转状态，则速度无需显示正负号；设置对应按键（采用小4脚按键），实现起动、停止、加速、减速、突加给定（包括突加给定设置）、正反转切换控制；如果需要调理电路，可自行设计添加。二、设计方案 根据设计要求以及电力拖动、电力电子等理论知识，采用双极式控制直流PW
4、M-M可逆调速系统。此种系统模型是在普通直流PWM-M主电路模型上增加了转速调节器ASR和电流调节器ACR，其中ASR和ACR都采用带输出限幅的PI调节器。因此此系统综合了PWM脉冲宽度调制和转速电流双闭环的优点，可以很好地满足设计要求：1、 通过调节PWM输出电压占空比改变输出的平均电枢电压，从而能进行平滑地速度调节。采用全控型电力电子器件（MOSFET），电流可以正反流动，因此输出转矩可逆，可以实现调速系统的四象限运行。采用转速电流双闭环控制，保证了实时控制和快速跟随（ACR不要进入饱和状态），保证了具有比较宽的调速范围（ASR），系统在工作范围内能稳定工作。2、 双闭环调速系统的静特性在
5、负载电流小于最大值时，转速负反馈起主要调节作用，可以在理论上实现转速无静差。当负载电流达到最大值时，对应于转速调节器ASR为饱和输出电压最大值，此时电流调节器ACR起主要调节作用，系统表现为电流无静差。，起到了过电流自动保护作用。3、 动态性能指标可以通过调整调节器参数达到要求。4、 系统抗负载扰动性能良好，在一定负载变化范围内，电流始终保持连续。5、 采用带有饱和限幅的PI调节器，可以实现过电压，过电流保护，四象限运行，方便地进行调速，反向，制动。6、 给定信号对应范围控制在10V之间。3、 设计内容1、 调速系统软件仿真(1)采用双极式控制直流PWM-M可逆调速系统。MATLAB/Simu
6、link仿真原理图如下：其中，PWM内部结构如下：说明：脉宽调制由两个PWM发生器模块进行，上方的PWM发生器产生VT1,VT3,VT5的驱动信号，下方的产生VT4,VT6,VT2的驱动信号，为了使PWM发生器输出的驱动信号顺序与电桥顺序一致，模型中加入一个选择模块，调整脉冲序列。因为MOSFET有导通和关断时间，为了避免上下桥壁直通，需要有“死时”限制，这里采用的办法是使下方的PWM发生器输入的控制信号为（Uct+0.001），即将Uct略微抬高，使下方的PWM发生器输出信号变窄一些，避免直通。ASR内部结构为： ACR内部结构为均采用PI调节器，都带有输出限幅。2)调节器参数的计算以及检验
7、校正：给定参数说明及计算：1、 电枢端：额定电压,电枢电阻=0.0597，电枢电感=0.0009H2、励磁端：额定电压=150V,励磁电阻=150，励磁电感=112.5H3、 其他：额定输出功率=200HP=200*735.49875W147.1KW定转速=1750rpm,互感=2.621H，转动惯量J=2.5kg.4. 必要参数推算；取电机的机械效率,，额定电流，飞轮力矩，电动势常数，额定负载转矩控制方式：双极式直流PWM-M可逆调速系统采用转速电流双闭环控制，其中电流环（内环）采用典型I系统，转速环（外环）采用典型II系统，按照“先内后外”的原则，运用工程设计法设计电流调节器ACR，转速调
8、节器ASR，ACR，ASR均采用PI型，给定信号为。调节器参数设计：1. 电流调节器ACR：取过载系数，电流反馈系数电机转矩时间常（忽略整流桥电阻）电机电磁时间常数（忽略整流桥内阻级电感）三项晶闸管整流平均失控时间三项晶闸管放大倍数取电流反馈滤波时间常数电流环的小时间常数根据要求电流超调量，电流环按典型I型系统设计，ACR采用PI调节器其传递函数为其中，电流调节器超前时间常数：电流环开环增益：校验近似条件电流环截止频率：1） 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件2） 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件3） 校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件计算调
9、节器电阻电容按所用运算放大器2. 转速调节器ASR：转速反馈系数为了加快转速转速调节速度，转速环按典型II系统进行设计，选取中频段宽度h=5，ASR采用PI调节器，取转速反馈滤波时间常数ASR传递函数为： 其中， ASR的超前时间常数为：转速环开环增益为检验近似条件：根据可知：转速环截止频率为：1）电流环传递函数简化条件 ， 满足简化条件2） 转速环小时间常数近似处理条件 ，满足近似条件计算调节器电阻电容取,则，取参数汇总：参数转速调节器ASR电流调节器ACR放大倍数 0.14积分时间常数调节器输出限幅转速反馈系数0.00571电流反馈系数0.0222. 硬件电路原理分析设计思路：由于51单片
10、机I/O数量有限，而本次设计外设芯片较多，故先从I/O口占用最多的外设入手设计，然后再一步步向着占用最少I/O口的芯片，逻辑上先设计采样显示部分，然后设计模拟输出控制环节。分模块进行设计：数码管显示模块：四位数码管段选加位选总共有12位，两个四位数码管最多可占用24个I/O口，这既不方便控制，也导致资源占用过度。可采用采用分时动态扫描，将数码管段选共用一组I/O口，位选分时扫描，可让资源利用最大化，缺点是占用I/O口较多。A/D输出模块：TLC2543是一款12位精度的串行输出的A/D转换芯片，可以大大节省I/O资源，并且还可以选择双极性输出，其工作时序图如下：D/A输出模块：DAC0832是
11、8分辨率的D/A转换集成芯片。在单片机应用系统中，由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。其最大优点是有一种直通输出模式，只需将数字输入端与51单片机接口相连，其控制端该接地的接地，接VCC的接VCC就可以根据输入的数字量输出相应的模拟量，又可以节省I/O资源又可以方便编程。其连接图如下：键盘输出模块：经过以上的设计，单片机还剩下4个可用I/O口，而本次设计需要有6种输入（起动，停止，加速，减速，突加给定，正反转切换），如果一个按键实现一个功能，I/O口明显不够，如果采用编码器输入的方式会使得设计难度大大增加而且成本也会增加。后来经分析发现正反转切换可由DAC
12、0832的基准电压的改变来实现，而启动停止可由一个常闭开关实现。故设计电路图如下：硬件电路在Proteus中原理图见下:说明：此为电流单闭环的原理图，器件为89c58单片机（双列直插40针）注：相应的软件电路和硬件电路以及相应的程序在附加文件中。4、 调试结果分析及结论仿真结果及分析：1、 额定负载启动：a.励磁电流波形分析：励磁电流稳定在1Ab.电枢电流波形分析：电枢电流在满载启动时，约1.2s达到稳定，平均值稳定在额定电流在309.68A上下，因为采用直流PWM控制，所以会产生脉动。电流最大值大约610A，实际过载系数为2,满足要求，可以接受。c.输出转矩T波形分析：转矩与电枢电流类似，两
13、者成正比例关系，转矩有脉动，输出平均值稳定在额定转矩813.3N.m。d.转速n波形分析：转速有超调，大约1.2s后稳定在额定转速1750RPM，因为采用直流PWM控制，转矩必定要有脉动。2.满载载启动4s后加负载仿真结果及分析a.励磁电流仍然稳定在1Ab.电枢电流波形分析：电枢电流在4s加负载后，连续，且平均值略有上升，满足要求。c.输出转矩T波形分析：加负载后，输出转矩为了与负载平衡，略有上升，平均值最终稳定在负载转矩813.3N.m+40.67N.m=853.97N.m。d.转速n波形分析：转速在4s加负载后下降，然后逐渐稳定，与加负载前相比，平均值略有下降。3.满载启动后，给定信号变为
14、-10，a.励磁电流稳定在1Ab.电枢电流波形分析：电枢电流变为负号，数值与正向给定相等，稳定时平均值大约为309.68A。c.输出转矩T波形分析：输出转矩变为负数，数值与正给定相等，大约为-813.3N.m。3.检验是否符合要求：1、 调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机可逆运行，系统在工作范围内能稳定工作。给定为0.8时，电机转速为140rpm.,符合要求2. 系统静特性良好，理论上实现无静差。3. 动态性能指标：转速超调量小于5%，电流超调量小于5%，动态最大转速降小于10%。4. 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。5. 调速系统中设置有过电压、过电流保护，并且能够实现制动运
15、行。6. 给定信号对应范围控制在10V之间。符合设计要求！硬件部分：控制程序及注解（基于C语言）：#include#include#includesbitpwm=P37;sbitclock=P17;sbitDIN=P15;sbitDOUT=P14;sbitcs=P16;sbitbit1=P20;sbitbit2=P21;sbitbit3=P22;sbitbit4=P23;sbitkey1=P11; /启停sbitkey2=P12; /正转sbitkey3=P13; /反转sbitIN1=P24;sbitIN2=P25;#defineuintunsignedint#defineucharunsi
16、gnedcharuintc;uintcnt;uintspeed;uintpulse;uintcount;floatsetspeed;float AD;uintt0_flag;uintout;uintpwm_cnt;uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; /无小数点的数字 共阳/*/uint read2543(uchar M) uchar i,ctrl;uint ad;DOUT=1;ctrl=M;cs=1;clock=0;cs=0;for(i=0;i8;i+) DIN=ctrl&0x80;ctrl=1
17、;clock=1;ad=1;if(DOUT)ad=ad+1;clock=0;for(i=8;i12;i+) clock=1;ad0;x-) for(y=z;y0;y-);/*/void display(uint dat) /速度显示 uintqian,bai,shi,ge;qian=dat/1000;bai=dat%1000/100;shi=dat%1000%100/10;ge=dat%1000%100%10;bit1=1;P0=tableqian;delay3(15);bit1=0; bit2=1;P0=tablebai;delay3(15);bit2=0;bit3=1;P0=tablesh
18、i;delay3(15);bit3=0; bit4=1;P0=tablege;delay3(15);bit4=0;/*/void delay4(uint t) /20*t us延时 uchar i,j;for(i=0;i0;j-);/*/voidkeyscan(void)if(key1=1) /启停 delay4(200);if(key1=1) IN1=0;IN2=0;else if(key1=0) delay4(200);if(key1=0)if(key2=0) /正转 delay4(200); /延时4ms去抖if(key2=0) IN1=1;IN2=0; elseif(key3=0) /
19、反转 delay4(200);if(key3=0) IN1=0;IN2=1; else IN1=0; IN2=0; /*/struct _PIDfloat Setspeed;float Actualspeed;float error0;float error1;float error2;float Kp,Ki,Kd;pid;void PID_int()pid.Setspeed=0.0;pid.Actualspeed=0.0;pid.error0=0.0;pid.error1=0.0;pid.error2=0.0;pid.Kp=1.11;pid.Ki=0.31;pid.Kd=0.0;float
20、PID_realise(float setspeed,float speed)float incrementSpeed;float outspeed;pid.Actualspeed=speed;pid.Setspeed=setspeed;pid.error0=pid.Setspeed-pid.Actualspeed;incrementSpeed=pid.Kp*(pid.error0-pid.error1)+pid.Ki*pid.error0+pid.Kd*(pid.error0-2*pid.error1+pid.error2);outspeed+=incrementSpeed;if(outsp
21、eed=400)outspeed=400;if(outspeed=5)outspeed=0;pid.error2=pid.error1;pid.error1=pid.error0;return outspeed;/*/void T0_time() interrupt 1 /50ms定时中断peed=pulse*12;pulse=0;setspeed=AD*400/4095;out=(uint)PID_realise(setspeed,speed);TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;/*void T1_time() interrupt 3 /
22、50us定时中断 pwm_cnt+; if(pwm_cnt=out) pwm=1; elsepwm=0;if(pwm_cnt=400) pwm_cnt=0; TH1=(65536-50)/256; TL1=(65536-50)%256;/*/voidmain (void)TMOD=0x11; /T0定时模式0，T1定时模式1TH1=(65536-50)/256; TL1=(65536-50)%256;TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256;speed=0;out=0;setspeed=0;IN1=0;IN2=0;pulse=0;P0=0;bit
23、1=0;bit2=0;bit3=0;bit4=0;EA=1; /总中断开ET0=1; /T0中断开ET1=1; /T1中断开EX0=1; /外部中断0开IT0=1; /外部中断0下降沿触发TR0=1; /T0定时启动TR1=1; /T1定时启动c=200;PID_int();while(1)keyscan();display(speed); AD=read2543(0x00);主要参考文献：1 陈伯时.拖动自动控制系统运动控制系统M. 机械工业出版社，2007. 2 顾绳谷.电机及拖动基础 机械工业出版社 .20073 王兆安，刘进军 .电力电子技术M.机械工业出版社，2006.4 石 玉.电
24、力电子技术题例与电路设计指导M.机械工业出版社，1999.5 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.20056 洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模与仿真.机械工业出版社.20097 吴良杰等. 程序设计基础.人民邮电出版社.20098 郭天祥.51单片机C语言教程-入门、提高、开发、拓展全攻略.电子工业出版社.2009遇到的问题及其解决方法：1. 问题：额定负载下，转速总是达不到额定转速。 原因：因为MOSFET整流桥具有内阻和电感，会分压，如果PWM输出的平均电压为 500V，那么到达电枢端的电压就不是额定电压了。 解决方法：直流电压调整为560V，这样电枢
25、端电压就达到了额定电压，转速也就达到了额定转速。2. 问题：启动电流过大，有一个尖峰脉冲冲击。 原因：启动时，转速为零或者很低，反电动势很小，所以电压很大，电流瞬间增大。解决方法：可以在启动时，加入一个限流电阻，设定合理时间，启动完成后短路切掉此电阻，改善启动性能。3. 问题：单片机原理以及编程陌生。解决方法：上网，借阅图书学习相关理论知识，向同学老师请教。结论：通过设计双极式控制直流PWM-M可逆调速系统，应用工程设计法计算调节器参数，利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型，通过不断调整分析优化，使系统满足了调速范围、静差率等稳态调速指标和跟随性能、抗干扰性能等动态调速指标，完成了设
26、计任务。利用Proteus软件，完成了外围硬件电路的搭建与仿真，实现了电流和转速值的显示，转速给定的设置（具有起动、停止、加速、减速、突加给定、正反转切换功能）。通过这一系列的设计与仿真，完成了完整的电力拖动系统的控制、调速与显示等任务。需要说明的是，这仅仅是在仿真层面上达到了目标，由于在设计过程中，为了简化分析和运算，忽略了很多次要因素，理论上可以接受，但实际系统中依然会出现很多实际问题，需要我们根据所学的各种知识综合运用逐一分析解决。硬件仿真以及校验基本的要求可以实现，但还不能达到很高的水平，有待通过进一步学习来不断完善。心得体会： 经过这次课程设计，我对电力拖动自动控制系统这门课程及相关
27、知识有了更深刻的理解和体会，同时还学到了许多在课本上没有学到的知识。在做该设计之前，我认真查资料，认真学习和理解课本内容。通过设计，我对整流电路及保护电路有了进一步了解；更深的理解了电流调节器（ACR）、转速调节器（ASR）的结构和类型；进一步深刻理解工程设计法的内涵，先内后外，电流环校正成典型型系统，转速环校正成典型型系统。由于之前没有学习过有关单片机的知识，所以在这段时间我通过网上课程，翻阅书本，掌握了基本的单片机知识，虽然还不够熟练，在同学的帮助下，完成了硬件部分的设计与校验，收获很大我要特别感谢老师和同学们在做课程设计期间对我的耐心指导和帮助，引导我把书本上学到的理论知识灵活的运用到实际中去，不断地发现问题，解决问题，改善设计，因此我才能比较圆满完成了此次课程设计。五、指导教师评语及学生成绩指导教师评语:年 月 日成绩指导教师(签字):专心-专注-专业