雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計

1、 機械設(shè)計方法學(xué)設(shè)計（論文） 題 目雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 學(xué) 院 學(xué)院 專 業(yè) 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 2年 月日29雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)摘 要當今，自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。本文主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電動機。長期以來，直流電動機因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡單、易于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速、控制性能好等特點，一直在傳動領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。 微機技術(shù)的快速發(fā)展，在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文對基于微機控制的雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)進

2、行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用微機硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個將微機和電力拖動控制相結(jié)合的新的控制方法，研究工作在對控制對象全面回顧的基礎(chǔ)上，重點對控制部分展開研究，它包括對實現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的探討等內(nèi)容。在硬件方面充分利用微機外設(shè)接口豐富，運算速度快的特點，采取軟件和硬件相結(jié)合的措施，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制。 論文分析了系統(tǒng)工作原理和提高調(diào)速性能的方法，研究了IGBT模塊應(yīng)用中驅(qū)動、吸收、保護控制等關(guān)鍵技術(shù).在微機控制方面，討論了數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字PWM調(diào)制器、雙極式H型P

3、WM變換電路、轉(zhuǎn)速與電流控制器的原理,并給出了軟、硬件實現(xiàn)方案。關(guān)鍵詞：PWM調(diào)速、直流電動機、雙閉環(huán)調(diào)速目錄1.任務(wù)分析.31.1選擇PWM控制系統(tǒng)的理由. . 31.2采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由.31.3直流PWM傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.41.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖.51.5調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形.61.6 H橋雙極式逆變器的工作原理.61.7 PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜特性.82.主電路設(shè)計.92.1給定基準電源.102.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計.112.2.1 電流調(diào)節(jié)器.112.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器.112.3 控制電路的設(shè)計.122.4 驅(qū)動電路設(shè)計.132.5轉(zhuǎn)速及電流檢測電路.142.

4、5.1 轉(zhuǎn)速檢測電路.142.5.2 電流檢測電路.143.調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定.153.1系統(tǒng)固有部分的主要參數(shù)計算.153.2預(yù)先選定的參數(shù).163.3電流環(huán)的設(shè)計.163.4速度環(huán)的設(shè)計.184.轉(zhuǎn)速及電流檢測環(huán)節(jié).205.電路圖總體設(shè)計.216.心得及總結(jié).237.閉環(huán)控制可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實驗臺（H橋）.23參考文獻.28雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1.任務(wù)分析 1.1選擇PWM控制系統(tǒng)的理由脈寬調(diào)制器UPW采用美國硅通用公司（Silicon General）的第二代產(chǎn)品SG3525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強的單片集成PWM控制器。由于它簡單、可靠及使用方便靈活，大大

5、簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試，故獲得廣泛使用。PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性 ：1）PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少。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)速范圍廣，可達到1：10000左右。4）如果可以與快速響應(yīng)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強。5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)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）直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 變頻調(diào)速很快為廣大電動機用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調(diào)速方法，在一些中小容量的動態(tài)高性能系統(tǒng)中更

6、是已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式。由此可見，變頻調(diào)速是非常值得自動化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中，PWM調(diào)速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對象的重要原因。 1.2采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用PI控制器時，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動

7、，突加負載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾性較差，當電網(wǎng)電壓波動時，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動態(tài)誤差較大。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動；二是能夠快速克服負載、電網(wǎng)等干擾。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動，必須使直流電動機在起動過程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當電樞電流保持最大允許值時，電動機以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對電樞電流進行調(diào)節(jié)。以上兩

8、點都涉及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 1.3直流PWM傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖1-1系統(tǒng)構(gòu)成原理直流PWM傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖直流PWM控制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速控制系統(tǒng)的簡稱，與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別在于用直流PWM變換器取代了晶閘管變流裝置，作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動器，系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖1-1所示。其中屬于脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)主要由調(diào)制波發(fā)生器GM、脈寬調(diào)制器UPM、邏輯延時環(huán)節(jié)DLD和電力晶體管基極的驅(qū)動器GD和脈寬調(diào)制（PWM）變換器組成，最關(guān)鍵的部件為脈寬調(diào)制器UPM。 1.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1-2所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

9、與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(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，達到設(shè)計要求。圖1-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1.5 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-3所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速

10、起動過程圖1-3 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 1.6 H橋雙極式逆變器的工作原理脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。H形雙極式逆變器電路如圖1-4所示。這時電動機M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓的極性變化而變化。圖1-4 H形雙極式逆變器電路 雙極式逆變器的四個驅(qū)動電壓波形如圖1-5所示。圖1-5 H形雙極式逆變器的驅(qū)動電壓波形他們的關(guān)系是：。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當時，晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止，這時。當時，、截止，但、不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時。在一個周期內(nèi)正負相間，這是雙極

11、式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。電動機的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，當正脈沖較窄時，則反轉(zhuǎn)；如果正負脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動機停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比，電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中 調(diào)速時，的可調(diào)范圍為01相應(yīng)的。當時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當時，為負，電動機反轉(zhuǎn)；當時，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停

12、止時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區(qū)。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點：1）電流一定連續(xù)。2）可使電動機在四象限運行。3）電動機停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4）低速平穩(wěn)性好，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 1.7 PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜特性由于采用了脈寬調(diào)制，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關(guān)系式比較簡單，電壓平衡方程如下 . 按電壓平衡方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機械特性方程式，電樞兩端在一個周期內(nèi)的電壓都是，平均電流用表示，平均轉(zhuǎn)速，而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫成則機械特性方程式綜上所述，目前，

13、采用晶閘管整流供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。但是晶閘管整流器也有它的缺點，主要表現(xiàn)在：1） 晶閘管一般是單向?qū)щ娫?，不允許電流反向，這給電動機實現(xiàn)可逆運行造成困難2）對過電壓。過電流等十分敏感，只要一超過允許值都可能在很短的時間內(nèi)損壞元件3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，它對交流電源是一個感性負載，吸取滯后無功功率，因此功率因素很低，如果它在電網(wǎng)中容量大，將造成“電力公害”4）晶閘管整流裝置的輸出電壓時脈動的，而且脈動數(shù)總是有限的。由于以上原因，選擇脈寬調(diào)制變換器進行改變電樞電壓直流調(diào)速系統(tǒng)，因為PWM調(diào)速系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性：1）PWM調(diào)速系統(tǒng)主電

14、路線路簡單，需用的功率器件少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)速范圍廣，可達1：10000左右4）如果可以與快速響應(yīng)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因為裝置效率高。單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用PI控制器時，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為0，但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。還有單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾性較差，當電網(wǎng)電壓波動時，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才產(chǎn)生，因此動態(tài)誤差大

15、。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動；二是能夠快速克服負載、電網(wǎng)等干擾。2.主電路設(shè)計H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖2-1所示。PWM逆變器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機制動時只好對濾波電容充電，這時電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rz消耗掉這些能量，在泵升電壓達到允許值時接通VTz。圖2-1 H橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路主要參數(shù)如下：=1200V =16A =100 2.1給定基準電源此電路用于產(chǎn)生15V電壓作為轉(zhuǎn)

16、速給定電壓以及基準電壓，如圖2-2所示：圖2-2 給定基準電源電路 2.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控量進行采樣，然后與給定值比較，決定調(diào)節(jié)器的輸出，反饋的關(guān)鍵是對被控量進行采樣與測量。 2.2.1 電流調(diào)節(jié)器由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時間常數(shù)，以濾平電流檢測信號為準。為了平衡反饋信號的延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時間上配合恰當。圖2-3 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 2.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速反饋電路如圖2-4所示，由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速

17、反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時間常數(shù)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的原理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖2-4 PI型電轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 2.3 控制電路的設(shè)計 雙閉環(huán)控制電路的工作原理：對雙閉環(huán)控制電路的穩(wěn)態(tài)工作原理的分析，可根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。分析穩(wěn)態(tài)工作原理的關(guān)鍵是要了解PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和-輸出達到限幅值；不飽和-輸出未達到飽和狀態(tài)。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入值的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入與輸出間的聯(lián)系，相當于是該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)；不飽和的調(diào)節(jié)器，PI的作用使輸入

18、偏差電壓都為0。在實際的正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的，因此，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和和不飽和兩種情況。當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是0。而當轉(zhuǎn)速飽和時，ASR輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速環(huán)呈開環(huán)轉(zhuǎn)態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生作用，雙閉環(huán)系統(tǒng)相當于一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決于轉(zhuǎn)速和負載電流。PI調(diào)節(jié)器的輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達穩(wěn)態(tài)時，輸入為0，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流

19、小于Idm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。當負載電流達到Idm時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這樣的靜特性比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。對其啟動過程的分析，由于在啟動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退保和三種情況，整個動態(tài)過程就分成I、II、III三個階段。第一個階段是電流上升階段。突加給定電壓U后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用，Uc、Ud0、Id都跟著上升，但是在Id沒有達到負載電流Idl以前，電動機還不能轉(zhuǎn)動。當Id=Idl，電動機開始啟動。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，

20、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Id迅速上升。直到Id=Idm，Ui=Uim，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了Id的增長，標志著這一階段的結(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；第二個階段是恒流上升階段，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)成為在恒值電流給的那個Uim下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id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，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量。為了克服這個擾動，Udo和Uc也必須基本上按線性

21、增長，才能保持Id恒定。當ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，Id應(yīng)略低于Idm，此外還應(yīng)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(yīng)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。第三階段是轉(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Uim，所以電動機仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，Ui和Id很快下降。但是，只要Id仍大于負載電流Idl，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到Id=Idl時，轉(zhuǎn)矩Te=

22、Tl，則轉(zhuǎn)速n才能到達峰值，此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應(yīng)，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的不夠好，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(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則使Id盡快跟隨其給定值，或者說，電流內(nèi)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： 對其動態(tài)抗擾性能的分析，動態(tài)原理圖框圖對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。從動態(tài)性能上看，由于擾動作用點不同，存在著能否及時調(diào)節(jié)的差別。負載擾動能夠比較快的反應(yīng)到被調(diào)量n上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動的作用被調(diào)量稍遠，由于增設(shè)

23、了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。 2.4 驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路中V5起保護作用，避免EXB841的6腳承受過電壓，通過VD1檢測是否過電流，接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過流保護起控點，以降低過高的保護閥值從而解決過流保護閥值太高的問題。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現(xiàn)過電壓，Rge是防止IGBT誤導(dǎo)通。針對EXB841存在保護盲區(qū)的問題，可將EXB841的6腳的超快速恢復(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大一點的超快速恢復(fù)二極管或反向串聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管，也可采取對每個脈沖限

24、制最小脈寬使其大于盲區(qū)時間，避免IGBT過窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對EXB841軟關(guān)斷保護不可靠的問題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一個可變電阻，4腳和地之間接一個電容，都是用來調(diào)節(jié)關(guān)斷時間，保證軟關(guān)斷的可靠性。針對負偏壓不足的問題，可以考慮提高負偏壓。一般采用的負偏壓是-5V，可以采用-8V的負偏壓(當然負偏壓的選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制)，輸人信號被接到15腳，EXB841正常工作驅(qū)動IGBT. 2.5轉(zhuǎn)速及電流檢測電路 2.5.1 轉(zhuǎn)速檢測電路轉(zhuǎn)速檢測電路如圖2-5所示。與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓，與給定電壓相比較

25、后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓輸送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。測速發(fā)電機的輸出電壓不僅表示轉(zhuǎn)速的大小，還包含轉(zhuǎn)速的方向，測速電路如圖15所示，通過調(diào)節(jié)電位器即可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。圖2-5 轉(zhuǎn)速檢測電路 2.5.2 電流檢測電路通過霍爾傳感器測量電流的電流檢測電路原理如圖2-6所示。圖2-6 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯，套在被測電流流過的導(dǎo)線上，將導(dǎo)線中電流感生的磁場聚集起來，在磁芯上開一氣隙，內(nèi)置一個霍爾線性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導(dǎo)線中流通的電流。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點： 1）可以同時測量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流；

26、2）副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV12kV； 3）電流測量范圍寬，可測量額定1mA50kA電流； 4）跟蹤速度di/dt50A/s； 5）線性度優(yōu)于0.1IN； 6）響應(yīng)時間1s； 7）頻率響應(yīng)0100kHz。3.調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定本設(shè)計為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要元件/參數(shù)的選擇1.他勵直流電動機的參數(shù)：Pnom=3kw，Unom=48V，Inom=3.7A，n=500r/min，電樞電阻Ra=6.5W，電樞回路總電阻R=8W。電樞回路電磁時間常數(shù)Tl=5ms，機電時間常數(shù)Tm=200ms,電源電壓Us=60V,給定值和ASR 、ACR的輸出限幅值均為10V，電流

27、反饋系數(shù)b=0.05V.min/r,電動勢轉(zhuǎn)速比Ce=0.18V.min/r,GD2=60N*M22.技術(shù)指標和要求電動機能夠?qū)崿F(xiàn)可逆運行。要求穩(wěn)態(tài)無靜差。動態(tài)過渡過程時間ts=0.1s,電流超調(diào)量5%，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量10%設(shè)ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器，ASR的輸出限幅Uim*=-8V，ACR的輸出限幅Ucm=8V，最大給定電壓Unm*=10V。技術(shù)指標和要求：要求穩(wěn)態(tài)無誤差，電流超調(diào)量=5%，空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量50A/us；響應(yīng)時間1us；頻率響應(yīng)0100kHz。兩個給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè)計者選定，設(shè)計原則如下：U*nm受運算放大器允許輸入

28、電壓和穩(wěn)壓電源的限制；U*im 為ASR的輸出限幅值。V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R = 1.0；測速發(fā)電機：永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.1W，110V，0.21A，1900r/min；直流穩(wěn)壓電源：15V。5.電路圖總體設(shè)計圖5-1電路圖總體設(shè)計6.心得及總結(jié)經(jīng)過這一段時間的努力，終于圓滿的完成了本課程設(shè)計，在具體設(shè)計過程中，從設(shè)計到計算，到分析再到繪圖，讓我更進一步的明白了作為一個設(shè)計人員要有清晰的頭腦和整體的布局，要有嚴謹?shù)膽B(tài)度和實事求是的決心，要有精益求精、追求完美的一種精神。從開始的設(shè)計方案的擬定的總體設(shè)計中，清楚的了解了自己接下來要完成的任務(wù)，同時很好的鍛煉了自主學(xué)習(xí)的能力。當我們面對很

29、多問題的時候所采取的具體行動也是不同的,這當然也會影響我們的結(jié)果.很多時候問題的出現(xiàn)我們所需要的是一種正確的解決問題的心態(tài),而不是看我們過去的能力到底有多強,只有態(tài)度的端正和目的的明確,才能把自己身置于具體的問題之中,我們才能更好的解決問題.。 由于本人的設(shè)計能力有限，在設(shè)計過程中難免出現(xiàn)錯誤，懇請老師們多多指教,我十分樂意接受你們的批評與指正，萬分感謝。 7.雙閉環(huán)控制可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗臺（H橋）一、實驗?zāi)康?1)了解轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的組成、工作原理及各單元的工作原理。(2)掌握雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試步驟、方法及參數(shù)的整定。(3)測定雙閉環(huán)直

30、流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能指標。二、實驗所需要掛件及附件序號型號備注1DJK01控制屏該掛件包含“三相電源輸出”等幾個模塊。2DJK08可調(diào)電阻電容箱3DJK09單相調(diào)壓與可調(diào)負載提供直流電源4DJK17雙閉環(huán)H橋DC/DC變換直流調(diào)速系統(tǒng)5DD03-3電機導(dǎo)軌、光碼盤測速系統(tǒng)及數(shù)顯轉(zhuǎn)速表6DJ13-1直流并勵發(fā)電機7DJ15直流并勵電動機8D42可調(diào)電阻9慢掃描示波器自備10萬用表自備 三、實驗線路及原理圖5-13 雙閉環(huán)H橋DC/DC變換直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖速度給定信號G，速度調(diào)節(jié)器ASR，電流調(diào)節(jié)器ACR，控制PWM信號產(chǎn)生裝置UPM，DLD單元把一組PWM波形分成兩組相差180的PWM

31、波，并產(chǎn)生一定的死區(qū)，用于控制兩組臂；GD的作用是形成四組隔離的PWM驅(qū)動脈沖；PWM為功率放大電路，直接給電動機M供電；DZS是零速封鎖單元；FA限制主電路瞬時電流，過流時封鎖DLD單元輸出；電流反饋調(diào)節(jié)單元CFR；速度反饋調(diào)節(jié)SFR。若使用DD03-4不銹鋼電機導(dǎo)軌、渦流測功機及光碼盤測速系統(tǒng)和D55-4智能電機特性測試及控制系統(tǒng)兩者來完成電機加載請詳見附錄相關(guān)內(nèi)容。四、實驗內(nèi)容(1)各單元電路的調(diào)試。(2)測定開環(huán)機械特性。(3)測定閉環(huán)的靜特性。五、實驗方法(1)系統(tǒng)單元調(diào)試速度調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR)的調(diào)零把調(diào)節(jié)器的輸入端1、2、3全部接地，4、5之間接50K電阻，調(diào)節(jié)

32、電位器RP3，使“7” 端輸出絕對值小于1mv。速度調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR)的輸出限幅值的整定在調(diào)節(jié)器的3個輸入中的其中任一個輸入接給定，在4.、5之間接50K電阻、1uF電容，調(diào)節(jié)給定電位器，使調(diào)節(jié)器的輸入為-1V，調(diào)節(jié)電位器RP1，使調(diào)節(jié)器的輸出7為+4V（輸出正限幅值）；同樣把給定調(diào)節(jié)為+1V，調(diào)節(jié)RP2，把負限幅值調(diào)節(jié)為-4V。零速度封鎖器（DZS）觀測首先把零速封鎖器的輸入懸空，開關(guān)S1撥至“封鎖”狀態(tài)，輸出接速度或者電流調(diào)節(jié)器的零速封鎖端6，無論調(diào)節(jié)器的輸入如何調(diào)節(jié)，輸出7始終為零。把面板上的給定輸出接至零速封鎖單元其中一路，另一路懸空，增大給定，測量零速封鎖單元輸出

33、端3：給定的絕對值大于0.26V左右時，封鎖端3輸出-15V；減小給定，給定的絕對值小于0.17V左右時，封鎖端3輸出+15V。把給定加到另一路進行同樣的操作。(2)脈寬發(fā)生單元的整定和觀測把電機、直流電源等接入系統(tǒng)，系統(tǒng)接成開環(huán)，脈寬發(fā)生單元的輸入懸空或者接地，調(diào)節(jié)偏移電壓電位器，使電機處于停止狀態(tài)（若要達到更好的閉環(huán)效果，調(diào)節(jié)偏移電壓電位器，使通過電樞的直流電流低于0.02mA）用雙蹤示波器觀測脈寬發(fā)生單元的測試點1、2和3、4的波形，此時的1、2（3、4）的占空比接近相同（占空比為50%左右）。觀測同一組橋臂（1、2或者3、4）之間的死區(qū)。(3)轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器（SFR）、電流反饋調(diào)節(jié)器（

34、CFR）的整定：把電機、220V直流電源接入系統(tǒng)，系統(tǒng)接成開環(huán)。把正給定接入脈寬發(fā)生單元，調(diào)節(jié)給定，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1600rpm，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器中的RP1，使3端輸出的電壓為-4V。加大負載，使電機的電樞電流穩(wěn)定在1.3A，調(diào)節(jié)電流反饋調(diào)節(jié)器，使電流反饋調(diào)節(jié)器3端輸出的電壓為+4V。(4)開環(huán)機械特性測試：把電機、直流電源，接入系統(tǒng)，電動機、發(fā)電機加額定勵磁。緩慢增加給定電壓Ug,使電機升速,調(diào)節(jié)給定電壓Ug和負載Rg使電動機(DJ15)的電樞電流Id=1.1A,轉(zhuǎn)速達到1200rpm。在測試過程中逐步增大負載電阻Rg的阻值（即減小負載）就可測出該系統(tǒng)的開環(huán)外特性n=f（I2），將其記入下面

35、的表格：n(rpm)120012151224124312591278130413221473I(A)1.11.00.90.80.70.60.50.450然后將電機反轉(zhuǎn)，增加給定Ug（負給定）使電機反向升速，調(diào)節(jié)給定電壓Ug和負載Rg使電動機(DJ15)的電樞電流Id=1.1A,轉(zhuǎn)速分別達到-1200rpm。在測試過程中逐步增大負載電阻Rg的阻值（即減小負載）就可測出該系統(tǒng)的開環(huán)外特性n=f（I2），將其記入下面的表格：n(rpm)12001223123612641271129012951407I(A)1.11.00.950.850.80.750.720(5)閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)試及閉環(huán)靜特性測定 機械特

36、性n=f（Id）的測定直流電壓輸入為300V的情況下，發(fā)電機輸出首先空載，從零開始逐漸調(diào)大給定電壓Ug，使電動機轉(zhuǎn)速接近1200rpm，然后在發(fā)電機的電樞繞組接入負載電阻Rg，逐漸增大電動機負載（即減小負載的電阻值），直至電動機的電樞電流Id=1.1A，即可測出系統(tǒng)靜態(tài)特性，測定n=f（Id）并記錄于下表中：n(rpm)0.30.40.50.60.70.80.850.91.0I(A)120012001200119911991199119911981198改變電機的轉(zhuǎn)向，重復(fù)上述的步驟：Id(A)0.350.650.70.750.80.850.91.0n(rpm)120012001200120012001201