h橋可逆直流調速系統(tǒng)課設

1、燕山大學課 程 研 究 項 目 報 告項目名稱： h橋可逆直流調速系統(tǒng)設計與實驗 學院（系）： 電氣工程學院 年級專業(yè)： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 日期： 2014年6月3日 目 錄第一章 摘要1第二章 前言2 第三章 報告研究正文3 3.1 調速控制系統(tǒng)設計3 3.2 電源及操作系統(tǒng)設計7 3.3 雙閉環(huán)調節(jié)器電路設計11 3.4 參數(shù)計算與計算機仿真12 3.5 實物制作17 3.6 性能測試19第四章 結論20參考文獻 21第一章 摘要本文介紹了基于工程設計對直流調速系統(tǒng)的設計，根據(jù)直流調速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理，利用mosfet、二極管等器件設計了一個轉速、電流雙閉環(huán)直流晶閘

2、管調速系統(tǒng)，并利用matlab對其進行仿真。該系統(tǒng)中設置了電流檢測環(huán)節(jié)、電流調節(jié)器以及轉速檢測環(huán)節(jié)、轉速調節(jié)器，構成了電流環(huán)和轉速環(huán)，前者通過電流元件的反饋作用穩(wěn)定電流，后者通過轉速檢測元件的反饋作用保持轉速穩(wěn)定，最終消除轉速偏差，從而使系統(tǒng)達到調節(jié)電流和轉速的目的。關鍵詞：雙閉環(huán)控制系統(tǒng) matlab 電流調節(jié)器 轉速調節(jié)器第二章 前言目前，轉速電流雙閉環(huán)控制直流調速系統(tǒng)是性能很好應用最廣泛的直流調速系統(tǒng)。我們知道采用轉速負反饋和pi調節(jié)器的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差。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)

3、就難以滿足需要。故需要引入轉速電流雙閉環(huán)控制直流調速系統(tǒng)，本文著重闡明其控制規(guī)律性能特點和設計方法，是各種交直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎。首先介紹轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及其靜特性，接著說明該系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，并從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉速與電流兩個調節(jié)器的作用。在實際應用中，電動機作為把電能轉換為機械能的主要設備，一是要具有較高的機電能量轉換效率；二是應能根據(jù)生產機械的工藝要求控制和調節(jié)電動機的旋轉速度。電動機的調速性能如何對提高產品質量、提高勞動生產率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，調速技術一直是研究的熱點。長期以來，直流電動機由于調速性能優(yōu)越而掩蓋了結構復雜等缺

4、點廣泛的應用于工程過程中。直流電動機在額定轉速以下運行時，保持勵磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實現(xiàn)恒定轉矩調速；在額定轉速以上運行時，保持電樞電壓恒定，可用改變勵磁的方法實現(xiàn)恒功率調速。采用轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調速特性。 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產中，幾乎無處不使用電力拖動裝置。軋鋼機、電鏟、提升機、運輸機等各類生產機械都要采用電動機來傳動。隨著對生產工藝，產品質量的要求不斷提高和產量的增長，越來越多的生產機械能實現(xiàn)自動調速。從20世紀60年代以來，現(xiàn)代工業(yè)電力拖動系統(tǒng)達到了全新的發(fā)展階段。這種發(fā)展是以采用電力電子技術為基礎的，在世界各國的工業(yè)部門中，直流電力拖動至今仍

5、廣泛的應用著。直流拖動的突出優(yōu)點在于：容易控制，能在很寬的范圍內平滑而精確的調速，以及快速響應等。在一定時期以內，直流拖動仍將具有強大的生命力。項目預期成果：設計一個雙閉環(huán)可逆直流調速系統(tǒng)，實現(xiàn)電流超調量小于等于5%；轉速超調量小于等于5%；過渡過程時間小于等于0.1s的無靜差調速系統(tǒng)。項目分工如下表所示：組長組員項目分工電機參數(shù)測量參數(shù)計算仿真電路設計電路焊接電路調試方案設計、方案論證、ppt制作、方案總結第三章 研究報告正文3.1 調速控制系統(tǒng)設計3.1.1動靜態(tài)性能指標規(guī)劃：a 靜態(tài)指標：穩(wěn)態(tài)無靜差。b 動態(tài)指標：電流超調量小于等于5%； 轉速超調量小于等于5%； 過渡過程時間小于等于0

6、.1s。3.1.2控制系統(tǒng)動靜態(tài)數(shù)學模型建立：a 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性分析:分析靜特性的關鍵是掌握pi調節(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，不飽和輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和，換句說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，pi的作用使輸入偏差電壓u在穩(wěn)態(tài)時總為零。 圖一 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖 實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的因此，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。圖二 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性b 控制

7、系統(tǒng)動態(tài)性能分析：由于在起動過程中轉速調節(jié)器asr經歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的、三個階段 ：第一階段是電流上升階段，第二階段是恒流升速階段，第三階段是轉速調節(jié)階段。圖三 啟動過程電流轉速波形動態(tài)抗干擾性分析:一般來說，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能，對于調速系統(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電壓擾動。1. 抗負載擾動由雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖上可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此，只能靠轉速調節(jié)器asr來產生抗負載擾動的作用。在設計asr時，應要求有較好的抗擾性能指標。2. 抗電網電壓擾動 電網電壓變化對調速系統(tǒng)也產生

8、擾動作用。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節(jié)，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網電波動引起的轉速動態(tài)變化會小得多.3.1.3調速系統(tǒng)總體結構設計：雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作過程和原理：電動機在啟動階段，電動機的實際轉速(電壓)低于給定值,速度調節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號，經放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調節(jié)器, 此時則以最大電流給定值使電流調節(jié)器輸出移相信號,直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動機以最大電流恒流加速啟動

9、。電動機的最大電流(堵轉電流)可以通過整定速度調節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉速上升到給定轉速后，速度調節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零,速度調節(jié)器和電流調節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調節(jié)開始起作用。對負載引起的轉速波動,速度調節(jié)器輸入端產生的偏差信號將隨時通過速度調節(jié)器、電流調節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓，使整流橋輸出的直流電壓相應變化,從而校正和補償電動機的轉速偏差。另外電流調節(jié)器的小時間常數(shù), 還能夠對因電網波引起的電動機電樞電流的變化進行快速調節(jié),可以在電動機轉速還未來得及發(fā)生改變時,迅速使電流恢復到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉速下運行。 圖四 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的結構圖3.1.4調節(jié)

10、器選型：典型型系統(tǒng)可以在跟隨性能上做到超調量小，但抗擾性能稍差；典型系統(tǒng)的超調量相對較大，抗擾性能卻比較好。根據(jù)這一依據(jù)，實際控制系統(tǒng)對于各種動態(tài)指標的要求各不相同選用的系統(tǒng)類型也不同。如調速系統(tǒng)的動態(tài)特性以抗擾性能為主，則應首先典型系統(tǒng)；而隨系統(tǒng)的動態(tài)性能指標以跟隨性能為主，可按典型型系統(tǒng)設計。3.2電源及操作系統(tǒng)設計3.2.1供電電源設計此電路用于產生15v電壓作為轉速給定電壓以及基準電壓 圖五 給定基準電源電路3.2.2控制電源設計 h橋雙極式逆變器的工作原理脈寬調制器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調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，以調節(jié)

11、電機轉速。h形雙極式逆變器電路如圖所示。這時電動機m兩端電壓的極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化。圖六 h形雙極式逆變器電路雙極式逆變器的四個驅動電壓波形如圖所示。圖七 h形雙極式逆變器的驅動電壓波形他們的關系是：。在一個開關周期內，當時，晶體管、飽和導通而、截止，這時。當時，、截止，但、不能立即導通，電樞電流經、續(xù)流，這時。在一個周期內正負相間，這是雙極式pwm變換器的特征，其電壓、電流波形如圖所示。電動機的正反轉體現(xiàn)在驅動電壓正、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，當正脈沖較窄時，則反轉；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

12、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速時，的可調范圍為01相應的。當時，為正，電動機正轉；當時，為負，電動機反轉；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，不產生平均轉矩，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，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有

13、利于保證器件的可靠導通。pwm調速系統(tǒng)的靜特性:由于采用了脈寬調制，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關系式比較簡單，電壓平衡方程如下 按電壓平衡方程求一個周期內的平均值，即可導出機械特性方程式，電樞兩端在一個周期內的電壓都是，平均電流用表示，平均轉速，而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時應為零。于是其平均值方程可以寫成則機械特性方程式3.2.3電路設計h橋式可逆直流脈寬調速系統(tǒng)主電路的如圖所示。pwm逆變器的直流電源由交流電網經不控的二極管整流器產生，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

14、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。圖八 h橋式直流脈寬調速系統(tǒng)主電路3.3 雙閉環(huán)調節(jié)器電路設計為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控量進行采樣，然后與給定值比較，決定調節(jié)器的輸出，反饋的關鍵是對被控量進行采樣與測量。3.3.1 電流調節(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。圖九 含給定濾波與反饋濾波的pi型電流調節(jié)器3.3.2 轉速調節(jié)器

15、轉速反饋電路如圖所示，由測速發(fā)電機得到的轉速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)。圖十 含給定濾波與反饋濾波的pi型電轉速調節(jié)器3.4 參數(shù)計算與計算機仿真3.4.1參數(shù)計算設計要求：電流超調量5%轉速超調量 過渡時間本報告設計為h橋可逆直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，分為內環(huán)電流環(huán)acr與外環(huán)轉速環(huán)asr兩部分，現(xiàn)將參數(shù)整定如下：設計已知基本參數(shù)為：直流電動機額定電壓： un=54v額定電流： in=3.24a額定轉速： nn=1450r/min電樞電阻： ra=1.5電樞回路總電阻： r=4電樞電感：

16、l = 2mh 轉動慣量： j=0.76g.觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的允許過載倍數(shù)：=1.5時間常數(shù)： =0.03389 cm=0.3236 =0.02903s電流反饋系數(shù)v/a轉速反饋系數(shù)：0.0069v.min/r控制電壓uc的調節(jié)范圍是0-10v整流電壓ud的變化范圍是0-54vpwm裝置放大系數(shù)： 開關頻率f=20khz整流裝置滯后時間常數(shù)取電流濾波常數(shù)：轉速濾波常數(shù)：ton=0.001s先設計電流內環(huán)，再設計轉速外環(huán)（1） 電流調節(jié)器設計a 選擇電流調節(jié)器結構根據(jù)設計要求電流超調量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型i型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流控制。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,所以把電流調節(jié)器設計成p

17、i型的，其傳遞函數(shù)為 式中 電流調節(jié)器的比例系數(shù)；電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)b 計算電流調節(jié)器參數(shù) 電流環(huán)小時間之和按小時間常數(shù)近似處理：(和一般都比小得多,可以當作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié))。acr超前時間常數(shù)；電流環(huán)開環(huán)時間增益:要求，故應取，因此 于是，acr的比例系數(shù)為:c 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：即滿足近似條件；忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：即滿足近似條件；小時間常數(shù)近似處理條件：即滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨指標為,滿足設計要求。轉速調節(jié)器設計a. 選擇調節(jié)器結構按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負載擾動點后已經有了一

18、個積分環(huán)節(jié),為了實現(xiàn)轉速無靜差還必須在擾動作用點以前設置一個積分環(huán)節(jié),因此需要由設計要求，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設計pi調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為b. 計算轉速調節(jié)器參數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)=2轉速環(huán)小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理，取=+ton=0.00111s根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取，則asr超前時間常數(shù)為轉速開環(huán)增益：asr的比例系數(shù)：c. 近似校驗轉速截止頻率為：電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： 現(xiàn)在 滿足簡化條件。轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：現(xiàn)在 滿足近似條件。當h=5時，查表得，=37.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于這是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時

19、，asr飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按asr退飽和的情況重新計算超調量。設理想空載起動時，負載系數(shù)z=0。當h=5時，因此滿足設計要求。3.4.2計算機仿真仿真可采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法或面向電氣系統(tǒng)原理結構圖的仿真方法，本文采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法。利用matlab系統(tǒng)仿真結構下圖所示 圖十一 matlab仿真結構圖仿真結果如下：圖十二 matlab仿真結果觀察上圖可得：過渡時間ts=0.0750.1s滿足設計要求。35實物制作下圖為根據(jù)所設計的電路搭建的平臺實物圖：圖十三 實物制作圖3.6性能測試首先測試現(xiàn)有h橋電路板的工作正常性，然后利用焊接好的電路板驅動空載電動機，觀察示波器，通過調節(jié)占空比來實現(xiàn)電機的正反轉，本報告提供在調節(jié)占空比的過程中的示波器波形：圖十四 脈寬調制兩路互補的波形第四章 總結1、主要工作 ：在這次的cdio項目中，我在小組中參與的主要 任務有方案的設計，參數(shù)的計算，仿真，ppt制作與報告的完成這些項目。2、主要結果：在這次的“h橋可