課程設計（論文）雙極式PWM雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計

1、沈 陽 工 程 學 院課 程 設 計設計題目： 雙極式pwm雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計 系 別 自控系 班級 測控本062 學生姓名 學號 10 指導教師 xxxx 職稱 助教 起止日期：2009年3月2日起至 2009年3月6日止 雙極式pwm雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計目錄課程設計任務書i1設計主要內容及要求ii2對設計論文撰寫內容、格式、字數的要求ii課程設計成績評定表iii中文摘要iv一、設計任務描述1二、設計思路2系統(tǒng)總體結構的設計2環(huán)節(jié)設計、部件選擇及參數計算2系統(tǒng)原理圖2建立系統(tǒng)動態(tài)數學模型2三、設計方框圖5四、各部分電路設計及參數計算6設計方法的基本思路6典型系統(tǒng)及其參數與性能指標的

2、關系6典型型系統(tǒng)及其參數與性能指標的關系8工程設計中的近似處理10電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的設計12五、元器件清單18小結19致謝20參考文獻21沈陽工程學院課程設計任務書課程設計題目： 雙極式pwm雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計 系 別 自控系 班級 測控本062 學生姓名 xxx 學號 10 指導教師 xxx 職稱 助教 課程設計進行地點： 教學b座419 任 務 下 達 時 間： 2009 年 3 月 2 日起止日期： 2009 年 3 月 2 日起至 2009年 3 月 6 日止教研室主任 年 月 日批準1設計主要內容及要求（1）主要內容試設計一h型雙極式pwm直流閉環(huán)調速系統(tǒng)。已知的基本參數

3、如下：電動機：un48v, in3.7a, nn = 200r/min, ra = 6.5，電樞回路總電阻r=8，電樞回路電磁時間常數tl= 0.005s，機電時間常數tm=0.2s，電源電壓us = 60v，給定轉速電壓最大值和asr, acr的輸出限幅值均為10v，電流反饋系數=1.33v/a，轉速反饋系數=0.05v.min/r，電動勢轉速比ce=0.18 v.min/r，選用d202電力晶體管作功放用開關管，已知d202的參數如下：tce0.159, tr0.103, tf0.061。（2）要求按工程設計方法設計計算，設計的性能指標要求：1) 穩(wěn)態(tài)指標：穩(wěn)態(tài)無靜差。2) 動態(tài)指標：電流

4、超調量?？蛰d起動到額定轉速時的轉速超調量。動態(tài)過渡過程時間s2對設計論文撰寫內容、格式、字數的要求（1） 課程設計論文是體現和總結課程設計成果的載體，一般不應少于3000字。（2） 學生應撰寫的內容為：中文摘要和關鍵詞、目錄、正文、參考文獻等。課程設計論文的結構及各部分內容要求可參照沈陽工程學院畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范執(zhí)行。應做到文理通順，內容正確完整，書寫工整，裝訂整齊。（3） 論文要求打印，打印時按沈陽工程學院畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范的要求進行打印。（4） 課程設計論文裝訂順序為：封面、任務書、成績評審意見表、中文摘要和關鍵詞、目錄、正文、參考文獻。3.時間進度安排；順序階段日期計 劃 完

5、 成 內 容備注13月2日教師講解題目，學生查閱相關資料23月3日電流調節(jié)器結構及其參數設計33月4日速度調節(jié)器結構及其參數設計43月5日撰寫課程設計論文53月6日答辯沈 陽 工 程 學 院 伺 服 系 統(tǒng) 課程設計成績評定表系（部）： 自控系 班級： 測控本062 學生姓名： zxxx 指 導 教 師 評 審 意 見評價內容具 體 要 求權重評 分加權分調研論證能獨立查閱文獻,收集資料；能制定課程設計方案和日程安排。0.15432工作能力態(tài)度工作態(tài)度認真，遵守紀律，出勤情況是否良好，能夠獨立完成設計工作， 0.25432工作量按期圓滿完成規(guī)定的設計任務，工作量飽滿，難度適宜。0.25432說

6、明書的質量說明書立論正確，論述充分，結論嚴謹合理，文字通順，技術用語準確，符號統(tǒng)一，編號齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.55432指導教師評審成績（加權分合計乘以12） 分加權分合計指 導 教 師 簽 名： 年 月 日評 閱 教 師 評 審 意 見評價內容具 體 要 求權重評 分加權分查閱文獻查閱文獻有一定廣泛性；有綜合歸納資料的能力0.25432工作量工作量飽滿，難度適中。0.55432說明書的質量說明書立論正確，論述充分，結論嚴謹合理，文字通順，技術用語準確，符號統(tǒng)一，編號齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.35432評閱教師評審成績（加權分合計乘以8）分加權分合計評 閱 教 師 簽 名：

7、 年 月 日課 程 設 計 總 評 成 績分中文摘要伺服系統(tǒng)對數控技術、自動化、電氣工程及其自動化、機電一體化等專業(yè)是一門很重要的專業(yè)技術課。伺服系統(tǒng)的作用是聯系數控裝置與被控設備的中間環(huán)節(jié)，起著傳遞指令信息和反饋設備運行狀態(tài)信息的橋梁作用。在當代工業(yè)上pwm控制調速系統(tǒng)已經被廣泛地應用，其優(yōu)點還是日益突現，而帶有雙閉環(huán)的調速系統(tǒng)更是受到廣泛歡迎。在本次設計中，為了使調速達到高精度、高準度的要求，我使用了電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器，以此來組成雙閉環(huán)，電流環(huán)為內環(huán)，轉速環(huán)為外環(huán)。這樣的設計能夠達到任務要求的靜態(tài)指標和動態(tài)指標。特別是把此兩環(huán)校正為典型型和典型型后的性能指標更是達到了要求。本次設計中的

8、電流調節(jié)器和電壓調節(jié)器都是使用pi調節(jié)器，pi調節(jié)器是由運放和各種電子元器件組成的，由于本次設計時間有限所以就沒有把相應的參數給調出來了。關鍵詞 pwm，型系統(tǒng)，型系統(tǒng)，電流調節(jié)器，電壓調iv一、設計任務描述1任務試設計一h型雙極式pwm直流閉環(huán)調速系統(tǒng)。已知的基本參數如下：電動機：un48v, in3.7a, nn = 200r/min, ra = 6.5，電樞回路總電阻r=8，電樞回路電磁時間常數tl= 0.005s，機電時間常數tm=0.2s，電源電壓us = 60v，給定轉速電壓最大值和asr, acr的輸出限幅值均為10v，電流反饋系數=1.33v/a，轉速反饋系數=0.05v.mi

9、n/r，電動勢轉速比ce=0.18 v.min/r，選用d202電力晶體管作功放用開關管，已知d202的參數如下：tce0.159, tr0.103, tf0.061。2要求按工程設計方法設計計算，設計的性能指標要求：穩(wěn)態(tài)指標：穩(wěn)態(tài)無靜差。動態(tài)指標：電流超調量?？蛰d起動到額定轉速時的轉速超調量。動態(tài)過渡過程時間s21二、設計思路系統(tǒng)總體結構的設計此系統(tǒng)控制的對象是他勵直流電動機，控制信號為轉速控制電壓給定信號，輸出信號為電動機轉軸的轉速信號。系統(tǒng)的閉環(huán)控制按內環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為轉速環(huán)的結構設計。電樞繞組的驅動為電力晶體管的pwm脈沖放大電路。轉速和電流兩個調節(jié)器可采用由運算放大器組成的模擬電路

10、。pwm調速系統(tǒng)由于具有動、靜特性好，損耗小和電網功率因數高等優(yōu)點，在中小功率伺服系統(tǒng)中已取代v-m系統(tǒng)，其使用日益廣泛。其中h型雙極式pwm變換器更為普遍。h型雙極式pwm變換器的優(yōu)點如下：電流一定是連續(xù)的；可以使電動機在四象限運行；電動機停止運行時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；在低速時每個晶體管的驅動脈沖仍比較寬，有利于保證晶體管的可靠導通；低速平穩(wěn)性好，調速范圍可達0-20000左右。環(huán)節(jié)設計、部件選擇及參數計算根據總體結構要求設計各基本環(huán)節(jié)，由于電動機參數已由題意確定，所以需設計的環(huán)節(jié)主要有：電流、轉速反饋環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)，h型雙極式pwm變換器（包括鋸齒波發(fā)生器，脈寬調制器，邏輯延時器

11、，基極驅動電路和脈寬調制變換驅動器等），及電流、轉速兩個調節(jié)器等。最后根據已確定的各環(huán)節(jié)選擇部件及計算參數。系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖可以簡化。但為了給建立系統(tǒng)動態(tài)數學模型打下基礎，控制信號、反饋原理信號比較、調節(jié)原理和pwm調制和驅動電動機運行原理等都應在系統(tǒng)原理圖中表示清楚。建立系統(tǒng)動態(tài)數學模型一般情況下，系統(tǒng)動態(tài)數學模型主要通過傳遞函數建立。pwm調速系統(tǒng)的控制規(guī)律和動態(tài)數學模型與前題的v-m系統(tǒng)相比差別不大，主要不同點就是脈寬調制器和pwm變換器本身的傳遞函數。根據其工作原理，脈寬調制器和pwm變換器合起來可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)，它的延時周期最大不超過一個開關周期t。和晶閘管裝置傳遞函數的近

12、似處理一樣，當整個系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截止頻率滿足下式時可將滯后環(huán)節(jié)近似看成是一階慣性環(huán)節(jié)。因此，脈寬調制器和pwm變換器的傳遞函數可以近似看成式中 kpwm一脈寬調制器和pwm變換器的放大系數kpwm= ud/uc ；ud pwm變換器的輸出電壓；uc脈寬調制器控制電壓。圖1-2是表示一雙極式pwm直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)數學模型的動態(tài)結構圖。圖1-2 雙極式pwm直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖圖中 (s)對應于給定轉速的控制電壓信號；un(s)對應于實際轉速的反饋電壓信號；un (s)對應于轉速偏差的電壓信號；ui(s）對應于控制電流的電壓信號；uct(s)對應于脈寬調制器的輸入控制電壓信號；ud

13、0(s)pwm驅動電路輸出的空載電壓；e (s)電動機的反電動勢；id(s)電動機的電樞電流；idl(s)對應于電動機負載轉矩的負載電流；n (s)電動機轉軸轉速；ton轉速反饋環(huán)節(jié)濾波時間常數；toi電流反饋環(huán)節(jié)濾波時間常數；kpwm, tpwm脈寬調制器和pwm變換器放大倍數與其近似慣性環(huán)節(jié)時間常數；r電動機電樞回路總電阻；tl電動機電磁回路時間常數；tm包括電動機在內的系統(tǒng)機電時間常數；ce電動機在額定磁通下的電動勢轉速比；asr系統(tǒng)的速度調節(jié)器；acr系統(tǒng)的電流調節(jié)器；速度反饋系數；電流反饋系數。設計此動態(tài)結構圖時，應先設計各模塊的傳遞函數并求出各模塊的參數和時間常數，再根據“先內環(huán)后

14、外環(huán)”的原則分別設計acr和asr. acr和asr的設計是動態(tài)結構圖設計的重點。其設計方法一般為先確定調節(jié)器結構，然后確定調節(jié)器的參數。調節(jié)器結構的設計可根據所設計閉環(huán)的控制（輸出）量的要求及校正成哪一種典型系統(tǒng)的需要，在p, pi, pd, pid等類調節(jié)器中選一種。而調節(jié)器參數的設計則主要根據該閉環(huán)的輸人、輸出、各環(huán)節(jié)的參數及校正的目標系統(tǒng)的需要，通過計算而取得。另外也要考慮兩個調節(jié)器限幅等非線性作用。數學模型建立過程中，主要有兩項工作：一是要確定傳遞函數的結構；二是要計算各環(huán)節(jié)的時間常數和放大系數（比例系數）。三、設計方框圖輸入信號轉速調節(jié)器電流調節(jié)器反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)交流裝置調節(jié)對象輸

15、出四、各部分電路設計及參數計算設計方法的基本思路預期典型系統(tǒng)選擇調節(jié)器計算參數一般直流調速系統(tǒng)動態(tài)參數的工程設計，包括確定預期典型系統(tǒng)，選擇調節(jié)器形式，計算調節(jié)器參數。如下圖4-1所示：圖4-1 調速系統(tǒng)的設計過程最終結果應滿足生產機械工藝要求提出的靜態(tài)與動態(tài)性能指標。在實際應用中雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是應用得比較廣泛的，而且也是比較典型的一種，也還是構成各種可逆調速系統(tǒng)的核心。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)由轉速反饋和電流反饋組成，屬于多環(huán)控制系統(tǒng)，其動態(tài)結構如下圖a：圖a 雙極式pwm直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖其結構由內到外，一環(huán)包圍一環(huán)，每一閉環(huán)都設有本環(huán)的調節(jié)器，構成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)。轉速調節(jié)器的輸出

16、作為電流調節(jié)器的輸入，而電流調節(jié)器的輸出則去晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從系統(tǒng)結構上看，電流環(huán)在里面，稱為內環(huán)；轉速環(huán)在外面，稱外環(huán)。為了使轉速，電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能。電流、轉速兩個調節(jié)器一般采用輸出帶限幅的pi調節(jié)器。典型系統(tǒng)及其參數與性能指標的關系(1) 典型型系統(tǒng)典型型系統(tǒng)的開環(huán)才傳遞函數為：由上式的結構可以看出典型型系統(tǒng)由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相乘得來，其方框圖如下圖4-2：r（s）e（s）c（s）圖4-2 典型型系統(tǒng)動態(tài)結構圖由上圖可以看出來典型型系統(tǒng)是一個由積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)串聯組成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。(2) 型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟隨性能由控制理論誤差分析可知，型系統(tǒng)對

17、階躍給定信號的穩(wěn)態(tài)誤差為零；對單位斜坡輸入信號的穩(wěn)態(tài)誤差不為零，即有跟蹤誤差。由上式可知，當開環(huán)增益k增大時，跟蹤誤差將減少。(3) 型系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數為：在式中自然振蕩頻率，=；阻尼比，=。此系統(tǒng)在零初始條件下的階躍響應動態(tài)性能指標計算公式為：超調量：調節(jié)時間： 截止頻率：相角裕量：在對型系統(tǒng)進行工程設計時，通常選用k=1/(2t)或=0.707為典型函數，稱為“型系統(tǒng)工程最佳參數”。當取這兩個參數時，其性能指標為：實踐表明，上述典型參數對應的性能指標適合于響應快而又不允許過大超調量的系統(tǒng)，一般情況下都能滿足工程設計要求。(4) 型系統(tǒng)的頻率特性典型型系統(tǒng)的開環(huán)對數頻率特性如下圖所示。當時

18、，對數幅頻特性以20db/dec的斜率通過零分貝線，其截止頻率l/dbo-20ww=k，其相角裕量為圖4-3 型系統(tǒng)的頻率特性從上述分析可知，與系統(tǒng)快速性相關的截止頻率取決于開環(huán)增益k，增益k值可提高系統(tǒng)的快速性，但另一方面又會使相角裕量減少，超調量增大，所以不能隨意增大。如果既要提高快速性，又要保持相角裕量不變，就應在增加的同時減少時間參數t，保持他們之間的比值不變。但時間常數t往往是系統(tǒng)的固有參數，較難改變，故在確定k值時，要兼顧快速性和超調量兩項指標。典型型系統(tǒng)及其參數與性能指標的關系(1) 典型型系統(tǒng)典型型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數如下： ()其閉環(huán)系統(tǒng)結構圖和開環(huán)對數幅頻特性如下圖4-4、4

19、-5所示：c(s)r(s)圖4-4 典型型系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)結構圖oh-40-20-40w圖4-5典型型系統(tǒng)開環(huán)對數幅頻特性從頻率特性上可見，由于t一定，改變就等于改變了中頻寬h；在確定以后，再改變k相當于使開環(huán)對數幅頻特性上下平移，從而改變了截止頻率。因此在設計調節(jié)器時，選擇兩個參數h和，就相當于選擇參數和k。(2) 性能指標與參數關系典型型系統(tǒng)的性能指標通常用三種方法描述：以相角裕量為基準的“最大（）法”；以閉環(huán)諧振峰值為基準的“最小諧振峰值法”；在第一種方法中令h=4或在第二種方法中令h=5時得到的“三階工程最佳設計法”?！白钚》ā笔歉鶕钚≌袷幹笜耍砷]環(huán)頻率特性推導的。反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)幅

20、頻特性如下圖4-6：mpm(w)iw圖4-6 典型型系統(tǒng)的閉環(huán)幅頻特性其中振蕩峰值用表示?？梢宰C明對于典型型系統(tǒng)，當截止頻率符合下列關系式時，對應的最小，稱為“最佳頻比”，此時系統(tǒng)現對穩(wěn)定性最好。或即這時最小的值與h有簡單的關系：開環(huán)放大倍數則按“最小法”設計的典型型系統(tǒng)時的參數關系為若取h=5，則工程設計中的近似處理(1) 高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理在下圖所示的系統(tǒng)中，和是兩個小慣性環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為若按典型一型系統(tǒng)進行校正，取調節(jié)器參數=，則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為結構圖如下圖4-7：調節(jié)器交流裝置調節(jié)對像反饋環(huán)節(jié)圖4-7 典型型系統(tǒng)的結構圖式中：k=顯然，比典型一型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數

21、多了一個小慣性環(huán)節(jié)。為此需要將兩個小慣性環(huán)節(jié)用一個等效慣性環(huán)節(jié)代替，并保持等效前后相角裕量不變，便可得到等效的典型一型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(2) 低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理在把系統(tǒng)校正成典型型系統(tǒng)時，有時需要將系統(tǒng)中的大慣性環(huán)節(jié)近似用積分環(huán)節(jié)代替。若把下圖校正成為典型型系統(tǒng)，在把兩個小慣性環(huán)節(jié)等效成一l(w)wopbwopal(w)l(w)l(w)l(w)l(w)個小時間常數t的慣性環(huán)節(jié)的同時，還需把大慣性環(huán)節(jié)等效成積分環(huán)節(jié)。w圖4-8 大慣性環(huán)節(jié)近似為積分環(huán)節(jié)近似等效前，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為式中k=若把大慣性環(huán)節(jié)用積分環(huán)節(jié)來近似，即則就成為典型型系統(tǒng)的形式電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的設計由任務書上

22、的參數可以知道：電動機：=48v，=3.7v，=200r/min，=6.5歐姆最大整流電壓：=1.05v，=1.0548=50.4acr輸出限幅值：=10vasr輸出限幅值：=10v速度給定最大值：=10v電樞回路總電阻：r=8歐姆電樞回路電磁時間常數：=0.005s機電時間常數：=0.2s電源電壓：=60v電流反饋系數：=1.33v/a速度反饋系數：=0.05v min/r電動勢轉速比：=0.18v min/r電力晶體管d202：啟動電流：(1) 電流調節(jié)器acr的設計最常用的電流調節(jié)器是pi。由于電流反饋濾波環(huán)節(jié)（慣性環(huán)節(jié)）折算到前向通道上表現為微分環(huán)節(jié)，電流超調將會增大，為此，在給定通道

23、上也加一濾波環(huán)節(jié)（給定濾波器），以抵消電流反饋環(huán)節(jié)的影響。圖4-9 pi調節(jié)器結構圖對pi調節(jié)器，其輸出表達式為：其動態(tài)結構圖，如下圖所示，式中雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中電流調節(jié)過程比轉速調節(jié)過程快得多，因此電流環(huán)節(jié)設計時，可忽略電動機反電動勢的影響。近似處理調節(jié)條件是：考慮到一般電動機電池時間常數要比晶閘管整流器等效時間常數和反饋濾波時間常數大得多，設計時可把和大得多，設計時可把和合并為小慣性群，即化簡校正過程如下：（上圖）為等效前，（下圖）為等效后化簡如下把電流環(huán)校正為典型型系統(tǒng)取“工程最佳”參數，結果如下：由此得調節(jié)器參數為性能指標如下：把上面幾個參數代入得：校正后電流環(huán)動態(tài)結構圖如下圖所示，

24、等效閉環(huán)傳遞函數為圖4-10 校正后電流環(huán)動態(tài)結構圖根據任務書說給參數可求得具體參數如下：(2)轉速調節(jié)器asr結構的的選擇用電流環(huán)的等效傳遞函數代替電流閉環(huán)后，整個轉速調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結構圖變成下圖4-11所示：asr圖4-11 整個轉速調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如果把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內，同時將給定信號變?yōu)?，再取時間常數，則轉速環(huán)可簡化為下圖4-12：圖4-12 化簡后的轉速環(huán)根據實踐所得，轉速環(huán)應該校正成為典型型環(huán)節(jié)，這不但符合靜態(tài)無精差，而且使到調速系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能，至于其階躍響應超調量大的問題，是在線性條件下的計算數據，實際系統(tǒng)的轉速調節(jié)器很多情況下是階躍給定，因此，調節(jié)器會很快飽和，這個非線性作用會使超調量大大降低。把轉速環(huán)校正成典型型環(huán)節(jié)，asr應該采用pi調節(jié)器，其傳遞函數為：pi調節(jié)區(qū)結構如下：按法及典型型系統(tǒng)關系式得：取“工程最佳”參數時，h=5，則：五、元器件清單運算放大器2電阻16電容6二極管4小結一個很有意義的寒假過去了，開學第一天我們專業(yè)迎來了新年第一個課設，休閑的假期過去了，我們又投入到