基于FPGA直流電機的PWM控制轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文

1、基于fpga直流電機的pwm控制轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計based on fpga direct current machines pwm control rotational speed closed loop department摘 要在電力拖動系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)電樞電壓的直流調(diào)速是運用最廣泛的一種調(diào)速方法，而pwm控制技術(shù)具有主電路簡單、開關(guān)頻率高、電流容易連續(xù)諧波少、低速性能好、穩(wěn)速精度、高調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，所以直流pwm調(diào)速系統(tǒng)的應用日益廣泛。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)、動態(tài)特性，是應用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。本課題是設(shè)計一個轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的h型雙極式pwm直流調(diào)速系統(tǒng)。在該系統(tǒng)

2、中運用eda技術(shù)，基于fpga可編程邏輯控制器件，用vhdl語言編程實現(xiàn)pwm控制。本設(shè)計主要采用igbt管是因為它通流能量強、開關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動電路功率小而且驅(qū)動電路簡單。因為雙極式控制電路在工作時，可能4個開關(guān)器件都處于開關(guān)狀態(tài)，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，要設(shè)置邏輯延時。本設(shè)計主要完成了h型雙極式pwm直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、檢測反饋環(huán)節(jié)和過流保護環(huán)節(jié)等的電路設(shè)計以及參數(shù)的計算，并按雙閉環(huán)的工程設(shè)計方法進行了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)的設(shè)計。關(guān)鍵詞：直流電機，雙閉環(huán)控制，pwm直流調(diào)速系統(tǒng)，ig

3、btabstractin 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 conti

4、nual 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 systems application to be day by day widespread. the rotational speed, the electric current double closed-loop control coc

5、urrent 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.

6、 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 go

7、od, 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 nonst

8、op to, between the top and bottom bridge arms drive pulse, must establish the logical time delay. this design has mainly completed the h double-pole type pwm cocurrent velocity modulation systems main circuit, the asr, the acr, the examination feedback element and the overflow protection link and so

9、 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 loops engineering design method.key words: dc motor, double-loop control, pwmdc converter system，igbt目 錄前 言1第一章 緒論31.1概述31.2 論文主要工作：3第二章 控制系統(tǒng)的設(shè)計32.1調(diào)節(jié)器的設(shè)計32.

10、1.1.單閉環(huán)速度調(diào)節(jié)32.1.2.速度、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)4第三章 各個模塊的設(shè)計103.1 穩(wěn)壓電源及給定器的設(shè)計103.1.1 穩(wěn)壓電源的設(shè)計103.1.2 給定器的設(shè)計113.2 零速封鎖器dzs的設(shè)計113.3 電流調(diào)節(jié)器acr的設(shè)計123.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的設(shè)計153.5 速度變換器fbs的設(shè)計173.6 主電路的設(shè)計183.7 電流反饋與過流保護fbc+fa的設(shè)計213.7.1 直流電流互感器的介紹213.7.2 過流保護工作原理為：22結(jié)論23參考文獻24致謝25外文文獻資料26 前 言1 設(shè)計的研究與意義本文的研究是基于pwm波的，脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的

11、方法，把恒定的直流電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。pwm系統(tǒng)在多方面具有較大的優(yōu)越性：1） 主電路線路簡單，需要用的功率器件少。2） 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小。3) 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1：10000左右。4） 若與快速響應的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能量強。5） 開關(guān)功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。本文采用的是雙極式控制的橋式pwm變換器，其具有以下優(yōu)點

12、：1) 電流一定連續(xù)。2) 可使電動機在四象限運行。3）電動機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達1：20000左右。5）低速時，每個開關(guān)器件驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中，4個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，要設(shè)置邏輯延時。 本文中主要選用igbt管，其主要優(yōu)點是通流能量強，開關(guān)速度快，熱穩(wěn)定性好，所需 驅(qū)動電路功率小而且驅(qū)動電路簡單。2 課題設(shè)計內(nèi)容本文根據(jù)直流電機的控制原理，設(shè)計pwm以及主電路及其過流過壓保

13、護，主電路采用雙極式控制方式，通過計算選用合適的二極管對igbt進行保護。pwm控制技術(shù)是一種廣泛應用于控制領(lǐng)域的技術(shù)，其原理是利用沖量相等而形狀相通的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)時候，效果基本相通。在電力拖動系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)電樞電壓的直流調(diào)速是應用最廣泛的一種調(diào)速方法，除了利用晶閘管整流器獲得可調(diào)直流電壓外，還可利用其它電力電子元件的可控性能，采用脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成極性可變，大小可調(diào)的直流電壓，用以實現(xiàn)直流電動機電樞兩端電壓的平滑調(diào)節(jié)，構(gòu)成直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。第一章 緒論1.1概述 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應用最廣泛的電氣傳動裝置之一。廣泛的應用于軋鋼機、冶金、印刷、金

14、屬切割機床等很多領(lǐng)域的自動控制中。他通常采用三相全橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，比如：晶閘管、各種線性運算電路的等。雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復雜，通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，從而致使系統(tǒng)的運行特征也隨著變化，所以系統(tǒng)的可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。直流調(diào)速系統(tǒng)是由功率晶閘管、轉(zhuǎn)速電路、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路、積分電路、電流反饋電路、以及過流保護電路組成。通常指人為的或自動的改變電動機的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機械的要求。機械特性上通過改變電動機的參數(shù)或外加電壓等方法來

15、改變電動機的機械特性，從而改變電動機的機械特性和工作特性的機械特性的交點，使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。1.2 論文主要工作：課題的主要工作：穩(wěn)壓電源的設(shè)計；直流電機的主電路的設(shè)計，測速電路的設(shè)計；電流變換與過流保護的設(shè)計；第二章 控制系統(tǒng)的設(shè)計在設(shè)計過程中首先比較了各種控制電路的優(yōu)點，再據(jù)實驗的要求選擇合適的控制電路。2.1調(diào)節(jié)器的設(shè)計調(diào)節(jié)器的設(shè)計可以采用多種方式：閉環(huán)速度調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)等。在本章中重點比較了各個調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)、缺點，進而為選擇合適的調(diào)速系統(tǒng)打好基礎(chǔ)。2.1.1.單閉環(huán)速度調(diào)節(jié) 反饋控制的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它

16、就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應該能大大地減少轉(zhuǎn)速降落。但是單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也存在許多的問題，例如： 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，用一個調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響，難于進行調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠好。 環(huán)內(nèi)的任何擾動，只有等到轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差才能進行調(diào)節(jié)，因而轉(zhuǎn)速動態(tài)降落大。 系統(tǒng)中采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)來限制起動電流，不能充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態(tài)響應，即最佳過渡過程?？梢婋姍C在整個起動過程中，電流及其對應的轉(zhuǎn)矩不能維持恒值，電機就不能以恒加速起動，因而加速過程必然拖長。最佳起動過程:在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制條件下，希望充分

17、利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值。為了獲得近似理想的過渡過程，并克服幾個信號綜合在一個調(diào)節(jié)器輸入端的缺點，最好的辦法就是將主要的被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分來加以控制，用兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2.1.2.速度、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)下面就具體談談速度、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計思路：1. 整體思路在控制系統(tǒng)中如果采用比例積分調(diào)節(jié)，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，并有足夠的穩(wěn)定裕度，同時還能滿足穩(wěn)態(tài)性能，達到消除穩(wěn)態(tài)速差的地步。也就是說，帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，采用比例積分調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)則是無靜差調(diào)速系

18、統(tǒng)。采用pi調(diào)節(jié)的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接。 圖2-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)asr-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr-電流

19、調(diào)節(jié)器 tg-測速發(fā)電機 ta-電流互感器 upe-電力電子變換器 -轉(zhuǎn)速給定電壓 -轉(zhuǎn)速反饋電壓 -電流給定電壓 -電流反饋電壓圖2-1為閉環(huán)直流電動機速度控制系統(tǒng)，具有兩個閉合回路：內(nèi)回路為電流環(huán)，稱為副回路；外回路為速度環(huán)，稱為主回路。主、副回路各有其調(diào)節(jié)器和測量變送器。主回路中的速度調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，主回路的測量變送器為速度反饋裝置；副回路中的電流調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，副回路的測量變送器為電流反饋裝置。主調(diào)節(jié)器與副調(diào)節(jié)器以串聯(lián)的方式進行共同控制，故稱為串級控制。由于主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，因而串級控制系統(tǒng)的主回路是一個恒值控制系統(tǒng)。而副回路可以看作是一個隨動系統(tǒng)。根據(jù)外部擾

20、動亦有一次擾動和二次擾動之分：被副回路包圍的擾動，稱為二次擾動，例如圖所示系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓波動形成的擾動ud；處于副回路之外的擾動，稱為一次擾動，例如同系統(tǒng)中由負載變化形成的擾動 。串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比單回路控制系統(tǒng)多一個副回路，因而對進入副回路的二次擾動有很強的抑制能力。其系統(tǒng)框圖如圖2-2所示。 圖2-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 asr： 速度調(diào)節(jié)器 acr： 電流調(diào)節(jié)器2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2-3所示，它根據(jù)原理圖可以很方便的畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示pi調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的pi調(diào)節(jié)器的

21、穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種情況：飽和-達到限幅值，不飽和輸出未達到限幅值。 pi調(diào)節(jié)器限幅特征：一旦pi調(diào)節(jié)器限幅（即飽和），其輸出量為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反極性的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；即飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關(guān)系，相當于使該調(diào)節(jié)器處于斷開。而輸出未達限幅時，調(diào)節(jié)器才起調(diào)節(jié)作用，使輸入偏差電壓在調(diào)節(jié)過程中趨于零，而在穩(wěn)態(tài)時為零。 圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 -轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) -電流反饋系數(shù)實際上,正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，

22、它們的輸入偏差電壓都是零，因此由第一個關(guān)系式可得 （2-1）從而得到圖2-4所示靜特性的ca段。與此同時，由于asr不飽和，從上述第二關(guān)系式可知。著就是說，ca段特性從理想空載狀態(tài)的=0一直延續(xù)到=,而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。 2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，asr輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 =/= （2-2）其中，最大電流是設(shè)計者選定的，取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。式（2-2）所描述的靜特性對應于圖2-4中的ab段，它是一條垂直的特性。這

23、樣的下垂特性只適合于n,則，asr將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性如下圖2-4所示： 圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性特點:1） n0-a 系統(tǒng)處正常負載運行，asr不飽和，起調(diào)節(jié)作用，達到轉(zhuǎn)速無靜差，保證系統(tǒng)具有很硬的靜特性;電流調(diào)節(jié)器起輔助調(diào)節(jié)作用，負載電流大小與電流給定值 成正比，兩調(diào)節(jié)器輸入偏差電壓都為零，2） ab段 電機在起動或堵轉(zhuǎn)時，asr飽和，電流達到最大值，此時轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)成為恒電流無靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在最大電流給定作用下，依靠電流環(huán)的自動調(diào)節(jié)，從而獲得很好的下垂特性（ab段），起到了過流保護作用。 3） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電

24、流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。在起動或堵轉(zhuǎn)時，負載電流達到后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)器作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。另外，雙閉環(huán)系統(tǒng)只能抑制起動或堵轉(zhuǎn)時的過電流，但當系統(tǒng)發(fā)生其他故障引起過電流時，系統(tǒng)不能保護，需另設(shè)過電流保護電路。3. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如圖2-5所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和、飽和、退保和三種情況，整個動態(tài)過程分成圖中表明的、三個階段。第階段（0）是電流上升階段。突加給定電壓后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用， 、都跟著上升，

25、但是在沒有達到負載電流以前，電動機還不能轉(zhuǎn)動。當后，電動機開始起動。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸入偏差電壓=-的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電樞電流迅速上升。直到，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，標志著這以階段的結(jié)束。在這一階段中，asr很快就進入并保持飽和狀態(tài)，而acr一般不飽和。第階段（）是恒流升速階段，是起動過程中的主要階段。在這個階段中，asr始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本時保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時,電動機的反電動勢e也按線性增長（見圖2-4）,對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說

26、，e是一個線性漸增的擾動量。為了克服這擾動,和也必須基本上按線性增長,才能保持恒定.當acr采用pi調(diào)節(jié)器時,要使其輸出量按線性增長,其輸出偏差電壓=-必須維持在一定值,也就是說, 應略低于(見圖2-5)。此外還應指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中acr不應飽和，電力電子裝置upe的最大輸出電壓也需留有余地，這些都是設(shè)計時必須注意的。第階段（以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當轉(zhuǎn)速上升到給定值=時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，asr輸入偏差變負，使它開始退出飽和狀態(tài), 和很快下降。但是，只要仍大于負載

27、電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到=時，轉(zhuǎn)矩=，則dn/dt=0,轉(zhuǎn)速n才能達到峰值（t=時）。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應，在時間內(nèi)，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段振蕩過程。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，asr和acr都不飽和，asr起主導的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而acr則力圖使盡快地跟隨其給定值，或者說，電流環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：1） 飽和非線性控制。隨著asr的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同的情況下表現(xiàn)不同的線性系統(tǒng)，只能采用分段線性化的方法來分析，不能簡單地用線性控制理論來分析整個起動過程，也不能

28、簡單地用線性控制理論來籠統(tǒng)地設(shè)計這樣的控制系統(tǒng)。2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)。當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr采用pi調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應采用其他控制方法來抑制超調(diào)。3） 準時間最優(yōu)控制。在設(shè)備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程、兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想起動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準時間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多患控制系

29、統(tǒng)中普遍地得到應有。圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形第三章 各個模塊的設(shè)計3.1 穩(wěn)壓電源及給定器的設(shè)計已知的參數(shù)：直流電機 =200w；=48v; =3.7a;=200r/mi；電樞電阻=6.5歐；電樞回路電阻r=8歐；允許電流過載倍數(shù)=2；電動系數(shù)=0.12vmin/r；電磁時間常數(shù) =0.015s；機電時間常數(shù)=0.2s;電流反饋濾波時間常數(shù)=0.001s；轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)=0.005s;調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓=10v;調(diào)節(jié)器輸入電阻r0=40千歐。電力晶體管的開關(guān)頻率f=1khz,pwm環(huán)的放大系數(shù)ks=4.8。3.1.1 穩(wěn)壓電源的設(shè)計本課題要求正負15v的直流電壓，

30、故選用集成芯片7815和7915來實現(xiàn)課題的要求，具體電路如圖3-1所示： 圖3-1 穩(wěn)壓電源電路原理圖用此電路來實現(xiàn)設(shè)計要求的直流穩(wěn)壓電源。3.1.2 給定器的設(shè)計本課題要求只需給定一個正的15v電壓即可，給定器原理圖如下：圖3-2 給定器原理圖3.2 零速封鎖器dzs的設(shè)計零速封鎖器的作用是當給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓均為零時（即在停車狀態(tài)下），封鎖各調(diào)節(jié)器，保證電機不會爬行。具體電路如圖3-3所示： 圖3-3零速封鎖器原理圖圖中放大器選用lf353，封鎖器的具體工作原理為： 當電路正常運行時，兩個放大器的輸出總有一個為低電平，這個信號經(jīng)過集成片4001的 與非 門以及 兩個 非 門后，輸出為

31、高電平，此時三極管導通，封鎖器輸出為-15v，acr及asr的場效應管截止。 當給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓均為零時（即停止工作），兩個放大器輸出均為低電平，這個信號經(jīng)過集成片4001的 與非 門以及 兩個 非 門后，輸出為低電平，此時三極管不導通，封鎖器的輸出電壓接近0v，acr及asr的場效應管導通，封鎖各調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)封鎖功能。3.3 電流調(diào)節(jié)器acr的設(shè)計1 確定時間參數(shù)因為我們選用的電力晶體管的開關(guān)頻率為f=1khz,所以 =0.001s所以可得電流環(huán)小時間常熟之和為： 即=0.001s+0.001s=0.002s.2 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 我們首先考慮的是把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)

32、態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖（3-4c）我們選用型系統(tǒng)。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許點數(shù)電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要因素。為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，即選用典型系統(tǒng)。a） 忽略反電動勢的動態(tài)影響b) 等效成單位負反饋系統(tǒng)c) 小慣性環(huán)節(jié)近似處理圖3-4 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及簡化圖3-4 c)表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型系統(tǒng)，應采取p型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （3-1）式中 電流調(diào)節(jié)器的比列系數(shù)； 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間

33、常數(shù)極點對消，取=，檢查對電源電壓的抗擾性能。=7.5，由表（1）可知各項指標均可接受。表（1） 典型i型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)關(guān)系m=/= t/1/5 1/101/201/30/100%55.5% 33.2% 18.5% 12.9%/t 2.8 3.4 3.8 4.0/t 14.7 21.7 28.7 30.43 計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超常時間常數(shù)=0.015s電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%時，查資料可知應取=0.5，而=4.8，因此 =/r=0.5/=0.5/0.002=250。 =10/3.7=2500.015（6+8.5）/（4.810/3.7）=4.634 檢驗近似條件電流環(huán)截

34、止頻率為 =250 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件為：= 1/（30.001）=333.3滿足近似條件。 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件為： 3=3=54.77滿足近似條件。5 計算電流調(diào)節(jié)器的電阻和電容由運算放大器取=40k，各電阻和電容值分別為：=/2=20k;=4.6340k=185.2k，取190k；=0.015s/190=0.078f，取0.1f；=0.1f，取0.1f。電流調(diào)節(jié)器的原理圖如圖3-5所示 圖3-5 電流調(diào)節(jié)器原理圖3.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的設(shè)計1 確定時間常數(shù) 電流環(huán)等效時間常數(shù),有電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計，取=0.5,，則 =2=20.002s=0.004s 轉(zhuǎn)速

35、濾波時間常數(shù) 有已知得=0.005s 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)按小時間常數(shù)近似處理，取=+=0.004s+0.005s=0.009s2 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 和電流調(diào)節(jié)器一樣，我們選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為= （3-2）3 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù) 按跟隨和抗擾性都較好的原則，取h=5,則asr的超前時間常數(shù)為 =h=50.009s=0.045s有式=得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為=59.3轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.05 (3-3）電流反饋系數(shù)= (3-4)= (3-5)由式(3-3)(3-4)(3-5)可得 =(5+1)10/3.70.120.2/250.05(8+6.5) 0.009=5.44 檢驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻

36、率為=59.30.045=26.7 電流環(huán)傳遞函數(shù)的簡化條件為 =117.9 滿足近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理的條件為 =74.5 滿足近似條件5 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電阻和電容 由電流調(diào)節(jié)器計算，取=40k，則 =5.440k=216 k 取220 k； =/2=20 k 取20 k； =45/220=0.205f 取0.2f； =0.5f 取0.47f。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-6所示 圖3-6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖3.5 速度變換器fbs的設(shè)計其原理圖如下圖4-7所示 圖3-7 速度變換器fbs原理圖 速度變換器為速度檢測變換環(huán)節(jié)，將直流測速發(fā)電機的輸出電壓變換成適于控制單元并與轉(zhuǎn)速成正比的

37、直流電壓，作為速度反饋。3.6 主電路的設(shè)計1 整流變壓器的參數(shù)計算 副邊電壓的計算=48v考慮占空比為90%則=48v/0.9=53.3v取=1.2，則=/1.2=53.3v/1.2=44.4v考慮10%的裕量=1.144.4v=48.9v 一、二次電流計算取=3.7a變比 k=220v/48.9v=4.5 =3.7a/4.5=0.82a考慮空載電流，取 =1.050.82a=0.86a 變壓器容量的計算=220v0.86a=189.9va 取190va=48.9v3.7a=181vas=185.5va2 整流元件的選擇二極管承受的最大反向電壓為 =48.9v=69.2v 考慮3倍裕量，則=

38、3=369.2v=207.6v 取220v該電路整流輸出接有大電流，而且負載也不是純電感負載，但為了簡化計算，仍按電感負載進行計算，只是電流裕量可以適當取大些即可。=3.7a=1.85a=3.7a=2.62a=/1.57=22.62a/1.57=3.33a 取5a查元件參數(shù)表，我們選用2cz13d型號的二極管。3 濾波電容的選擇濾波電容一般根據(jù)放電常數(shù)計算，負載越大，要求紋波系數(shù)越小，電容量也越大，一般吧做嚴格計算，多取2000f以上。因該系統(tǒng)負載不大，故取2200f，耐壓值 1.5=1.569.2v=103.8v 取110v。4 igbt的選擇取=53.3v，取3倍裕量，3=159.9v，因igbt大部分為耐壓600v以上的，因此滿足我們的要求。由于igbt是以最大值標注，且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關(guān)系，故應選用大于4倍額定負載電流的igbt為宜。為此我們選用50a的igbt，并配以相應的散熱器即可。查元件參數(shù)表，我們選用2mbi50l-060型號的igbt管。5 保護元件的選用