運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)不可逆直流PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1、運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)：不可逆直流pwm雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)學(xué)號(hào)：姓名：班級(jí)：自動(dòng)化一班指導(dǎo)老師：運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)1、 給定條件、技術(shù)指標(biāo)：系統(tǒng)形式：不可逆（無制動(dòng)功能）直流pwm雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)（他勵(lì)、立此電路參數(shù)略）：額定功率pn為10kw、額定轉(zhuǎn)速nn為1500r/min、額定電流in為51.82a、額定電壓un為220v、電樞電阻ra為0.26、允許過載倍數(shù)=1.5系統(tǒng)總飛輪矩gd2：10.1nm2測(cè)速發(fā)電機(jī)：額定轉(zhuǎn)速為1900r/min、額定電壓為110v、額定電流為0.21a電流檢測(cè)：采用霍爾電流傳感器電樞回路總電阻（計(jì)及整流器的等效內(nèi)阻等）：r=3ra脈寬調(diào)制器的調(diào)制波周期tpwm設(shè)

2、計(jì)值（建議）為100s系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：調(diào)速范圍d=20、靜差率s0.05、電流超調(diào)量i%5%、空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n%10%最小不間斷電樞電流imin=5%in2、設(shè)計(jì)內(nèi)容調(diào)速方案的選擇與論證 要求通過方案比較后，主電路采用三相整流變壓器降壓、二極管三相橋式整流、電容濾波獲得斬波輸入直流電源， igbt 直流降壓斬波器獲得可控直流電源的方案；控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案。主電路設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括：整流變壓器計(jì)算 二次側(cè)電壓計(jì)算，一次側(cè)、二次側(cè)電流計(jì)算，容量計(jì)算，整流二極管選擇，濾波電容選擇，igbt 選擇，保護(hù)元件的選擇、平波電抗器電感計(jì)算。igbt驅(qū)動(dòng)電路的選用（設(shè)計(jì)）控制器

3、設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括：脈寬調(diào)制集成電路的選用，轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)和電流反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算，調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算，運(yùn)用工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)等。一、 主電路設(shè)計(jì)計(jì)算：1、整流變壓器的計(jì)算考慮電源電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù) 三相橋式整流電壓系數(shù) 直流斬波器輸入電壓: 電樞回路平波電抗器為: 則 一次測(cè)容量：2、整流變壓器的選擇（1）整流二極管的選擇在一個(gè)電源周期中，整流器輸出電流有6個(gè)波頭，流過每一個(gè)二極管的是其中兩個(gè)波頭，因此流過二極管電流有效值 。二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值， ?？紤] 3-5 倍的裕量，取整流二極管參數(shù)為： 。由此我選用了三菱公司的 cm300dy-24a，此二極管

4、的參數(shù)：（2）濾波電容的選擇電機(jī)的額定功率為10kw,為了保證電壓的紋波系數(shù)足夠小，取濾波電容為幾千uf 級(jí)。因此，選用4700uf/450v 的電容作為濾波電容。（3）igbt 選擇主電路正常工作電流為51.82a，主回路電源電壓為180v，考慮到留有充分的裕量，取igbt 為 ir 公司的 irkt162-12，其參數(shù)為 1200v/110a。其柵極電阻取為。二、igbt 驅(qū)動(dòng)電路的選用本系統(tǒng)igbt的驅(qū)動(dòng)電路采用美國(guó)ir公司的ir2110驅(qū)動(dòng)器，它兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點(diǎn)。輸出端電壓范圍是10-20v,邏輯端電眼范圍是5-15v。工作頻率高達(dá)500khz，開通、關(guān)

5、斷延時(shí)小，分別為120ns和94ns。由于設(shè)計(jì)要求，由公式可以計(jì)算得出。但是一般鋸齒波發(fā)生最好選取大電阻小電容或小電阻大電容組合。我這里選取 三、控制器設(shè)計(jì)計(jì)算1、脈寬調(diào)制集成電路的選用采用電壓脈寬型 pwm 控制芯片sg3524a，以及ir2110驅(qū)動(dòng)芯片，用功率開關(guān)器件igbt模塊方案實(shí)現(xiàn)直流供電。sg3524a是電壓型pwm 集成控制器，外接元器件少，性能好，包括開關(guān)穩(wěn)壓所需的全部控制電路。其主要特性包括：外同步、軟啟動(dòng)功能；死區(qū)調(diào)節(jié)、欠壓鎖定功能；誤差放大以及關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)等功能； 輸出級(jí)采用推挽式電路結(jié)構(gòu)，關(guān)斷速度快，輸出電流士400ma；可提供精密度為5v 士1 的基準(zhǔn)電壓；開關(guān)

6、頻率范圍100hz-400khz。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括基準(zhǔn)電壓源、欠壓鎖定電路、鋸齒波振蕩器、誤差放大器等，如圖所示。 sg3524內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2、電動(dòng)機(jī)部分參數(shù)計(jì)算（1）電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)（2）系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)：3、測(cè)速發(fā)電機(jī)部分參數(shù)的計(jì)算（1）根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)，有（2）電位器 rp 的選擇方法如下：為了使測(cè)速發(fā)電機(jī)的電樞壓降對(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的有顯著影響，取測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定值的 20%，則此時(shí)rp 所消耗的功率為選用的電位器。4、 pwm 部分參數(shù)計(jì)算 （1）電壓放大倍數(shù)：（2）延遲時(shí)間： = =（3）傳遞函數(shù)為： 5、 調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 （1）為滿足調(diào)速系統(tǒng)

7、的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo),額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速將為： （2）求閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù) 開環(huán)系統(tǒng)的額定速降為：則閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為:（3）電流反饋系數(shù)和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù): 又調(diào)速均采用 pi 調(diào)節(jié)器調(diào)速，屬于無靜差調(diào)速，則轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)： 6、 電流調(diào)節(jié)器(acr)的設(shè)計(jì) 、確定時(shí)間常數(shù)b （1） pwm 裝置滯后時(shí)間常數(shù)。由pwm部分參數(shù)計(jì)算結(jié)果得（2） 電流濾波時(shí)間常數(shù)（3） 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 。 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可以按照典i型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，電流環(huán)調(diào)節(jié)對(duì)象是雙慣性的，因此可以用pi 型電流調(diào)節(jié)器，其

8、傳遞函數(shù)為： 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)：電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益：由，按表2-2，應(yīng)取,因此，于是，acr 的比例系數(shù)為校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：pwm 變換與控制器傳函的近似條件滿足近似條件。忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件，滿足近似條件。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，滿足近似條件。計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 按所用的運(yùn)算放大器取，各電阻和電容為 7、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（asr）的設(shè)計(jì) 確定時(shí)間常數(shù) 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)： 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) 。小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 按設(shè)計(jì)要求，選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

9、器參數(shù) 按跟隨性和抗擾性都比較好的原則，取h = 5，則asr 的超前時(shí)間常數(shù)為： 由公式可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益： 于是，可得到asr 的比例系數(shù)為： 檢驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為 滿足簡(jiǎn)化條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似條件為 滿足近似條件。 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 按所用的運(yùn)算放大器取，各電阻和電容為:計(jì)算理想空載啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量 由教材可得。設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)當(dāng)h=5時(shí), 8、電源模塊穩(wěn)定輸出15v、5v 電壓。四、系統(tǒng)仿真1、電氣原理圖2、 仿真模型階躍給定轉(zhuǎn)速為1500，無干擾時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的波形如下轉(zhuǎn)速波形圖局部放大，由圖得：轉(zhuǎn)速峰值：1587穩(wěn)態(tài)值：1515超調(diào)量：

10、4.7%峰值時(shí)間0.45s上升時(shí)間tr=0.42s電流波形圖局部放大，得:電流峰值：80穩(wěn)態(tài)值：77 超調(diào)量=3.9%仿真波形分析： 第一階段是電流上升階段：突加給定電壓，由于轉(zhuǎn)速很小，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出保持限幅值，強(qiáng)迫電流 id迅速上升，直到 id=idmin。 第二階段恒流升速階段：asr 始終飽和，id保持恒定，轉(zhuǎn)速線性增長(zhǎng)。 第三階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段：當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值，由于 asr 的積分作用，仍在加速，轉(zhuǎn) 速超調(diào)后，asr 輸出為負(fù)，開始退飽和，由于id仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速仍然增加，直到 id等于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值。然后在負(fù)載的作用下，轉(zhuǎn)速下降，經(jīng)過一段時(shí)間調(diào)整，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，電流也達(dá)到穩(wěn)

11、定。階躍給定轉(zhuǎn)速分別為150、300、600、1000、1500時(shí)的仿真波形仿真模型如下：仿真波形圖如下仿真波形圖如下： 轉(zhuǎn)速波形電流波形抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能： 給定轉(zhuǎn)速=1200，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩階躍變化。負(fù)載擾動(dòng)為在0.6s處給予的階躍擾動(dòng)。仿真波形圖為：負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之外，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr來抗負(fù)載擾動(dòng)，在突加負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降為了減少動(dòng)態(tài)速降，在設(shè)計(jì)速度環(huán)時(shí)，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能指標(biāo)。對(duì)于電流環(huán)來說，只需電流環(huán)具有良好的快速跟隨性能。給定轉(zhuǎn)速=1200，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)。仿真模型圖如下：仿真波形如圖： 轉(zhuǎn)速波形 電流波形電網(wǎng)電

12、壓擾動(dòng)在電流環(huán)之內(nèi)，因此電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才反饋回來，因此使抗擾性能得到改善。五、設(shè)計(jì)感想：通過一個(gè)半周的課程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，我首先對(duì)于不可逆（無制動(dòng)功能）直流pwm雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認(rèn)識(shí)，加深了理解，是對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)的一次很好的應(yīng)用。我想無論是在學(xué)習(xí)還是在生活中只有自己有心去學(xué)習(xí)和參與才有可能有收獲，這也算是這連續(xù)幾次的課程設(shè)計(jì)帶給我的一些感悟吧。以前一直覺得理論知識(shí)離我們自己很遠(yuǎn)，尤其是在找工作的過程中，自己眼中的感覺到自己之前所學(xué)到的知識(shí)基本上忘得一干二凈。經(jīng)過連續(xù)的課程設(shè)計(jì)，才發(fā)現(xiàn)理論與生活的聯(lián)系。大大激發(fā)了自己對(duì)于課本知識(shí)的興趣。無論怎樣，作為一個(gè)工科生，都要考慮到理論聯(lián)系實(shí)際的很多情況。本課題是在查找了大量的資料的基礎(chǔ)上完成的。由于不可逆（無制動(dòng)功能）直流pwm雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。在課程設(shè)計(jì)的時(shí)候采用由內(nèi)向外的，一環(huán)包圍一環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每一環(huán)都有相應(yīng)的控制器，電流環(huán)在內(nèi)，轉(zhuǎn)速環(huán)在外。每一個(gè)都構(gòu)成一個(gè)完成的閉環(huán)系統(tǒng)，在具體涉及的時(shí)候，先由內(nèi)環(huán)電流環(huán)開始，根據(jù)電流控制要求，把電流校正為典i型系統(tǒng)，按照調(diào)節(jié)對(duì)象選擇調(diào)節(jié)器和參數(shù)。設(shè)計(jì)完電流環(huán)之后，就把電流環(huán)等效成一個(gè)小