基于FPGA直流电机的PWM控制转速闭环系统设计毕业论文

基于FPGA直流电机的PWM控制转速闭环系统设计Based on FPGA direct current machines PWM control rotational speed closed loop department摘 要在电力拖动系统中，调节电枢电压的直流调速是运用最广泛的一种调速方法，而PWM控制技术具有主电路简单、开关频率高、电流容易连续谐波少、低速性能好、稳速精度、高调速范围宽等优点，所以直流PWM调速系统的应用日益广泛。转速、电流双闭环控制直流调速系统具有良好的静态、动态特性，是应用最广的直流调速系统。本课题是设计一个转速、电流双闭环的H型双极式PWM直流调速系统。在该系统中运用EDA技术，基于FPGA可编程逻辑控制器件，用VHDL语言编程实现PWM控制。本设计主要采用IGBT管是因为它通流能量强、开关速度快、热稳定性好，所需驱动电路功率小而且驱动电路简单。因为双极式控制电路在工作时，可能4个开关器件都处于开关状态，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，要设置逻辑延时。本设计主要完成了H型双极式PWM直流调速系统的主电路、转速调节器、电流调节器、检测反馈环节和过流保护环节等的电路设计以及参数的计算，并按双闭环的工程设计方法进行了转速调节器和电流调节器的参数的设计。关键词：直流电机，双闭环控制，PWM直流调速系统，IGBTABSTRACTIn the electric drive system, the most widespread one velocity modulation method is adjusts the armature voltage the direct-current velocity modulation utilizes, but the PWM control technology has the main circuit to be simple, the turn-on frequency is high, the electric current easy continual overtone to be few, low-speed performance good, steady fast precision, high governor deflection wide and so on merits, therefore directs current the PWM velocity modulation system's application to be day by day widespread. The rotational speed, the electric current double closed-loop control cocurrent velocity modulation system has the good static state, the dynamic characteristic, applies the broadest direct-current velocity modulation system. This topic is designs a rotational speed, electric current double closed loop H double-pole type PWM the direct-current velocity modulation system. Utilizes the EDA technology in this system, based on the FPGA programmable logical control component, realizes the PWM control with the VHDL language programming. This design mainly uses the IGBT tube is because its throughflow energy is strong, the shutter speed is quick, the thermostability is good, and the driving circuit power to be small moreover the driving circuit to be simple. Because double-pole type control circuit in work time, the possible 4 switch component to be at on-off state, moreover when cut possibly has the top and bottom bridge arm nonstop accident, to prevent to go nonstop to, between the top and bottom bridge arm's drive pulse, must establish the logical time delay. This design has mainly completed the H double-pole type PWM cocurrent velocity modulation system's main circuit, the ASR, the ACR, the examination feedback element and the overflow protection link and so on circuit design as well as the parameter computation, and has carried on the parameter of ASR and ACR design according to the double closed loop's engineering design method.KEY WORDS: DC motor, double-loop control, PWMDC converter system，IGBT目 录前 言1第一章 绪论3§1.1概述3§1.2 论文主要工作：3第二章 控制系统的设计3§2.1调节器的设计3§2.1.1.单闭环速度调节3§2.1.2.速度、电流双闭环调节系统4第三章 各个模块的设计10§3.1 稳压电源及给定器的设计10§3.1.1 稳压电源的设计10§3.1.2 给定器的设计11§3.2 零速封锁器DZS的设计11§3.3 电流调节器ACR的设计12§3.4 转速调节器ASR的设计15§3.5 速度变换器FBS的设计17§3.6 主电路的设计18§3.7 电流反馈与过流保护FBC+FA的设计21§3.7.1 直流电流互感器的介绍21§3.7.2 过流保护工作原理为：22结论23参考文献24致谢25外文文献资料26 I前 言1 设计的研究与意义本文的研究是基于PWM波的，脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。PWM系统在多方面具有较大的优越性：1） 主电路线路简单，需要用的功率器件少。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） 若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能量强。5） 开关功率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。本文采用的是双极式控制的桥式PWM变换器，其具有以下优点：1) 电流一定连续。2) 可使电动机在四象限运行。3）电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区。4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右。5）低速时，每个开关器件驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，要设置逻辑延时。 本文中主要选用IGBT管，其主要优点是通流能量强，开关速度快，热稳定性好，所需 驱动电路功率小而且驱动电路简单。2 课题设计内容本文根据直流电机的控制原理，设计PWM以及主电路及其过流过压保护，主电路采用双极式控制方式，通过计算选用合适的二极管对IGBT进行保护。PWM控制技术是一种广泛应用于控制领域的技术，其原理是利用冲量相等而形状相通的窄脉冲加在具有惯性的环节时候，效果基本相通。在电力拖动系统中，调节电枢电压的直流调速是应用最广泛的一种调速方法，除了利用晶闸管整流器获得可调直流电压外，还可利用其它电力电子元件的可控性能，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变，大小可调的直流电压，用以实现直流电动机电枢两端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统。第一章 绪论§1.1概述 双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广泛的电气传动装置之一。广泛的应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制中。他通常采用三相全桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，比如：晶闸管、各种线性运算电路的等。虽在一定程度上满足了生产要求，但是元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂，通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特征也随着变化，所以系统的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。直流调速系统是由功率晶闸管、转速电路、双闭环调速系统电路、积分电路、电流反馈电路、以及过流保护电路组成。通常指人为的或自动的改变电动机的转速，以满足工作机械的要求。机械特性上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，从而改变电动机的机械特性和工作特性的机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。§1.2 论文主要工作：课题的主要工作：稳压电源的设计；直流电机的主电路的设计，测速电路的设计；电流变换与过流保护的设计；第二章 控制系统的设计在设计过程中首先比较了各种控制电路的优点，再据实验的要求选择合适的控制电路。§2.1调节器的设计调节器的设计可以采用多种方式：闭环速度调节；转速、电流双闭环直流调速系统等。在本章中重点比较了各个调速系统的优、缺点，进而为选择合适的调速系统打好基础。§2.1.1.单闭环速度调节 反馈控制的单闭环调速系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。转速降落正是由负载引起的转速偏差，闭环调速系统应该能大大地减少转速降落。但是单闭环调速系统也存在许多的问题，例如： 在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器参数的调整，系统的动态性能不够好。 环内的任何扰动，只有等到转速出现偏差才能进行调节，因而转速动态降落大。 系统中采用电流截止负反馈环