微机控制脉宽调制直流调速系统.doc

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1、摘 要本设计是直流调速系统，为可控变流装置供电的，为了解决当电机深调速时，机械特性断续，限制了系统的调速范围并存在控制电路复杂，效率低，功率因数小、EMI严重等问题。本系统采用全控型电力电子器件作为功率元件，采用PWM控制技术，实现以单片微型计算机控制的直流脉宽调制电路。本设计采用转速、电流双闭环调速系统，通过双闭环调速系统来反馈转速、电流的变化，通过微型计算机来控制输出转速、电流的大小，系统中主要采用8155扩展芯片来实现单片机与外部系统的连接，通过测速发电机来检测转速、电流的大小并通过光电隔离、A/D转换后经系统将信号传输到单片机，最后通过盘显示反映出检测信号的大小，从而实现了微机控制的脉

2、宽调制直流调速系统。关键词 8051单片机 PWM控制 A/D转换 兰州工业高等专科学校毕业论文 AbstractAbstractThis design is the direct current velocity modulation system, for controllable variable current installment power supply, in order to solve when electrical machinery deep velocity modulation, the physical characteristics off and on, li

3、mited the system velocity modulation scope to coexist in the control circuit complex, efficiency low, the power factor small, EMI was serious and so on the question. This system uses all the controlling electric power electronic device to take the power part, uses the PWM control technology, realize

4、s direct current pulse-duration modulation electric circuit which controls by the monolithic microcomputer.This design uses the rotational speed, the electric current double closed loop velocity modulation system, feeds back the rotational speed, the electric current change through the double closed

5、 loop velocity modulation system, controls the output rotational speed, the electric current size through the microcomputer, in the system mainly uses 8,155 expansions chips to realize the monolithic integrated circuit with the external system connection, examines the rotational speed, the electric

6、current size and through the speed-voltage generator isolates, A/ through the photoelectricityAfter D transforms after the system the signalling to the monolithic integrated circuit, finally through the disk demonstrated reflects the examination signal the size, thus has realized the pulse-duration

7、modulation direct current velocity modulation system which the microcomputer controls.Keywords 8051 monolithic integrated circuits PWM control A/D transforms兰州工业高等专科学校毕业论文 目 录目 录第1章 绪 论1第2章 方案论证42.1 系统总体方案的论证42.2 建立系统的原理框图62.3 脉宽调制（PWM）直流调速系统的构成说明72.3.1 PWM的概述及其实现原理72.3.2 主电路和PWM变换器122.4 采用微机组成脉宽调制（

8、PWM）直流调速系统14第3章 主电路的设计173.1 主电路的设计（电源电路设计）173.1.1 二极管的选择173.1.2 IGBT电压电流参数的选择173.2直流供电电源的设计203.2.1直流供电电源的组成203.2.2相关参数计算203.3 脉宽变换器电路的设计213.3.1 直流脉宽调速系统的机械特性213.4 驱动电路的设计233.4.1 IGBT的驱动233.4.2 PWM变换器253.5 单片机的设计组成263.6 数据采样系统293.7 模/数转换（ADC0809）313.8 数/模转换（DAC0832）323.9键盘接口电路343.9.1 非编码键盘的控制方式有下列三种3

9、43.9.2 非编码键盘的工作原理353.10 显示电路的接口353.10.1 显示器的概述353.11 中断系统373.11.1 中断的概念373.12 显示转速、电压443.12.1 LED显示器443.12.2 LED显示器与8155接口453.13 整流变压器的设计473.13.1 变压器二次侧电压U2的计算473.13.2 一次、二次相电流I1、I2的计算483.13.3 变压器容量的计算49第4章 软件设计504.1 主程序的设计504.2 键盘程序的设计504.3 显示子程序的设计514.4 中断服务程序设计524.5 PWM程序设计55第5章 结 论56致 谢57参考文献58附

10、录A59兰州工业高等专科学校毕业论文 第1章 绪 论第1章 绪 论通常的直流调速系统是以可控变流装置供电的，当电机深调速时机械特性断续，限制了系统的调速范围，并存在控制电路复杂、效率低、功率因数小、EMI严重等问题。本系统采用全控型电力电子器件作为功率元件，采用PWM控制技术，实现以单片微型计算机为核心，可以较好的解决上述问题。自动控制系统的性能优劣，直接影响到产品的质量、产量、成本和劳动条件。因此，和早就为人们所重视，它发展迅速，经历过多次重大的变革。在本世纪2030年代，电动机的调速系统是由接触器和继电器所组成的，他可以实现其正反转、起动、制动以及有级调速等，但调速精度不高，快速性差，且多

11、为手动调速。然而，它具有简单、可靠、成本低等优点。所以，在要求不高的场合至今还在大量的应用。到了40年代，出现了由电机放大机组成的连续的控制系统，它是一种具有反馈环节的闭环控制系统，是无级调速，在调速精度和快速性方面比断续控制系统要好的多。所以在要求较高的场合获的广泛的应用。例如，大型龙门刨床就采用电机放大机发电机电动机控制系统，在50年代，又出现了磁放大器和水银整流器控制系统，这种系统改革了电机放大机发电机电动机控制系统中的机械旋转部分，但是水银整流器的可靠性，维护工作量大，所以，刚刚兴起十几年就被淘汰了。50年代末期，晶闸管元件的出现，开辟了自动控制系统的新纪元，晶闸管自动控制系统具有效率

12、高、体积小、寿命长、反应快、控制特性好、消耗钢材小等显著优点，因而获的了强大的生命力，迅速的取代了其它调速系统。目前，国内已生产0.4KW200KW的晶闸管直流调速系统的定型设计产品，晶闸管交流调速系统也取得了不少进展。70年代以后，随着数控技术的发展，还出现了高精度的数控调速系统，80年代，随着电子计算机和微处理机的推广应用，又出现了由计算机或微处理机控制的自动控制系统，并使的系统的性能达到了一个新的高度。进入20世纪70年代以来，以大规模集成电路和微型计算机为代表的微电子技术，以信息转换与系统综合为代表的自动控制理论，迅速的应用到各个方面。出现了种类繁多的计算机控制的机械、仪器和军械装备、

13、以及具有柔性和集管性、监督和控制一体化的生产线、车间、工厂等。在自动调速系统的发展过程中，自动控制理论有着十分重要的作用。自动调速系统的发方向将是：不断采用先进的电机，电器，变流装置和控制器件，向着微型化、集成化和电机控制装置一体化的方向发展；不断提高自动调速系统的表准化、系列化、通用话水平，提高系统的静态和动态精度、效率、功率因数、可靠性、经济性以及自动化的程度，大量运用新的控制理论，采用电力计算机实现速度，位置等多的参量的数字控制以及综合自动化控制系统。PWM控制系统技术在逆变器电路中的应用最为广泛，在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。全控型电力电子器件的出现，使得性能优

14、越的脉宽调制（PWM）逆变电路应用日益广泛。这种电路的主要特点是：可以得到相当接近正弦波的输出电压电流、减少了谐波、功率因数高、动态响应快、而且电路结构简单。PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到 一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小也可以改变输出电压的频率。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。脉宽调制变换器就是采用脉宽调制的一种直流斩波器。直流斩波调速最早是用在直流供电的电动车辆和机车中，取代变电阻调速，从而获得显著的节能效果。但在一般工业应用中

15、，晶闸管电动机调速系统由于它的明显优点一直占据着主要地位，然而它也存在几个很难克服的问题： （1）存在电流的谐波分量，因而在深调速时转距脉动大，限制了调速范围。（2）深调速时功率因数低，也限制了调速范围。（3）要克服上述困难，就得加大平波电抗器的电感，但电感大又限制了系统的快速性。 近10年迅速发展起来的“全控式”电力电子器件，如何关断晶闸管（GTO），功率晶体管（GTR），电力场效应晶体管（MOSFET）等功率器件容量和开关速度的不断提高，高性能的单片微处理器的高速发展外围电路元件专用集成件的不断出现，使得脉冲宽度调制（Pulse-Width Modulation,缩写为PWM）型可控直流电

16、源越来越受到人们的重视和应用。由PWM电源供电下的直流调速系统与V-M系统相比，在许多方面具有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需要的功率元件少，尤其是可逆系统；（2）开关频率高，无需平波电抗器电流就能连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；（3）低速性能好，稳态精度高，因而调速范围宽；（4）系统给定响应好，动态抗扰能力强；（5）直流电源采用不可控整流时，对电网的功率因数高。随着电力电子器件、计算机控制技术以及电力拖动控制技术的发展，电力拖动自动控制系统多种功能几乎均可通过微处理器借助软件来实现。即从过去的模拟控制向模拟数字混合控制发展，最后实现全数字化。脉宽调制（PWM）直流调速系统就是一种典

17、型的应用系统。在数字化系统中，除具有常规的调速功能外，还具有故障报警，诊断及显示等功能，同时，数子系统常具有较强的通信能力，通过选配适应的通信接口模板，可方便的实现主站（如上一级PLC或计算机系统）和从站（单片机，交、直流传动装置）间的数字通信，组成能够分级多机的自动化系统。为了易与调试，数字系统的软件一般设有调节器参数的自动优化，通过启动自动优化程序，实现自动寻优和确定系统的动态参数以及实现如支直流电动机磁化特性曲线的自动测试等，有利于缩短调试时间和提高控制性能。国外一些电气公司都有了成套系列的与模拟调速系统想对应的全数字交、直流调速装置产品可供选新开发的调速系统几乎是全数字化的。与模拟系统

18、类似，全数字调速系统已发展成为紧凑式和模块式两大类，但全数字调速系统还是有模拟调速系统无法比拟的优点，技术更先进，操作方便。数字化是调速系统自动化的基础，特别是当前网络技术在工业领域的普及与发展，就更加确定了数字控制的主导地位，因此研究该课题具有实际意义。3兰州工业高等专科学校毕业论文 第2章 方案论证第2章 方案论证2.1 系统总体方案的论证在现代工业生产中，从使用电能的形式来看，可将生产机械要求的控制分为直流拖动和交流拖动。支流电动机具有良好的起制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中的到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐

19、步取代直流调速系统。目前，交流拖动控制系统的应用领域主要有以下三个方面：1、一般性能的节能调速和按工艺要求调速；2、高性能的交流调速系统和伺服系统；3、特大容量、及高转速的交流调速。交流拖动系统还有着系统体积庞大、结构简单、工作可靠、效率高等特点。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制的基础。因此，还是应该很好地掌握直流拖动控制系统。直流电动机具有优良的调速特性、调速平滑、方便、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启动、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，在许多需要调速或快速正反转的电力拖动系统中

20、的到广泛的应用。支流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作特性的要求。从机械特性上看就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性和工作特性机械的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井、卷扬机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快。然而，直流拖动系统无论从理论和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。直流电动机的转速调节主要有三种

21、方法：调节电枢供电的电压；减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，其缺点是调速范围不大、控制复杂。因此，在直流调速系统中大多采用变压调速的方式。在变压调速系统中，电动机所需的供电电源有以下三种：1、 旋转变流机组 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（简称GM系统）。用交流电动机和直流发电机组获得可调的直流电压。2、静止式可控整流器 晶闸管电动机调速系统（简称VM系统）。用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。3、直流斩波器或脉宽调整变换器（简称PWM系统）用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用电力电子开关器件或进行脉宽调制，产生可变的

22、平均电压。旋转变流机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此没，设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪音，维护不方便。晶闸管整流器也有它的缺点：首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难，由半控整流电路构成的VM系统，只允许单象限运行，全控整流电路可以实现有源逆变，允许电动机工作在反转制动状态，因而能获得二象限运行，必须进行四象限运行时只好采用正、反两组全控整流电路，所以变流设备要增加一倍。晶闸管的另一个问题是对过电压，过电流和过高的du

23、/dt、di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能杂很短的时间内损坏，因此必须有可靠的保护电路和符合要求的散热条件，而且在选择器件是还应留有适当的余量。与VM系统相比,PWM 系统在很多方面有叫大的优越性：1、主电路简单，需要的功率器件少；2、开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都叫小；3、低速，性能好，稳速精度高，调速范围宽。可达1:10000左右；4、若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽。动态响应快，动态抗扰能力强；5、功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开光频率适当时，开关损耗也大；因而装置效率较高；6、直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。上

24、述优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别是在中小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了VM系统,故本次设计用PWM脉宽调制系统。设计中所选电力电子器件及其发展电力电子器件是电力电子学发展的基础。目前，电力电子器件主要有硅整流二极管、晶闸管、双极型功率晶体管、场效应晶体管和绝缘基极的功率晶体管，这些器件正沿着功率化、快速化、模块化和智能化方面发展。在高电压大电流的应用中(如高压直流输电，无功补偿等)，目前晶闸管仍占主导地位，但有IGBT开关速度快，又是电压驱动元件，控制灵活，因此在100KW以下的电力变换器中，IGBT当然是佼佼者。也正以为如此，IGBT发展很快，开关电源中的单管IGBT元

25、件已有取代MOSFET的趋势。在IGBT模块化方面，已有把驱动与保护都集成在一块的智能模块，还有将整流和逆变器集成在一块的功率集成模块，电力半导体器件的发展，自然助进了电力电子装置的发展与更新换代。本次设计中选用的电力电子器件有整流二极管、可控晶闸管。2.2 建立系统的原理框图 此次课题设计一个直流调速系统，包括主电路、控制电路和各种保护电路。主电路有三相整流电路和脉宽变换器电路;控制电路主要有8051单片机、检测回路、驱动电路、按键输入、数码显示等构成；检测回路又包括电压检测、电流检测、温度检测、转速检测等。其原理结构框图如下所示：2.3 脉宽调制（PWM）直流调速系统的构成说明本系统用一台

26、单片机及外部扩展设备代替原系统中的速度调节器、电流调节器、逻辑切换单元、电压记忆环节、锁零单元和电流自适应调节器等。从而使直流调速系统实现数字化，使系统运行更加精确。2.3.1 PWM的概述及其实现原理图2.2是利用开关管MOSFET对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。在图（a）中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平是，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2秒后，栅极输入又重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图（b）所示。电

27、动机的电枢绕组两端的电压平均值U0为：U0=（t1Us+0）/（t1+ t2）= t1Us/T=Us 式中 占空比，= t1/T占空比表示在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为 由式可知，当电源电压Us不变的情况下，电枢的端电压的平均值U0取决于占空比的大小，改变占空比的值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速的原理。在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下三种方法都可以改变占空比的值。 （1）定宽调频法这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之变化。（2）调频调宽法这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T（或频率）也

28、随之变化。（3）定频调宽法这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用的很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 PWM直流调速系统原理图如图2.3所示。UR整流器 UPEM桥式可逆电力电子变换器 GD驱动电路 UPW-PWM 波生成环节 ASR 转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA霍尔电流传感器 在PWM可逆直流调速系统原理图中，TG测速发电机，当调速精度要求较高时可采用数字测速码盘；TA霍尔电流传感器，GD为驱动电路模板，内部

29、含有光电隔离电路和开关放大电路。UPW为PWM波生成环节，其算法包含在单片机软件中。转速调节器ASR和电流环节ACR大多采用PI调节。当系统 动态性能要求较高时，还可以采用各种非线性和智能化的控制算法，使调节器能够更好地适宜控制对象的变化。PI调节器电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的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算法，这就是模拟调节器的数字化。当输入误差e(t)，输出函数是u(t)时，PI调节器的传递函数如下式： （1） 现再列出如下： （2）式中 PI调节器比例部分的放大系数 PI调节器的积分时间常

30、数按式（1） U(t)和e(t)关系的时域表达式可写为 （3）其中为比例系数， 为积分系数 将上式离散化成差分方程，第K拍输出为= （4）其中，Tsam为采样周期。数字PI调节器有位置式和增量式两种算法，式（4）表书的差分方程为位置式算法， U（k）为第K拍的输出值。由等号右侧可以看出，比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的积累。位置式PI调节器的结构清晰，P和I两部分作用分明，参数调整简单明了。由式（4）可知，PI调节器的第K1拍输出为 （5）由式（4）减去式（3）可得 （6）式（6）就是增量式PI调节器算法。可以看出，增量式算法只需要当前和上一拍偏差即可计算输出的偏差

31、量。PI调节器的输出可由下式求得： （7）只要在计算机中多保存上一拍的输出值就可以了。在控制系统中，为可安全起见，常须对调节器的输出实行限幅。在数字控制算法中，要对U限幅，这需在程序内设置限幅值Um，当U(k)Um时，便以限幅值Um作为输出，不考虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全相同，考虑限幅则两者略有差异，增量式PI调节器算法只需输出限幅，而位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。若没有积分限幅，当反馈大于给定，是调节器退出饱和时，积分项可能仍很大，将产生较大的退饱和和超调。转速调节器和电流调节器各有以下作用：在调速系统中转速调节器的作用有以下几点：（1） 转速调节器是调速系统的

32、主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2） 对负载变化起抗扰作用。（3） 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。电流调节器有以下作用：（1） 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化。（2） 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3） 在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4） 当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。在使

33、用转速调节器时，要注意的是，有测速发电机得到的转速反馈电压含有换相纹波，因此需要滤波。滤波时间常数用Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为Ton的给定滤波环节。2.3.2 主电路和PWM变换器 在该系统中，主电路采用三相桥式整流电路，其结构图如下所示： 脉宽变换器采用桥式可逆PWM变换器，其基本原理图如下所式：可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）原理图如上所示注时，电动机的两端电压UAB的极性随开关器件驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。双极式控制的可逆

34、PWM变换器的4个驱动电压波形如图所示，它们的关系是：Ug1=Ug4= -Ug2= -Ug3。在一个开关周期内，当0tTon时，UAB=U5。电枢电流id沿回路1流通，当TontT时，驱动电压反相，id沿回路2经二极管续流，UAB= -U5，因此UAB= -U5，因此UAB在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。下图也绘出了双极式控制时的输出电压和电流波形。id相当于一般负载的情况，脉动电流的方向始终为正，id2相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。在不同的情况下，器件的导通、电流的方向与回路都和有制动电流通路的不可逆PWM变换器相似。电动机

35、的正反转则体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，TonT/2,则AB的平均值为正，电动机正转，反之则反转；如果正、负脉冲相等，Ton=T/2，平均输出电压为零，则电动机停止。图中所示的波形是电动机正转时的情况。 图2.6 双极式控制时的输出电压和电流波形双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为： 若占空比和电压系数r的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中r=21就和不可逆变换器中的关系不一样了。 调速时，的可调范围为01，相应地r= -1 +1，当时，r为正，电动机正转；当时，r为负，电动机反转；当=时，r=0,电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是

36、正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗，这是双极式控制的缺点，但它也有好处，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。2.4 采用微机组成脉宽调制（PWM）直流调速系统 随着科学技术的迅速发展，微机控制技术的应用领域日益广泛，如在冶金、化工、电力、建材、自动化机床、工业机器人控制、柔性制造系统和计算机集成制造系统等工业控制方面，已取得了令人瞩目的研究与应用成果，并在国民经济中发挥着越来越大的作用。工业控制一般是指对工业生产过程及其机电设备进行控制的自动化技术，目前已惯称为

37、“微机控制技术”是计算机技术与自动控制技术结合的产物。 以微处理为核心的数字控制系统（简称微机数字控制系统）硬件电路的标准化程度高制作成本低，且不受器件温度漂移的影响，其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。总之，微机数字控制系统的稳定性好、可靠性高、可以提高控制性能，此外不拥有信息存储，数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。 由于微机只能处理数字信号，因此与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。1. 一般控制系统的控制量和反馈量都是模拟的连续信号，为了把它们输入计算机，

38、必须首先在具有一定周期的采样时刻对它们进行实时采样，形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。2. 采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟信号，不能直接送入计算机，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号，这就是数字化。离散化和数字化的结果导致了信号在时间上和量值上的不连续性从而会引起下述的负面效应：1. 模拟信号可以有无穷多的数值，而数码总是有限的，用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和平滑性。2. 经过计算机运算和处理后输出的信号仍是一个时间上离散、量值上数字化的信号，显然不能直接作用与被控对象，必须有数模转

39、换器D/A和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。但是保持器会提高控制系统传递函数分母的阶段，使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏系统的稳定性。 随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。本次设计的内容是微机控制的脉宽调制（PWM）直流调速系统，该系统采用全控型电力电子器件作为功率元件，采用PWM控制技术实现以单片微型计算机为核心，对系统进行调速操作。微机控制的双闭环直流调速系统原理图如下： 图2.7 双闭环直流调速系统原理图微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE可以是晶闸管可控整流器，也可以是直流PWM功率变换器，

40、本次设计就是采用直流PWM功率变换器，其结构图如图2.7所示，如果采用晶闸管可控整流器，只是不用微机中的PWM生成环节，而采用不同的方法控制晶闸管的触发相角。直流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。采用微机控制后，整个调速系统可以实现全数字化，结构简单、可靠性提高，操作维护方便，电机稳态时的稳速精度可达到较高水平，各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。本次设计用8051单片微机作主控制器，检测环节都实现数字化的微机数字控制电机的双闭环调速系统。 61兰州工业高等专科学校毕业论文 第3章 主电路的设计第3章 主电路的设计3.1 主电路的设计（电源电路设计）本

41、次设计主电路采用电源由交流电网经不可控的二极管整流器产生，单相整流电路输出电压脉动较大，还将造成电网三相电压的不平衡，影响其它用电设备的正常运行。因此，实用中常采用三相整流电路，由于三相整流电路具有输出电压脉动小、脉动频率高，网侧功率因数高以及动态响应快的特点，在大、中功率领域中获得了广泛的应用。本次设计中定的参数：电源电压380V， 输出电压110450V， 电动机额定功率10KW， 电压220V， 电流55A， 额定转速1000r/min， 电枢电阻0.5。3.1.1 二极管的选择根据给定参数电源电压380V，输出电压110450V，我们选择选择的二极管应能承受的电压为500V，有电动机启

42、动时启动电流应小于额定电流的1.52倍可知，选择二极管能承受的电流最小应为110A，我们选择的二极管型号应该是500V.200A。其电路图如图3.1所示：图中FU分别为过电压保护和过电流保护的熔断器 3.1.2 IGBT电压电流参数的选择合理地选择IGBT，就是在晶闸管装置可靠运行的前提下，降低成本，获得较好的技术经济指标。在采用普通型IGBT的变换电路中，主要是正确地选择IGBT的额定电压与额定电流参数。这些参数的选择主要与变换电路的型式，电流电压与负载电压电流的大小，负载的性质的大小有关。由于在工程实际中，各种因素差别较大，因此要精确计算IGBT电流值是较为繁复的，故要按实际情况选择IGB

43、T元件。一般，IGBT的参数计算及选用原则如下：（1） 计算每个支路中IGBT元件实际承受的正、反向工作峰值电压。（2） 计算每个支路中IGBT元件流过的电流有效值和平均值。（3） 根据整流装置的用途、结构、使用场合及特殊要求等确定电压和电流的储备系数。（4） 根据各元件的制造厂家提供的元件阐述水平并综合技术经济指标选用IGBT元件。一、 IGBT额定电压UTe的选择IGBT额定电压必须大雨元件在电路中实际承受的最大电压Um，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数。既按下式选取 UTe=（23）Um 式中系数（23）的取值，应视运行条件，元件质量和对可靠性的要求程度而

44、定。通常，对要求高可靠性的装置取值最大。不同整流电路中，IGBT承受的最大峰值电压Um不同，如表1所示。按式所计算的UTe值，选取相应电压级别的晶闸管元件，同时还必须在电路中采取相应的过电压保护措施。表1 整流器件的最大峰值电压Um和通态平均电流的计算系数Kfb整流主电路单相半波单相双 半波单相桥式三相半波三相桥式带平衡电抗器的双反星形UmKfb（a=0 o）电阻负载10.50.50.3740.3680.185电感负载0.450.450.450.3680.3680.184二、IGBT额定（通态）平均电流IT(AV)的选择为使IGBT元件不因为过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即

45、必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值，IGBT流过正弦半波电流的有效值I和额定值（通态平均电流）IT(AV)关系，当a=0o时为 I=157IT(AV) 在各种不同型式的整流电路中，流经整流元件的实际电流有效值等于波形系数Kf与元件电流平均值的乘积，而元件电流平均值为Id/kb,（式中kb,为共阴极或共阳极电路的支路数）。考虑（1.52）倍的电流有效值安全系数后，式可以写成为： (1) 式中计算系数 ，当a=0o时，不同整流电路、不同负载性质时的Kfb值示于表中。对非标准负载等级，根据一般IGBT元件的热时间常数，通常取负载循环中热冲击最严重的15min内的有效值作为直流电流的额定值。即 (2)式中 负载循环曲线中，热冲击最严重的15min内的电流“阶梯”数； 各级电流的持续时间（min）。按式计算的IT(AV)值，还应注意如下因素的影响：但环境温度大