课 程 设 计
课 程 自动控制系统设计 题 目 数字式直流脉宽调速系统设计 班 级 姓 名 学 号
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目 录
第一章：直流脉宽调速系统的概述 ????????????4 第二章：根据设计指标进行参数计算 ????????????5
2.1 设计指标 ???????????????????5 2.2 参数计算 ???????????????????5
2.2.1电流反馈系数β和转速反馈系数α ??????5 2.2.2 ACR的设计及仿真??????????????5 2.2.3 ASR的设计及仿真??????????????6
第三章：硬件、软件设计 ????????????????9
3.1系统总体设计方案 ????????????????9 3.2 主电路 ????????????????????10
3.2.1整流电路二极管的选择????????????10 3.2.2 主电路的开关器件选取????????????11 3.2.3电流、转速、电压检测电路的选择???????12 3.2.3.1电流检测电路的选择 ??????????13 3.2.3.2转速检测电路的选择???????????13 3.2.3.3电压检测电路的选择???????????13 3.3 控制电路 ???????????????????14 3.3.1 键盘电路设计 ???????????????14 3.3.2显示电路设计 ???????????????14 3.3.3转速反馈量与单片机的接口设计 ???????15 3.4软件设计????????????????????16
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3.4.1 主程序设计 ????????????????16 3.4.2 键盘、显示程序设计 ????????????16 3.4.3 转速调节器数字PI子程序设计????????19 3.4.4 电流调节器数字PI子程序设计????????19 3.4.5 数字滤波子程序设计 ????????????20 3.4.6 其它程序设计 ???????????????21
第四章：总结 ?????????????????????21
4.1 个人小结·····································21 4.1 器件的选择列表·······························22
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数字式直流脉宽调速系统
第一章：直流脉宽调速系统的概述
随着电力电子学、微电子学和自动控制原理的发展，直流电动机的调速技术进一步完善。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。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系统的基础。
自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器－直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。
直流脉宽调速系统是由脉宽调制变换器(简称PWM变换器)对直流电动机电枢供电的自动调速系统。脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器，其基本原理已在电力电子技术中阐述。只是由于器件的发展，同时带来交流变压变频调速的更快速发展，使得直流PWM调速还没有来得及完全占领市场，几乎是刚刚兴起，就变成了传统领域。不过，在一些仍需要使用直流电动机的场合，例如电动叉车、城市无轨电车、地铁机车等，直流PWM调速仍有用武之地。
与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性： （1）主电路线路简单，需用的功率器件少；
（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小； （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，当开关频率适当时，开关损耗也
不大，因而装置效率较高；
（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
由于有上述有点，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V-M系统。
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第二章：根据设计指标进行参数计算
2.1 设计指标
直流电动机参数：PN=20kW，nN=1500r/min，UN=220V，IN=106A，Ra=0.16Ω，R=0.6Ω，Tl=0.02s，Tm=0.24s，Unm=Uim=Ucm=10V，电枢电源采用直流脉宽调制电源供电，系统过载能力1.5，调速范围20，最高转速2000r/min，电流超调量σi≤5％，转速、电流无静差，主电路电力电子器件开关频率f≥1kHz。
2.2 参数计算
2.2.1 电流反馈系数β和转速反馈系数α
*Uim1010电流反馈系数： ?????0.0629V/A
Idm1.5?IN1.5?106*Unm10转速反馈系数： ????0.005V?min/r
nmax2000
2.2.2 ACR的设计
（1）确定时间常数
整流装置滞后时间常数： Ts?1?0.001s f电流滤波时间常数： Toi?0.00 s2电流环小时间常数之和： T?i?Ts?Toi? s0.003（2）计算电流调节器参数
根据设计要求σi≤5％，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器。
电流调节器超前时间常数： ?i?Tl?0.02s
电流环开环增益：要求σi≤5％时，查相关表，应取KIT?i?0.5，此时，阻尼系数ξ=0.707，超调量?i%?4.3%。因此，KI?于是，ACR的比例系数为： Ki?0.50.5??166.7s?1 T?i0.003KI?iR166.7?0.02?0.6??1.445 Ks?22?0.0629第 5 页