138 8462 4522

新闻中心News

产品中心 Services

真钱扑克大全220V直流电机调速硬件实现

  220V直流电机调速硬件实现_电子/电路_工程科技_专业资料。220V/200W他励直流电机调速器硬件实现

  目 录 一、设计要求和方案选型 ..................................................................................................... 1 1.1 设计要求............................................................................................................................ 1 1.2 方案选型............................................................................................................................ 1 二、电路设计 ....................................................................................................................... 3 2.1 电机参数设置.................................................................................................................... 3 2.2 主电路设计........................................................................................................................ 4 2.3 励磁系统设计.................................................................................................................... 5 2.4 控制器设计........................................................................................................................ 5 2.4.1 电流环 ACR 整定与设计: .................................................................................... 5 2.4.2 速度环 ASR 整定与设计: .................................................................................... 6 2.4.3 抗饱和限幅器......................................................................................................... 7 2.4.4 运放选择................................................................................................................. 7 2.5 PWM 发生器....................................................................................................................... 8 2.6 光耦隔离电路.................................................................................................................... 9 2.7 驱动电路.......................................................................................................................... 10 2.8 电流传感器...................................................................................................................... 11 三、仿真测试 ..................................................................................................................... 11 3.1 MATLAB/Simulink 平台仿真 ............................................................................................. 11 3.2 Saber 平台仿真 ................................................................................................................ 13 四、实物的制作与调试 ....................................................................................................... 14 4.1 制作与调试...................................................................................................................... 14 4.2 成本分析.......................................................................................................................... 16 五、硬件测试 ..................................................................................................................... 16 5.1 静态测试.......................................................................................................................... 16 5.2 空载启动测试.................................................................................................................. 16 5.3 带载启动测试.................................................................................................................. 17 5.4 负载扰动测试.................................................................................................................. 17 5.5 电压波动测试.................................................................................................................. 18 六、总结与展望.................................................................................................................. 19 七、心得体会 ..................................................................................................................... 19 参 考 文 献 .......................................................................................................................... 21 附录 A 电路设计原理图 ..................................................................................................... 22 附录 B 电路设计 PCB 布局图 .............................................................................................. 23 重庆大学硕士研究生考核试卷 双闭环直流电机调速系统的设计与实现 一、设计要求和方案选型 1.1 设计要求 设计制作一套双闭环直流调速系统,并满足以下指标: (1)变换器额定:输入单相交流 220V,输出直流电压 0~300V 可调; (2)电机:他励,单象限即可,220V/1.2A,调速范围 0~1600rpm; (3)模拟控制实现(数字控制实现,可选,以做出来为准) ; (4)用面包板完成(基本要求) ;PCB 电路板(拓展部分) ; (5)动态响应速度:≤2s; (6)转速超调量:≤50%; (7)不同工况下的稳态转速偏差率:(n0–n)/n0 ≤5%; (8)过流保护:200%,停机; (9)失步保护:150%~200%,停机; 发挥部分:自由创新,PCB 电路板设计制作,软开关电路,卸荷电路、通 信部分等。 除技术指标外,设计过程还应考虑到系统的安全可靠性、经济实用性、简单 便捷性等适用于生产的性能。 1.2 方案选型 直流电动机转速 n 与其他参量的关系可表示为: n= Ua ? Ia R Ce Φ 式(1.1) 式中: U a ——电枢电压,V; I a ——电枢电流,A; R ——电枢回路总电阻,Ω; Φ ——励磁磁通,Wb; Ce ——与电机结构有关的电动势常数。 由上式可知, 改变电枢电压、 电枢回路电阻、 励磁磁通均可以调节电机转速。 降低电枢电压调速必须有可调压的直流电源,转速随电压降低而下降,人为 特性硬度不变、转速运行稳定,可无级调速。 电枢回路串电阻调速,串入电阻越大,机械特性越软,转速越不稳定。低速 第 1 页/共 23 页 双闭环直流电机调速系统的设计与实现 时串电阻越大,损耗能量也越多,效率变低。调速范围受负载大小影响,负载大 调速范围广,轻载调速范围小。 弱磁调速控制方便,能量损耗小,调速平滑。受最高转速限制,调速范围不 大。 对比上述三种调速方法,对于要求在一定范围内无级调速的直流传动系统, 最好的选择是改变电枢电压调节转速。 改变电枢电压调速需要可调压的直流电源, 常见的可控直流电源有以下三种: (1)旋转变流机组,用交流电动机和直流发电机组成机组,以获得可调的 直流电压; (2)静止可控整流器,如晶闸管整流装置,产生可调的直流电压; (3)直流斩波器或脉宽调制变换器,用恒定直流电源或不可控整流电源供 电,利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。 由于采用全控型器件的 PWM 调速系统的开关频率高,因此系统的频带宽, 响应速度快, 动态抗干扰能力强; 系统的低俗性能好, 稳速精度高, 调速范围广, 同时电机的损耗和发热较小。主回路的电力电子器件工作在开关状态,损耗小、 效率高,主回路所需功率元件少,线路简单、控制方便。因此本次设计采用先将 工频交流电经不可控整流桥整成直流, 再利用 PWM 技术实现脉宽调压作为可控 直流电源。 控制电路分为模拟电路和数字电路。 与模拟电路相比, 数字电路具有精度高、 可靠性高、抗干扰能力强、稳定性好、便于信号计算等优点,市场上多数直流调 速系统采用数字控制电路。模拟电路是控制电路的基础,具有成本低、电路实现 简单等优势,在精度要求不太高的场合容易实现。因此,在直流调速系统中我们 选择了模拟电路控制。实现脉宽调制可以采用 buck 电路或 H 桥电路,buck 斩波 电路只需一个开关管,不用考虑死区时间,控制简单,但在单象限运行。而且由 于管子少,对开关管的耐压耐流要求较高。H 桥电路需要四个开关管,电路结构 复杂,需要考虑死区时间,控制电路复杂。但 H 桥电路可以在四个象限工作, 实现电机正反转运行, 而且对管子的耐压耐流要求不高。由于课程要求电机单象 限运行,从经济性的角度和控制简单的方向出发,使用 buck 斩波电路是最好的 选择。 为了既能实现转速的无静差调节,又能获得较快的动态响应,采用转速、电 流双闭环调速。双闭环调速系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,二者 之间实行串级连接如图所示: 第 2 页/共 23 页 重庆大学硕士研究生考核试卷 图 1.1 系统结构框图 二、电路设计 2.1 电机参数设置 根据实际测量标定的电机参数,见下表: 表 1.1 电机参数表 参数名称 电枢电阻(Ra) 电枢电感(La) 励磁电阻(Rf) 励磁电阻(Lf) 电机电磁常(Ce) 电机额定电流 参数数值 42.5Ω 440.91mH 2.031kΩ 49.376H 0.1474V*min/r 1.2A 参数名称 电磁时间常数(Ts) 机械时间常数(Tm) 转动惯量(J) 励磁电阻互感(Laf) 电机机械常数(Cm) 励磁额定电压 参数数值 0.01s 0.05 0.00233kg*m^2 12.994H 1.408N*m/A DC-220V 测速电机反馈系数:0.005.电流互感器选择 CHB-25NP/SP6 宇波模块,它是 变比为 1000:16 闭环霍尔元件, 输出的为电流信号。 若前极运放输出最大值为 13V, 则为了匹配此电压, 可以适当的配置测量电阻的值。本设计中当电机电流饱和为 额定值 1.2A 的时候电流互感器输出为 0.0192A,这时输出电压因达到运放的饱 和输出,也就是 13V. 所以: = Rm 13 = / 0.0192 677.0833 采样电阻选为 680Ω. 电流反馈系数为: 式(2.1) β = 13 ( / 1.5 × 1.2 = ) 7.22 第 3 页/共 23 页 式(2.2) 双闭环直流电机调速系统的设计与实现 2.2 主电路设计 本设计主电路是一个基于 BUCK 电路的调压电路,实现的功能是根据控制 部分输出信号控制 MOSFET 通断,从而控制电机负载电枢两端的电压,从而达 到调速的目的。其设计如下图所示: 图 2.1 主电路 前级主要是一个 AC-DC 的转换,采用经典的保护+EMC+整流滤波的结构, 由于比没有要求转向控制,故采用单开关管,免去了死区的考虑。保险丝选 5A 为其熔断电流,NTC 是为了防止浪涌电流而设计,X 电容采用安规电容 330,Y 电容采用高压瓷片电容。 L1 为扼流圈。 考虑到电机额定电流为 1.2A, 为了可靠, 整流桥采用过流能力为 3A 的 KPB307,其耐压高达 700V,完全满足要求。滤波 电容采用 400V/300uF 的电解电容。 在外接市电情况下, 直流母线 为电容的势能电阻,在系统关机后,能将电容中储存的电快速消耗。本 设计设计了一个指示灯,关机后若指示灯熄灭,则电容中的电被完全消耗。 开关管选择了 IRFP450 N-MOSFET. 该 MOSFET 可以开断高达 500V 的电压, 栅源电压可以承受±30V 的电压,常温下(25℃)可以通过高达 14A 的电流,开通 时间 43ns,关断时间 700ns,在本设计中可以视为理想状态。可以说 IRFP450 N-MOSFET 是本设计的最佳选择。在 MOSFET 上方并联 RCD 吸收电路,防止 MOS 漏源电压过大,而导致 MOSFET 的损坏。若开关断开,蓄积在寄生电感中 能量通过开关的寄生电容充电, 开关电压上升。 其电压上升到吸收电容的电压时, 吸收二极管导通,开关电压被吸收二极管所嵌位,约为 1V 左右。寄生电感中蓄 积的能量也对吸收电容充电。开关接通期间,吸收电容通过电阻放电。 续流二极管采用 FR307 超快恢复二极管,耐压 700V,过流能力为 3A,满 足设计要求。电感设计不用太大,因为电机本身就是个大电感,1mH 即可。最 后在电枢回路串入电流互感器,测量电枢电流。 第 4 页/共 23 页 重庆大学硕士研究生考核试卷 2.3 励磁系统设计 由于电机需要一个直流 220V 励磁源。本设计采用调压器加整流桥的方法将 滤波电容的输出调为 220V 即可。 2.4 控制器设计 本设计是一个直流双闭环调速系统,具有两个闭环,也就具有两个 PI 控制 器。PI 控制器的作用是修正误差,使得当前转速跟踪设定转速,从而达到自动 调速的目的。根据工程 PI 整定的方法: 2.4.1 电流环 ACR 整定与设计: = Kp Tl Ra 0.01× 42.5 = = 0.1557 2 K β (Toi + Ts ) 2 × 90 × 7.22 × (0.002 + 0.0001) = Ki Kp 0.1557 = = 15.57 0.01 τ (Tl ) 式(2.3) 式(2.4) 其中 K 是变换器增益系数,本设计取 90. 在实际电路上该 PI 控制器是由两个运放组成的深度负反馈放大电路组成, 其构造如下所示: 图 2.2 ASR 调节器 其原理是:将输入的两个量经过 LPF 滤波之后相加,再乘以一个负的 PI 传 递函数,其总的传递函数为: R 1 1 )(? U* ?( i + Uc = i +β I d ) R0 Ri Ci s 其中: 式(2.5) Kp = Ri R0 式(2.6) 第 5 页/共 23 页 双闭环直流电机调速系统的设计与实现 = Ki 滤波时间常数: Ton = Kp = Kp Ri Ci τ 式(2.7) 1 R0Coi =0.002 4 式(2.8) 经过计算和调整, 并匹配实际阻值和容值: 将 R0/2 选为 20kΩ, 即 R0=40kΩ, Ri=15kΩ,Cn=1uF(105),Con=0.22uF(224). 实际操作中用了一个 20kΩ(203)电位 器做为反馈电阻,方便对 PI 参数进行调节。平衡电阻 Rbal=R0//R0=20KΩ. 2.4.2 速度环 ASR 整定与设计: = Kp (h + 1) β CeTm (5 + 1) × 7.22 × 0.1474 × 0.05 = = 10.580 2haRa [2(Toi + Ts ) + Ton ] 2 × 5 × 0.005 × 42.5 × [2 × (0.002 + 0.0001) + 0.01] 式(2.9) = Ki Kp 10.58 = = 149.0141 h × [2(Toi + Ts ) + Ton ] 5 × [2 × (0.002 + 0.0001) + 0.01] 式(2.10) 在实际电路上该 PI 控制器是由两个运放组成的深度负反馈放大电路组成, 其构造如下所示: 图 2.3 ASR 调节器 其原理是:将输入的两个量经过 LPF 滤波之后相加,再乘以一个负的 PI 传 递函数,其总的传递函数为: * -U = ( i Rn 1 1 * + )(U n +(-α n)) R0 RnCn s 式(2.11) 其中: 第 6 页/共 23 页 重庆大学硕士研究生考核试卷 Kp = Rn R0 Kp RnCn 式(2.12) = Ki 滤波时间常数: Ton = Kp = τ 式(2.13) 1 R0Con =0.01 4 式(2.14) 经过计算和调整, 并匹配实际阻值和容值: 将 R0/2 选为 20kΩ, 即 R0=40kΩ, Ri=500kΩ,Cn=0.33uF(334),Con=1uF(105). 实际操作中用了一个 1MΩ(105)电位 器做为反馈电阻,方便对 PI 参数进行调节。平衡电阻 Rbal=R0//R0=20KΩ. 2.4.3 抗饱和限幅器 由于考虑积分器饱和会使得运放饱和,为了让前后级更好的配合,需要在电 流环输出加一个限幅装置,使得运放在饱和的时候输出的值匹配下一级(TL494) 的载波负值范围。限幅电路的结构如下: 图 2.4 限幅电路 它的原理是, 在二极管不导通的时候正常输出,在二极管导通的时候限幅输 出限幅电压等于电位器输出电压叠加运放输出电压。调整 RV9 调整限幅上限, 调整 RV10 调整限幅下限。在实际操作过程中,在运放输出正向饱和电压时,调 节电位器使得该电路两二极管中间电压为输出为 3V,在运放负向饱和输出时, 调节电位器使得使得该电路两二极管中间电压为输出为-0.5V. 2.4.4 运放选择 NE5532 是高性能低噪声双运算放大器(双运放)集成电路。与很多标准运 放相似, 但它具有更好的噪声性能, 优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽, 电源电压范围大等特点,在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之 皇”。该运放在功放音频电路中一般作为前置放大。示意图如下图所示: 第 7 页/共 23 页 双闭环直流电机调速系统的设计与实现 图 2.5 NE5532 引脚图 在本设计中按照 PI 结构,将一片 NE5532 集成的双运放并联形成一个可靠 的 PI 调节器。 将两个调节器级联,形成双闭环,电路图如下: 图 2.6 双闭环 PI 调节器 2.5 PWM 发生器 TL494 是是一个固定频率的脉冲宽度调制电路,内置了线性锯齿波振荡器, 振荡频率可以通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。 输出电容的脉冲其实是 通过电容上的正极性锯齿波电压与另外 2 个控制信号进行比较来实现。 功率输出 管 Q1 和 Q2 受控于或非门。当双稳触压器的时钟信号为低电平时才会被通过, 即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大,输出脉冲 的宽度将减小。电路图如下所示: 第 8 页/共 23 页 重庆大学硕士研究生考核试卷 图 2.7 TL494 PWM 发生电路 本设计中不需要设置死区故 DTC 接地 CT 和 RT 配置载波震荡频率,根据: = f osc 1.1 = 10kHz Rt Ct 式(2.15) 可以配置 RT=1.1K,CT=0.1uF(104). 根据电路的典型接线V 供电,其内部两个晶体管 Q1,Q2 的集电极和发射极的 风别是 C1、 C2, E1、 E2. 将两个管子并联, 集电极接接 15V 电源, 发射极接地。 在其间配置此开关管的上拉和下拉电阻, 使其输出为高电平为 5V, 低电平为 0.1V 的 PWM 波。 2.6 光耦隔离电路 本设计中光耦的作用有两个,一是将 TL494 产生的负逻辑正过来,第二讲 主电路和控制电路实现电气隔离,保护信号电路。本设计采用的是进口的单通道 6n137 高速光耦。内部原理图和接线 脚为逻辑侧二极管阳极,3 脚为阴极。如右图所示,当 2 脚接收到 第 9 页/共 23 页 双闭环直流电机调速系统的设计与实现 高电平二极管导通,高压侧二极管也开通,从而三极管导通 VO 输出低电平。若 2 脚接收到低电平则三极管关断,VO 输出高电平。这样就把 TL494 的逻辑正了 过来,也实现了控制部分和驱动部分的光隔离。需要注意的是,在 VCC 和 GND 之间应该有一个 0.1uF 的电容退耦。 2.7 驱动电路 驱动电路的作用是接收控制电路的信号,来驱动 MOSFET 的开通和关断。 与其他斩波电路不同的是, BUCK 电路源极是浮地的, 这样给他的驱动电路造成 很大的麻烦。由 IR 公司推出了高压悬浮驱动芯片 IR21XX 系列驱动很好的解决 了这一问题。由于本设计只需要一个驱动信号,所以选择 IR 公司专门为单 MOSFET 设计的驱动-IR2117.驱动部分是整个电路的关键,是控制部分和主电路 的桥梁。下面来看一下它是如何工作的。 图 2.9 IR2117 驱动电路原理图示 电容 C1 用作退耦,V1 叫做自举二极管,C2 叫做自举电容,V2 为 BUCK 电路的续流二极管,L1 为 BUCK 电路的电感。在这个 IR2117 应用电路中,关键 是高边电源 VB 的获取。当场效应管关断时,续流二极管导通,场效应管源极电 压-0.7V,电源 VCC 通过二极管 V1 对电容 C2 充电至电源电压 15V;当输入 IN 变高时,MOSFET 导通,V2 截止,源极电压升至高压,由于电容两端电压不能 突变,所以这时 VB 的电位等于 VS 的电位加上电容电压 15V,这时触发信号将 这个电位在送至 7 脚输出,这样就在导通的时候在 MOS 管的栅源极之间加了一 个电容电压 15V 以维持 MOS 管的开通。 在这个电路中,V1 必须采用超快恢复二极管,反向耐压要超过高压电压。 电容 C2 应采用高频优质电容,容量在 1uF 以上。真钱扑克大全IR2117 与被驱动的场效应管引 线应尽可能短, 其往返引线mm 以内, 最好将 IR2117 和被驱动 的场效应管布置在同一线路板上相近的位置用印刷线 页 重庆大学硕士研究生考核试卷 图 2.10 驱动电路 在本设计中 D7 采用超快恢复二级管 MUR1100,反向耐压 1100V,完全满 足要求。 另外在输出的地方加入了一个限流电阻,在其上方并上了一个快恢复二 极管,真钱扑克大全!其作用是迅速抽出 MOSFET 关断过程中的反向电流,加速关断过程。最 后还在栅源极之间加上了一个 15V 的稳压二极管,稳定栅源之间的电压。关于 自举电容,取 5uF 即可满足,设计电路的时候取的 10uF. 2.8 电流传感器 电流传感器采用一个传感器模块(CHB-25NP/SP6),该模块可以检测电枢回 路中的电流。该模块实际上是一个闭环的霍尔传感器。变比为 16:1000,最大可 以检测 2.2A 的电流。 为了和电流环运放配合使用, 在其后级加入一个采样电阻, 将传感器输出电流转换为电压即可。 此电压最大值应该与速度环的最大输出值差 不多。 三、仿真测试 为了更好的对设计方案进行验证, 采用了 matlab 和 saber 两种仿线 MATLAB/Simulink 平台仿真 根据转速电流双闭环控制的直流调速系统原理图。 选择各个元器件的仿真模 块,以电流环为内环,转速环为外环,连接模块得到双闭环控制直流调速系统仿 线 页 双闭环直流电机调速系统的设计与实现 图 3.1 仿真模型 调节器参数计算和设定: 按工程设计方法设计和选择转速和电流调节器参数, 转速调节器和电流调节器都采用 PI 调节。前面电路设计中已经对调节器参数进 行了计算,计算值分别如下: 流调节器参数: = Kp Tl Ra 0.01× 42.5 = = 0.1557 2 K β (Toi + Ts ) 2 × 90 × 7.22 × (0.002 + 0.0001) = Ki Kp 0.1557 = = 15.57 τ (Tl ) 0.01 式(3.1) 式(3.2) 电流反馈系数: = = ( β 13 / 1.5*1.2) 7.22 式(3.3) 转速调节器参数: = Kp (h + 1) β CeTm (5 + 1) × 7.22 × 0.1474 × 0.05 = = 10.580 2haRa [2(Toi + Ts ) + Ton ] 2 × 5 × 0.005 × 42.5 × [2 × (0.002 + 0.0001) + 0.01] 式(3.4) = Kl KP 149.0141 = 2haRa [2(Toi + Ts ) + Ton ] 式(3.5) 转速反馈系数: α =0.005V ? min/ r 第 12 页/共 23 页 式(3.6) 重庆大学硕士研究生考核试卷 仿线)按照之前计算好的参数仿线s 时改变设定 转速为 1500rpm。0s 时为空载,在 2s 处增加转矩 1N.m。MATLAB 仿线 MATLAB 仿真结果 电机的 MATLAB 仿真主要分为四个阶段,电机启动、电机空载运行、电机 带载运行、电机变速阶段。 电机启动阶段: 由于电机额定电流为 1.2A, 故在该阶段限制启动电流为 1.8A。 可以获得最快的启动加速度,可以避免电流太大损坏电机。这时主要是 ACR 调 节器起作用。 电机空载运行阶段:当转速达到 1000rpm 时,此时因为未加载,电机摩擦 转矩设置为 0,电枢电流降为 0A。如果电机摩擦转矩不设置为 0,而是设置为很 小的值,电机空载运行时电枢流则不为 0,而是一个很小的值。 电机带载运行阶段:在 2s 时将负载转矩由 0N.m 变为 1N.m,加载瞬间转速 出现短暂下降,但是由于 ASR 调节器的作用,转速马上恢复到 1000rpm,并且 稳定下来。电枢电流由 0A 增大为 1.1A 左右。 电机变速阶段:在 3s 时改变电机设定转速,由 1000rpm 改为 1500rpm,转 速上升过程中电枢电流上升至 1.3A,持续 0.5s,转速到达 1500rpm 稳定后,电 流恢复正常。 3.2 Saber 平台仿真 Saber 仿真软件是美国 Synopsys 公司的一款 EDA 软件,兼容模拟、数字、 控制量的混合仿真, 环境接近器件级,可以解决从系统开发到详细设计验证等问 题。根据前面电路原理图,搭建了如图 3.3 所示的主电路。 第 13 页/共 23 页 双闭环直流电机调速系统的设计与实现 图 3.3 Saber 仿真主电路 仿线 所示, 图中紫色曲线为主电路电流, 绿色曲线为电机转速。 电机速度设置为 1000rad/s。电流设置的最大值是 1.8A,电机的摩擦转矩设置是 1Nm,这样可使电机转速稳定后,主电路的电流不至于降到 0A,在 1.0s 处投入 50W 的负载,可以看到转速经过一个小小的波动后又重新恢复到 1000rad/s,而 电流经过一个超调后稳定在 0.5A 左右。 图 3.4 Saber 仿真波形 四、实物的制作与调试 4.1 制作与调试 将电路设计好并通过 saber 仿真验证以后,我们开始了硬件的制作。与上学 期一样,首先用 DXP 软件绘制原理图,并根据实际器件尺寸绘制了一些特殊元 件的封装,比如电流互感器等。与上次不同的是,由于这次器件较多,我们采用 双层电路板。布线时上层走信号,下层走功率,一横一纵。电源线尽量走粗,地 线敷铜。 焊盘面积增大, 使得电接触面积增加。 一些地方用了过孔, 避免了飞线。 驱动集成电路 IR2117 的高端驱动信号和浮地端与 MOSFET 的距离尽量靠经。 由 第 14 页/共 23 页 重庆大学硕士研究生考核试卷 于我们是第一次用 IR2117 这样的单管驱动芯片,对此原理还不是很了解,以前 也没有学长用过, 所以我们首先在洞洞板上做了实验。方法是有焊好主电路和驱 动电路和光耦电路,信号端电路由一个 STC12C5A60S2 单片机给出,目的是检 测驱动是否可以导通,是否可以实现自举。第一次实验中,由于对自举电路的不 熟悉,没有将主电路的地和 IR2117 的地接在以前,导致无法自举,MOS 管一致 处于关断状态。然后我们在网上找了一些资料,并且找到含有 IR2117 这款驱动 芯片的仿真软件-Pspice. 经过仿真和讨论之后,我们找到了问题所在,并成功了 驱动了 MOS 芯片,结合单片机发出了可调 PWM 波,实现了开环运行。接着, 我们开始了在 PCB 版上进行双闭环控制。第一次,将两个环直接闭上,插上电 机不转。经过分析,排除了主电路,驱动光耦,和 PWM 波发生器的问题。继续 往前面排查,发现是前面的运放输出饱和所致。TL494 第 5 脚测得载波幅值范围 是 0-3.5V 而这时由于电流环运放饱和输出低电平为-13V 左右, 所以 TL494 输出 一致为高电平,经过光耦反向,得到全低电平。后来我们限幅电路的电位器,将 运放输出上限和下限限制到 TL494 的输入范围内,但是这里有个问题就是这个 限幅很不稳定,导致第一次测试的时候电机很不稳定,还有停转的现象。对此我 们发现, 我们在设计的时候在运放的输出脚没有加入限流电阻,经过在试验板上 的试验, 发现加入电阻之后限幅比原来稳定。还有一个另外一个因数就是电位器 阻止受到温度影响较大, 在布线的时候没有考虑到这一点在限幅电路电位器上放 了一对释能电阻,工作时候会发热,这是我们的失误。后来每次上电调试的时候 都要将这个电位器调一下。 最后就是调 PI 参数。 调的时候, 我们采用的方法是, 首先将积分常数设置为 0, 将比例参数调到震荡为止, 然后取震荡 PI 值的 60%, 然后在慢慢增大积分时间。经过调整,发现 PI 参数和 saber 仿线 页 双闭环直流电机调速系统的设计与实现 4.2 成本分析 本设计采用模拟电路, 成本较低。 元器件五套一共 140 元, 一套 28 元左右。 电路板加工费 110 元 7 张样板,一张也就不到二十元。最贵的是霍尔模块,价值 70 元。 这样算下来该设备总共不超过 150 元。 大规模生产估计也就 100 元左右。 五、硬件测试 硬件测试是对电路板的性能进行测试,我们选择了两个观测点,第一个观测 点是反馈的速度量, 电机转速由一个负的电压模拟信号给出, 在最大转速的时候, 该电压值为 10V 左右。另外一个量是电枢电流,由于没有找到电流钳,所以我 们没有直接测出电流, 而是测得经过闭环霍尔传感器和采样电阻得到的一个电压 量。测试用到的设备有激光转速测量计,双通道示波器,万用表。测试项目分别 为启动测试,稳态测试,调速测试,加载扰动测试,电压波动测试。测试的波形 如下图所示,测试的过程已录制为视频。 5.1 静态测试 表 5.1 转速调节静差 额定转速 n0 实际转速 平均值 静差 800 799.9-800.5 800.2 0.025% 1000 1500 1000.3-1001.2 1500.2-1501.1 1000.75 0.075% 1500.65 0.065% 5.2 空载启动测试 电机空载启动的时的波形如图所示,由于速度模拟量为一个负电压反馈,所 以启动电机启动后,波形往下走。图 5.1 中可以清晰的看到,启动后电机速度迅 速上升,经过一个较小的超调之后,电机速度稳定下来,稳定到预设转速。 第 16 页/共 23 页 重庆大学硕士研究生考核试卷 图 5.1 空载启动 5.3 带载启动测试 电机带载启动的时的波形如图 5.2 所示,如图所示,蓝色波形为电枢电流, 黄色波形为速度模拟电压信号波形。带载启动后,可见速度和电流都迅速上升, 最后稳定到一个值不变。 图 5.2 带载启动 5.4 负载扰动测试 负载切入的瞬时波形如图 5.3 所示。图中可见,在负载切换的瞬间,由于转 第 17 页/共 23 页 双闭环直流电机调速系统的设计与实现 矩与电流成正比,所以电枢电流在加载瞬间,有一个增大的的过程,最终稳定到 一个值。在负载切入瞬间,可以观察到,速度在负载切入的时候有一个微小的波 动,这就体现了外部扰动。但在 PI 调节器的作用下,速度回到原来的值。根据 转速测量器观察, 接入负载前后转速相大概在 2rmp 左右, 完全满足设计的要求。 从图 5.4 对应的仿真波形也可以看出,实际情况和仿线 Saber 仿线 电压波动测试 电压波动测试时针对电网电压波动的情况作出的相应测试。 测试的波动范围 在输入 AC180V-AC230V 之间进行。具体做法是,在交流输入前端加入一个调压 第 18 页/共 23 页 重庆大学硕士研究生考核试卷 器,使得调压器副边电压在 AC180V-AC230V 之间变换。通过观察,当电压过低 时,PI 调节器饱和;当电压逐渐增大后,电机速度慢慢增大,当增大到设定值 后,电机速度不再改变,继续增大电压,由于 PI 调节器的作用,占空比相应减 小,维持转速的不变。 六、总结与展望 直流电机是目前控制性能最好的电机,他励直流电机运行过程中,速度量和 转矩量是完全解耦的, 因此对其速度和转矩的控制可以独立控制。本设计采用传 统的模拟电路方案,两个闭环调节器采用经典的模拟式 PI 控制器,PI 控制器输出 控制信号给 PWM 波发生器 TL494,经过光耦隔离保护之后,将该 PWM 波反逻 辑并输出给驱动芯片 IR2117, IR2117 按照给定信号控制 MOSFET 通断从而有效 的控制电枢电压,以达到改变电机速度的目的。 本设计通过两个闭环(ACR, ASR)较好的控制了一台由 BUCK 电路供电的 200W 的直流电机,该控制器具有良好的调速性能和抗扰动性能。目前,市场上 的直流调速系统已经比较成熟,模拟式的居多,应为模拟式的可靠性高,抗干扰 能力强,成本较低。当然本设计也存在一定问题,首先,在较高电压下启动会导 致电流过大,从而电机自动保护,停转。我们的解决方法是用调压器从低电压慢 慢的加上去。第二,本设计使用了两路外挂的开关电源和外挂的励磁电源,并没 有作统一的电源供电系统,集成性不好。最后,由于考虑简单的课程设计,并没 有加入转向控制。 目前,民用市场中较为先进的直流调速系统是数字系统。采用 DSP 微机控 制,结合 IPM 模块。其控制精度高,操作调试也方便。不足之处在与成本过高, 抗干扰能力差。通常用在要求控制精度较高,要求快速响应的伺服系统中。工业 是采用的直流调速器大多数是模拟式的,主要是考虑成本。在军工产业中,大多 数直流调速系统都被作为伺服系统,比如弹道导弹尾翼偏向系统,舰艇近程防御 系统的偏航系统,由于考虑到可靠和复杂的电磁环境,其大多数都是模拟式的。 今后, 直流电机调速的方向会朝着, 精度高, 反映快, 抗干扰能力强的方向发展。 作为目前控制系能最好的电机,它将在人类的生活生产中被继续大量的应用。 七、心得体会 曾正老师的这门课一直是我比较喜欢了一门课, 上学期的开关电源和这学期 的直流调速使我获得了很多在理论课中学不到的东西。 理论课上这些都是很简单 的东西,就是一个框图就解决问题。通过这门课,我知道了要把一个东西从教科 书上变成实际的东西还有很多路要走。 举个例子, MOSFET 在书上就是个符号, 给信号就开通,而且理想。但在实际中,开通 BUCK 电路的 MOSFET 并不是这 第 19 页/共 23 页 双闭环直流电机调速系统的设计与实现 么容易的,原因是 BUCK 电路的源极是浮地的。这个问题我思考了很久,我也 告诉我们同组的同学,这个问题必须搞懂,而且要通过实验去验证。后来在网上 看了一篇技术大神的文章, 彻底搞懂了自举是怎么回事,而且知道必须要带有负 载才能自举。要将主电路的地和 IR2117 的地接在一起才能自举。IR2117 也是我 们第一次用,没有经验,所以只有在洞洞板上先实验。在调试的过程中,不知道 什么原因以前一直没出过问题的 PCB 版在一次试验中发生了短路, 导致保险丝, 桥堆,电容,MOSFET 全部被击穿,驱动芯片直接炸裂。这可以说是最大的一 次打击。后来,我又重新焊了一块板子,这次做实验的时候我十分小心,每次加 压的时候都是慢慢加压。在一次测试中,我发现加压的时候速度并不增大了,我 开心的笑了。后来发现,通过滑动变阻器可以直接控制转速,并且稳定,我想, 一个月的努力没有白费。后来经过了一些列测试,终于一切都做完了。期间得到 了曾老师的帮助和鼓励。还是老师那句话: “在折磨中才能有成长和提升! ”通过 这次课程, 我明白了一个基本的调速系统有哪些环节构成。在设计和制作过程中 学到了很多课堂中学不到的知识,结合上学期对开关电源的制作,我的电子设计 技能有了较大的提升。 把书本中的东西和实现出来远远没有想得这么简单,有很 多细节需要自己体会,遇到一些问题要理清思路一步一步排查。设计电路,计算 机仿真,绘制 PCB,调试,测试,这是一整套流程,还学要继续熟练的理解。 第 20 页/共 23 页 重庆大学硕士研究生考核试卷 参考文献 [1] 冯 晓 刘 仲 恕 电 机 与 控 制 [M] 机 械 工 业 出 版 社 北 京 2005.9 [2] 王 鼎 王 桂 琴 电 工 电 子 技 术 [M] 机 械 工 业 出 版 社 北 京 2006.8 [3] 赵 君 有 控 制 电 机 [M] 中 国 水 利 水 电 出 版 社 北 京 2006.9 第 21 页/共 23 页 双闭环直流电机调速系统的设计与实现 附录 A 电路设计原理图 第 22 页/共 23 页 重庆大学硕士研究生考核试卷 附录 B 电路设计 PCB 布局图 第 23 页/共 23 页

时间:2020-09-15 08:11

上一篇:真钱扑克大全空心杯直流电机有哪些类型

下一篇:没有了