某軋機主傳動直流可控環(huán)流可逆運行調速系統(tǒng)設計

1、運動控制系統(tǒng)課程設計設計題目：某軋機主傳動直流可控環(huán)流可逆運行調速系統(tǒng)設計學 院： 姓 名： 班 級： 學 號： 指導教師： 日 期： 摘要長期以來，直流電機以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點成為大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。直流調速系統(tǒng)是自動調速系統(tǒng)的主要形式，它具有良好的起、制動性能，可以在較寬的調速范圍內實現(xiàn)平滑調速，較快的零動態(tài)響應過程，并且低速運轉時力矩大這些極好的運行性能和控制特性，長期以來，直流調速系統(tǒng)一直占據著重要地位。從市場的角度來看，直流調速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，從控制技術的角度來看，它又是交流調速系統(tǒng)的基礎。所以在直流調速系統(tǒng)電氣傳動

2、中獲得了廣泛應用。本文從直流電動機的工作原理入手，建立了PWM雙閉環(huán)可逆直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。在理論分析和仿真研究的基礎上，設計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主電路、基準電源、轉速調節(jié)電路、電流調節(jié)器電路、PWM波生成電路、橋式可逆直流脈寬系列電路及轉速檢測電路的具體實現(xiàn)。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的參數(shù)進行分析和計算，利用MATLAB中的Simulink對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據。關鍵詞：可逆直流調速系統(tǒng) 速度環(huán) 電流環(huán) 模擬調節(jié)器MATLAB IGBTAbstractFor a lo

3、ng time，DC motor is the optimal choice for most variable motion control and closed loop position servo control system with excellent its good linear characteristics, control performance, etc. DC speed control system is the main form of the automatic speed regulation system, it has a good starting an

4、d brake performance, can be in a wider range of speed regulation of smooth realized in speed, fast dynamic response process, and low speed running torque these excellent performance and control characteristic, but for a long time, DC speed control system has been occupies an important position. From

5、 a market perspective, DC speed control system in theory and practice are more mature, from the point of view of the control technology, it is the foundation of ac speed adjustment system. So in dc speed control system in electric transmission won the widely used. This article from the working princ

6、iple of dc machines, a PWM double closed loop reversible dc speed control system, and the mathematical model of detailed analysis of system principle and the static and dynamic performance. In the theory analysis and simulation research, and on the basis of design a set of experiments with double cl

7、osed loop dc speed control system, detailed introduces system main circuit, sawtooth wave produces circuit, benchmark power supply, rotate speed adjustment circuit, current regulator circuit, PWM waves generated circuit, bridge type reversible dc speed pulse width series circuit and the realization

8、of a detection circuit. Then according to automatic control theory, double closed loop speed regulation system, the design parameters of analysis and calculation the use of MATLAB of Simulink of the system parameters to the set of the simulation, through the simulation won the parameters setting the

9、 basis.Keywords: reversible do speed control system; Speed loop; Current loop; Simulation regulator; MATLAB;IGBT目錄緒論-4第一章 設計內容及要求-5第二章 系統(tǒng)方案選擇-61 直流電動機的調速方案的選擇-62 主電路設計-8第三章 控制電路及驅動電路設計-133.1 控制電路-133.2 驅動電路-17第四章 電流調節(jié)器與轉速調節(jié)器的設計-204.1 調節(jié)器工程設計方法的基本思路-204.2 系統(tǒng)主要參數(shù)的計算-204.3 電流調節(jié)器的設計-214.4 轉速調節(jié)器的設計-25第五章

10、 其他單元電路設計-285.1 基準電源設計-285.2 轉速檢測電路-285. 3 本設計采用的勵磁回路-29第六章 系統(tǒng)各保護電路設計-326.1 交流側和直流側保護-32第七章 系統(tǒng)仿真-377.1 MATLAB仿真軟件介紹-377.2 仿真模型的建立-397.3 仿真如下-39總結-43設計體會-44附錄-45緒論可逆軋機為單機架軋機，進行多道次鋼帶軋鋼。它是由主傳動，壓下裝置，前后夾送棍及左右卷取機等組成。生產過程簡介:軋制前先啟動壓下裝置電擊提升軋輥，使軋輥有一定開度，將鋼卷坯料裝在開卷機上。啟動開卷機將鋼帶通過軋輥喂入卷取機上，并將鋼帶咬住。左右卷取機同時向反向開動，將鋼帶拉緊，

11、產生一定拉力，即靜張力。開動壓下電擊，將軋輥壓下一定的壓下量。開動主軋機進行第一道軋制。開動主軋機，同時發(fā)出補償信號給左右卷取機。卷取機正轉，開卷機反轉，并與主傳動保持同步，保持恒張力軋制。此時，卷取機工作在電動狀態(tài)，開卷機工作在制動狀態(tài)。當帶鋼尾端離開開卷機后主傳動降速到喂料速度。帶鋼尾端離開軋輥后，卷取機及前部夾送棍應在120mm內停止，便于下一道次軋制不需人工喂料。軋制工藝對電氣傳動系統(tǒng)的要求（1）由于反復多道次軋制，要求傳動系統(tǒng)可逆運轉并且無級調速。（2）軋制過程中要保持軋制速度恒定，在加減速過程中要求加減速恒定，實現(xiàn)快速反向。（3）在軋制過程中要保持給定張力，誤差不得超過8%。（4）

12、開卷機與卷取機在軋制過程中應與主傳動的線速度同步。（5）電氣傳動系統(tǒng)應有較高的靜態(tài)精度，動態(tài)品質與抗擾性能。軋機的主要工藝數(shù)據 軋制材料：自行車鋼帶 坯料厚度及寬度：厚2.24.5mm；寬120250mm 軋制速度：0.33M/S 喂料速度：0.3M/S 工作軋輥直徑:165mm,支持 直徑：400mm 軋剛長度：350mm 主傳動電動機：ZZJ2-91,Pcd=145KW,Ucd=220V,Icd=2.1A,ncd=1460rpm,Uf=220V,If=9.6A第一章 設計內容及要求設計題目：某軋機住傳動直流可控環(huán)流可逆運行調速系統(tǒng)設計1.設計內容采用轉速、電流負反饋構成雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。主回

13、路采用三相橋，可控環(huán)流，可逆運行，使用IGBT。勵磁回路采用三相橋式晶閘管變流裝置供電，構成勵磁電流閉環(huán)控制。2.技術要求（1）直流電動機數(shù)據：220V，2.1A，1460rpm，Ce=0.192V.min/r，允許的過載倍數(shù)=1.5，電樞回路電阻Ra=5，系統(tǒng)運用部分的轉動慣量G =10N。（2）要求達到的性能指標：D=20，S5%，電流超調量i5%，轉速無靜差，且空載起動到額定轉速時的轉速超調n10%。3.設計內容及工作量（1）系統(tǒng)方案選擇（2）主電路設計（3）觸發(fā)電路與驅動電路設計（4）轉速調節(jié)器與電流調節(jié)器的設計（5）保護裝置設計（6）畫出系統(tǒng)電路圖，并撰寫設計說明書4. 系統(tǒng)概述直流

14、調速是指人為的地或自動地改變直流電動機的轉速，以滿足工作機械的要求。轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是性能很好，應用最廣的直流調速系統(tǒng)，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。轉速、電流雙閉環(huán)直流調速的控制規(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。為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，及分別計入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套聯(lián)接。圖1-1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) 本課程設計就要求結合給定的初始條件來完成直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計，其中包括繪制該調速系統(tǒng)的原理圖，對調節(jié)器進行工程設計，選擇調

15、節(jié)器參數(shù)等。由于設計要求明確指出使用IGBT，考慮到IGBT很少用于整流電路中，故選擇H橋電路（即PWM變換器電路）對電機進行控制，該系統(tǒng)中電動機停止時電樞電壓瞬時值并不等于零，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為零，不產生平均轉矩，徒然增大電動機的損耗。但它也有好處，在電動機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用，對于該系統(tǒng)中的環(huán)流問題在本次設計中不在考慮。第二章 系統(tǒng)方案選擇1 直流電動機的調速方案的選擇1.1 直流電動機的調速方法有三種：（1）調節(jié)電樞供電電壓U。 改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電

16、壓，從電動機額定轉速向下變速，屬恒轉矩調速方法。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。 變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應，但是需要大容量可調直流電源。（2）改變電動機主磁通。 改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調速，但只能減弱磁通進行調速（簡稱弱磁調速），從電機額定轉速向上調速，屬恒功率調速方法。 變化時間遇到的時間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多，響應速度較慢，但所需電源容量小。（3）改變電樞回路電阻R。在電動機電樞回路外串電阻進行調速的方法，設備簡單，操作方便。但是只能進行有級調速，調速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么調速作用；還會在調速電阻上消耗大量電能。改變電阻調速缺點

17、很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調速性能要求不高或低速運轉時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調速范圍不大，往往是和調壓調速配合使用，在額定轉速以上作小范圍的升速。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以調壓調速為主速。故本系統(tǒng)中選擇調節(jié)電樞供電電壓U的方法來調速。1.2 供電方案選擇 可逆冷軋機采用F-D系統(tǒng)拖動控制方案可以實現(xiàn)工藝提出的要求，由一臺交流電動機拖動一臺直流發(fā)電機供電，但是裝機容量不大，占地面積大，耗電多，缺點多，優(yōu)點少，不建議采用。目前采用較多的是用可控硅整流裝置給直流電動機供電，即V-M調速系

18、統(tǒng)。所用設備少，體積小，占地面積也小。由于該方案采用靜止的變流裝置，所以沒有噪音，效率高，耗電量少，節(jié)省電能，比較理想。由于在設計要求中明確指出使用IGBT，所以不使用V-M調速系統(tǒng)，結合設計中可逆等要求，故選擇目前使用較多的橋式可逆PWM變換器電路該電動機供電。橋式可逆PWM變換器1.3 整流電路方案選擇根據設計要求采用三相橋式整流電路，又因為采用了橋式PWM控制電動機，所以采用三相不可控橋供電就可以滿足要求，并且從經濟角度考慮，也很適用。 三相橋式不可控整流電路2主電路設計2.1 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由脈寬調制器UPW采用美國硅通用公司（Silicon General）的第二代產品SG3

19、525，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，大大簡化了脈寬調制器的設計及調試，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調速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少。2） 開關頻率高，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，調速范圍廣，可達到1：10000左右。4） 如果可以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)抗擾能力強。5） 功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高。 6） 直流電源采用不可控整流時，電網功率因數(shù)比相

20、控整流器高。 2.2 橋式可逆PWM變換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)電機轉速。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。雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅動電壓波形如下圖所示。 PWM變換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2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

21、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。2.3 主電路工作原理H橋式可逆直流脈寬調速系統(tǒng)主電路的如下圖所示。PWM逆變器的直流電源由交流電網經不可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“泵升電壓”。為了限制泵升電壓

22、，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。可逆PWM變換器主電路系采用MOSFET所構成的H型結構形式，它是由四個功率IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）和四個續(xù)流二極管（VD1、VD2、VD3、VD4）組成的雙極式PWM可逆變換器，根據脈沖占空比的不同，在直流電機M上可得到正或負的直流電壓。主電路主要環(huán)節(jié)是：整流電路、斬波電路及保護電路。2.4 主電路中各器件的選擇 （1）電動機型號的選擇：根據設計要求中電動機的參數(shù)，可以選擇型號為ZZJ2-91的電動機Pcd=145KW,Ucd=220V,Icd=2.1A, ncd=1460rpm,Uf=220V,If=9.

23、6A。（2）IGBT的選擇：因為Us=220V，取3倍裕量，選耐壓為660V以上的IGBT。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倍關系，故應選用大于4倍額定負載電流的IGBT為宜。選用8.4A 以上的IGBT，并配以相應散熱器即可。選擇的IGBT型號為20MT120UF的IGBT。（3）整流二極管的選擇：二極管承受最大反向電壓 ，考慮3倍裕量，則，取該電路整流輸出接有大電容，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，只是電流裕量可適當取大些即可。故選用大功率整流二極管ZP10A。（4）濾波電容選擇一般根據放電時間常數(shù)計算，負載越大，要求紋波系數(shù)越小，

24、電容量也越大。一般不作嚴格計算，多取以上。因該系統(tǒng)負載不大，故取 耐壓按 ，取。即選用、電容器。同時電阻R選擇幾千歐的大電阻。 （5）泵升電路參數(shù)的選擇：泵升電路由一個電容量大的電解電容、一個電阻和一個VT組成。泵升電路中電解電容選取 ；電壓U=500V；VT選取IRGPC50U 型號的IGBT管；電阻選取R=20 。 （6）續(xù)流二極管的選擇： 根據 故同樣選擇大功率整流二極管ZP10A。(7)整流變壓器計算與選擇：一般情況下，整流裝置所要求的交流供電電源與電網電壓不一致，因此需要使用整流變壓器。此外，整流變壓器還可減小電網和整流裝置的相互干擾。的計算考慮占空比為則取則考慮裕量取一、二次電流計

25、算取變比考慮空載電流 取變壓器容量計算根據以上計算可以選擇變壓器的型號為XY-206A。第三章 控制電路及驅動電路設計3.1 控制電路根據IGBT的特點，本設計用脈寬調制（PWM）控制方式對開關管的占空比進行控制。采用的芯片是脈寬調制器SG3525。要改變輸出脈沖PWM的占空比， 只要改變調制信號Ur的電壓大小即可實現(xiàn) 。3.1.1 SG3525的應用集成脈寬調制控制器SG3525是控制電路的核心，它采用恒頻脈寬調制控制方案，適合于各種開關電源、斬波器的控制。本設計電路中用SG3525產生的脈寬調制信號作為IGBT的驅動信號，其外圍電路接線圖見下圖。3.1.2 SG3525芯片的主要特點SG3

26、525為美國Silicon General公司生產的專用PWM控制集成電路，如下圖所示。圖3-2 SG3525芯片的內部結構它采用恒頻脈寬調制控制方案，其內部包含有精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。調節(jié)Ur的大小，在A、B兩端可輸出兩個幅度相等、頻率相等、相位相互錯開180度、占空比可調的矩形波（即PWM信號）。它適用于各開關電源、斬波器的控制。輸出級采用推挽輸出，雙通道輸出，占空比0-50%可調.每一通道的驅動電流最大值可達200mA,灌拉電流峰值可達500mA?？芍苯域寗庸β蔒OS管，工作頻率高達400KHz，具有欠壓鎖定、過壓保護和軟啟動振蕩器外部同步、死

27、區(qū)時間可調、PWM瑣存、禁止多脈沖、逐個脈沖關斷等功能。該電路由基準電壓源、震蕩器、誤差放大器、PWM比較器與鎖存器、分相器、欠壓鎖定輸出驅動級，軟啟動及關斷電路等組成，可正常工作的溫度范圍是0-700C。基準電壓為5.1 V士1%，工作電壓范圍很寬，為8V到35V.3.1.3 SG3525引腳各端子功能SG3525采用16端雙列直插DIP封裝，各端子功能介紹如下:1腳:INV. INPUT(反相輸入端):誤差放大器的反相輸入端，該誤差放大器的增益標稱值為80db，其大小由反饋或輸出負載來決定，輸出負載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容元件的組合。該誤差放大器共模輸入電壓范圍是1. 5V-

28、5. 2V。此端通常接到與電源輸出電壓相連接的電阻分壓器上。負反饋控制時，將電源輸出電壓分壓后與基準電壓相比較。2腳:NI. INPUT (同相輸入端):此端通常接到基準電壓16腳的分壓電阻上，取得2. 5V的基準比較電壓與INV. INPUT端的取樣電壓相比較。3腳:SYNC(同步端):為外同步用。需要多個芯片同步工作時，每個芯片有各自的震蕩頻率，可以分別他們的4腳和3腳相連，這時所有芯片的工作頻率以最快的芯片工作頻率同步。也可以使單個芯片以外部時鐘頻率工作。4腳:OSC. OUTPUT(同步輸出端):同步脈沖輸出。作為多個芯片同步工作時使用。但幾個芯片的工作頻率不能相差太大，同步脈沖頻率應

29、比震蕩頻率低一些。如不需多個芯片同步工作時，3腳和4腳懸空。4腳輸出頻率為輸出脈沖頻率的2倍。輸出鋸齒波電壓范圍為0. 6V到3. 5V.5腳:Cr(震蕩電容端):震蕩電容一端接至5腳，另一端直接接至地端。其取值范圍為0.001,u F到0. 1 u F。正常工作時，在Cr兩端可以得到一個從0.6V到3. 5V變化的鋸齒波。6腳:Rr(震蕩電阻端):震蕩電阻一端接至6腳，另一端直接接至地端。Rr的阻值決定了內部恒流值對Cr充電。其取值范圍為2K歐到150K歐 Rr和Cr越大充電時間越長，反之則充電時間短。7腳:DISCHATGE RD(放電端):Cr的放電由5. 7兩端的死區(qū)電阻決定。把充電和

30、放電回路分開，有利與通過死區(qū)電阻來調節(jié)死區(qū)時間，使死區(qū)時間調節(jié)范圍更寬。其取值范圍為0歐到500歐。放電電阻RD和CT越大放電時間越長，反之則放電時間短。8腳:SOFTSTATR(軟啟動):比較器的反相端即軟啟動器控制端8,端8可外接軟啟動電容，該電容由內部Vf的50uA恒流源充電。9腳:COMPENSATION(補償端):在誤差放大器輸出端9腳與誤差放大器反相輸入端1腳間接電阻與電容，構成PI調節(jié)器，補償系統(tǒng)的幅頻、相頻響應特性。補償端工作電壓范圍為1. 5V到5. 2V.10腳:SHUTDOWN(關斷端):10端為PWM鎖存器的一個輸入端，一般在10端接入過流檢測信號。過流檢測信號維持時間

31、長時，軟起動端8接的電容C:將被放電。電路正常工作時，該端呈高電平，其電位高于鋸齒波的峰值電位(3. 30。在電路異常時，只要腳10電壓大于0. 7V，三極管導通，反相端的電壓將低于鋸齒波的谷底電壓(0.9V)，使得輸出PWM信號關閉，起到保護作用.11腳:OUTPUT A,14腳: OUTPUT B(脈沖輸出端):輸出末級采用推挽輸出電路，驅動場效應功率管時關斷速度更快.11腳和14腳相位相差1800，拉電流和灌電流峰值達200mA。由于存在開閉滯后，使輸出和吸收之間出現(xiàn)重迭導通。在重迭處有一個電流尖脈沖，起持續(xù)時間約為l00ns?？梢栽赩7V時，過流保護電流控制運算放大器，使其輸出軟關斷信

32、號，在10s內將腳3輸出電平降為O。因EXB841無過流自鎖功能，所以外加過流保護電路，一旦產生過流，可通過外接光耦TLP521將過流保護信號輸出，經過一定延時，以防止誤動作和保證進行軟關斷，然后由觸發(fā)器鎖定，實現(xiàn)保護。缺點：EXB84l過流保護閥值過高，Vce7V時動作，此時已遠大于飽和壓降；存在保護肓區(qū)；在實現(xiàn)止常關斷時僅能提供一5V偏壓，在開關頻率較高、負載過大時，關斷就顯得不可靠；無過流保護自鎖功能，在短路保護時其柵壓的軟關斷過程被輸入的關斷信號所打斷。EXB841 系列驅動器的各引腳功能如下：腳1 ：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；腳2 ：電源（ 20V ）；腳3 ：驅動輸出；腳4

33、 ：用于連接外部電容器，以防止過流保護電路誤動作（大多數(shù)場合不需要該電容器）；腳5 ：過流保護輸出；腳6 ：集電極電壓監(jiān)視；腳7 、8 ：不接；腳9 ：電源；腳10 、11 ：不接；腳14 、15 ：驅動信號輸入（-，）；3.2.1 在該系統(tǒng)中EXB84l的電路圖如下所示： 第四章 電流調節(jié)器與轉速調節(jié)器的設計4.1 調節(jié)器工程設計方法的基本思路 先選擇調節(jié)器的結構，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。再選擇調節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標。設計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴展。在這里是：先從電流環(huán)人手，首先設計好電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)

34、中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。4.2 系統(tǒng)主要參數(shù)的計算直流電動機數(shù)據：220V，2.1A，1460rpm，Ce=0.192V.min/r,允許過載倍數(shù)，電樞回路電阻Ra=5,系統(tǒng)運動部分的轉矩慣量GD2=10Nm2。要求達到的性能指標：D=20；S5%,電流超調量i5%,轉速無靜差，且空載啟動到額定轉速時的轉速超調量n10%。設ASR和ACR均采用PI調節(jié)器，ASR的輸出限幅Uim*=-10V,ACR的輸出限幅Ucm=10V,最大給定電壓Unm*=15V。則可知：單相橋式全控整流電路:L=0.693U2Idmin=2.872202.10.1=726mH一般取Idmin為電動機額定電流的5%

35、10%。開環(huán)系統(tǒng)額定速降為： nop=IdNCeR=2.150.192= 54.6875r/min主電路總電阻R近似等于電樞回路電阻Ra閉環(huán)系統(tǒng)額定速降為： ncl=snND(1-s)=14600.05200.95=3.8421 r/min閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)為：K=nopncl -1=54.68753.8421=13.2337電樞回路電磁時間常數(shù)：Tl= LR = 0.7265 =0.1452s電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)：Tm=GD2R375CeCm=1053750.192300.192=0.379s轉速反饋系數(shù)：=Unm*nmax=151460=0.01027電流反饋系數(shù)： 最大允許電流I

36、dm=1.5IN=1.52.1=3.15A =Uim*Idm=103.15=3.17464.3 電流調節(jié)器的設計4.3.1電流調節(jié)器的動態(tài)結構圖及近似處理設計電流環(huán)首先遇到的問題是反電動勢產生的交叉反饋作用。它代表轉速環(huán)輸出量對電流環(huán)的影響。實際系統(tǒng)中的電磁時間常數(shù)TL一般遠小于機電時間常數(shù)Tm，因而電流的調節(jié)過程往往比轉速的變化過程快得多，也就是說，比反電動勢E的變化快得多。反電動勢對電流環(huán)來說只是一個變化緩慢的擾動作用，在電流調節(jié)器的調節(jié)過程中可以近似的認為E不變，即E=0。這樣，在設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)作用，而將電動勢反饋作用斷開，從而得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似

37、結構圖。再把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內。最后，Ts和Toi一般比Tl小的多，可以當作小慣性環(huán)節(jié)處理，看作一個慣性環(huán)節(jié)，取Ti=Ts+Toi6。 圖4-1 電流環(huán)的動態(tài)結構圖及其化簡4.3.2脈寬調制器和PWM變換器的滯后時間常數(shù)與傳遞函數(shù)的計算電動機的啟動電流為 Is =UsR=2205=44A啟動電流與額定電流比為 as =IsIN=4452.1=20.952晶體管放大區(qū)的時間常數(shù)為 Tce =12f=123.14106=0.159s電流上升時間的計算公式為 tr=Tcelnk1k2-0.95式中晶體管導通時的過飽和驅動系數(shù)，取=2則 tr=Tcelnk1k2-0.95=0.1

38、03s電流下降時間的計算公式為 tf=Tceln1+k20.05+k2式中晶體管截止時的負向過驅動系數(shù)，取=2則 tf=Tceln1+k20.05+k2=0.061s又 Tl= LR = 0.7265 =0.1452s最佳開關頻率為 fop=0.3323as Tl2+（tr+tf=3930Hz故開關頻率f選擇3.9kHz，此開關頻率已能滿足電流連續(xù)的要求。于是開關周期 TPWM=TS=1f=0.254ms脈寬調制器和PWM變換器的放大系數(shù)為 KPWM= UdUi* = 22010 =22于是可得脈寬調制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)為 WPWM(s)=KPWMTPWMS+1=220.000254+

39、1（2）電流濾波時間常數(shù) 取3ms（3）電流環(huán)小時間常數(shù) Ti=TPWM+TOi=0.254ms+3ms=3.254ms 4.3.3選擇電流調節(jié)器結構根據設計要求，而且TlTi0.1452s0.003254s44因此可以按典型I型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為 4.3.4選擇電流調節(jié)器參數(shù) i=Tl=0.1452s要求時，應取，因此 KI=0.5Ti=0.50.003254s-1153s-1于是，ACR的比例系數(shù)為 Ki=KIiRKs=1530.14525223.17461.5904 4.3.5檢驗近似條件 ci=KI=153s-1（1） 要求，現(xiàn)13Ts=130.254mss-1

40、1312s-1ci（2） 要求，現(xiàn) 31TmTl = 310.3790.601 s-1 =12.78s-1ci可見均滿足要求。4.3.6計算ACR的電阻和電容取=40k，則 Ri=KiR0=1.5940=63.6 K 取64 K Ci=iRi=0.145264103=2.27F 取2.3F Coi=4ToiR0=40.00340103=0.3F 取0.3F按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為，故滿足設計要求。電流調節(jié)器如下圖所示：4.4 轉速調節(jié)器的設計4.4.1轉速調節(jié)器的動態(tài)結構圖及近似處理用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，整個轉速調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如4-2（a）所示。把給定濾波和反

41、饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內，同時將給定信號改為U*n(s)/；再把時間常數(shù)為Ton和2Ti的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為Tn的慣性環(huán)節(jié)，且Tn=Ton+2TI,，則轉速環(huán)結構圖可轉化成圖4-2（b）。圖4-2 轉速環(huán)的動態(tài)結構圖及其近似處理4.4.2確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為1KI=2Ti= 20.003254=0.006508s（2）取轉速濾波時間常數(shù) Ton=0.005s（3）轉速換小時間常數(shù)Tn。按小時間常數(shù)近似處理，取 Tn= 1KI+Ton= 0.006508+0.005=0.011508s4.4.3 ASR結構設計根據穩(wěn)態(tài)無靜差及其他動態(tài)指標要求，按典型I

42、I型系統(tǒng)設計轉速環(huán)，ASR選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 4.4.4 選擇ASR參數(shù)取h=5，則n=hTn=50.011508=0.005754s KN=h+12h2Tn2=62520.0115082906.11s-2 則 Kn=(h+1)CeTm2hRTn=63.1740.1920.379250.0102750.011508234.5 4.4.5 校驗近似條件cn=KN1=KNn= 906.110.0575452.13s-1（1） 要求，現(xiàn)15Ti=61.5s-1cn（2）要求，現(xiàn)1312TI=58.4s-1cn可見均能滿足要求。4.4.6 計算ASR電阻和電容取，則 Rn=KnR0= 234

43、.540=9380 K 取Rn= 9400K Cn=nRn=0.0575494001030.0061F 取0.0061FCon=4TonR0=40.005401030.5F 取0.5f4.4.7 檢驗轉速超調量當h=5時，CmaxCb= 81.2%,而nN=54.69rmin,因此 n%=CmaxCb2(-Z)nNnTnTm= 81.2%21.554.691460 0.0115080.379= 0.27%10%可見轉速超調量符合要求。轉速調節(jié)器如下圖所示：第五章 其他單元電路設計5.1 基準電源設計此電路用于產生正、負15V電壓作為轉速給定電壓以及基準電壓，如下圖所示。5.2 轉速檢測電路轉速

44、檢測電路如下圖所示。與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機，從而引出與被調量轉速成正比的負反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉速偏差電壓輸送給轉速調節(jié)器。測速發(fā)電機的輸出電壓不僅表示轉速的大小，還包含轉速的方向，測速電路如圖15所示，通過調節(jié)電位器即可改變轉速反饋系數(shù)。圖 轉速檢測電路5.3 本設計采用的勵磁回路直流電機的勵磁回路通過三相橋式晶閘管變流裝置來完成。如下圖所示。三個晶閘管的陰極聯(lián)系在一起，稱之為共陰極接法，這種接法觸發(fā)電路與公共端，連線方便。圖 三相橋式晶閘管變流電路三相全控橋蒸整流電路實際上是組成三相半波晶閘管整流電路中的共陰極和共陽極組串聯(lián)電路。三相全控橋整流電路可實現(xiàn)對共陰極組合共陽極組同時進行控制，控制角都是。在一個周期內6個晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序一次為：VT1，VT2，VT，VT4，VT5，VT6，6個觸發(fā)相位依次相差60度。為了構成一個完整的電流回路，要求有兩個晶閘管同時導通，其中一個在共陰極組，令一個在共陽極組。為此，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通。晶閘管與按A相，晶閘管與B 相，晶閘管與按C 相，晶閘管接成共陽極組，晶閘管接成共陰極組。在電流控制下，只有接在電路共陰