轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)(專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式)

1、專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告（級(jí)本科） 題 目：轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 學(xué)院 專 業(yè)： 班 級(jí)：姓 名： 學(xué) 號(hào)：同組同學(xué)： 設(shè)計(jì)時(shí)間：評(píng)定成績： 指導(dǎo)教師： 年 月大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱專業(yè)課程設(shè)計(jì)課程代碼 設(shè)計(jì)題目轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)（可以采用晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，也可以采用直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)）設(shè)計(jì)時(shí)間年 月 日年 月 日學(xué)院學(xué)院專業(yè)班級(jí)一、 課程設(shè)計(jì)任務(wù)、具體技術(shù)參數(shù) 課程設(shè)計(jì)任務(wù)：1. 確定控制系統(tǒng)方案 主電路選用直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案2. 確定每一級(jí)的具體技術(shù)指標(biāo)（如放大倍數(shù)、輸入輸出電阻、

2、電源電壓等） 在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時(shí)間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用表示，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。 2.1電流環(huán)的設(shè)計(jì)(1

3、)確定時(shí)間常數(shù) 整流裝置之后時(shí)間常數(shù)Ts。三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s。電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。為了基本濾平波頭。因此取Toi=2ms=0.02s。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T=Ts+Toi=0.0037s。(2) 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按照典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。 其傳遞函數(shù)為。含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 (3)選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)要求時(shí)，應(yīng)取，因此于是，。 (4)校驗(yàn)近似條件 要求，現(xiàn)。 要求，現(xiàn)。 要求，現(xiàn)(5)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器電阻和電容 取，則 取 取 取 按照上述參數(shù)，電流

4、環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為，故滿足設(shè)計(jì)要求。 2.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì) (1)確定時(shí)間常數(shù) 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為。根據(jù)所用發(fā)電機(jī)紋波情況，取轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。轉(zhuǎn)速小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。 (2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 (3)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則則 (4)檢驗(yàn)近似條件 。要求，現(xiàn)。滿足簡(jiǎn)化條件要求，現(xiàn)。滿足近似條件 (5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 取，則 取 取 取 (6)校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)時(shí)，而,因此 (7)校驗(yàn)過渡過程時(shí)間空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過渡過程時(shí)間可見能滿足設(shè)計(jì)要求。3. 靜態(tài)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)是

5、屬于雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其中具有轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為外環(huán)，還有就是電流環(huán)，這里稱為內(nèi)環(huán)，外環(huán)由測(cè)速機(jī)采集信號(hào)經(jīng)過反饋系數(shù)得到電壓信號(hào)反饋給ASR，內(nèi)環(huán)我們這里采用直流PWM控制系統(tǒng)相結(jié)合，其中脈寬調(diào)速系統(tǒng)由調(diào)制波發(fā)生器GM、脈寬調(diào)制器UPM、邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD以及絕緣柵雙極性晶體管的GD和脈寬調(diào)制變換器組成。直流PWM控制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速系統(tǒng)控制系統(tǒng)，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交流裝置，作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)器。脈寬調(diào)制器是有一個(gè)運(yùn)算放大器和幾個(gè)輸入信號(hào)構(gòu)成電壓比較器。運(yùn)算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，在電流調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)的控制下，產(chǎn)生一個(gè)等幅、寬度受Uc控制的方波脈沖

6、序列，為PWM提供所需要的脈沖信號(hào)。邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD保證在一個(gè)管子發(fā)出關(guān)斷脈沖時(shí)，經(jīng)延時(shí)后再發(fā)出對(duì)另一個(gè)管子的開通脈沖，在延時(shí)環(huán)節(jié)中引入瞬時(shí)動(dòng)作限流保護(hù)FA信號(hào)，一旦橋臂電流超過允許最大電流值時(shí)，使工作管子同時(shí)封鎖，以保護(hù)電力晶體管。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此.，式中，分別為轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)，由第一個(gè)關(guān)系式得當(dāng)ASR達(dá)到限幅值,雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)。 在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。

7、因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如上圖所示，式中a，b 轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。由第一個(gè)關(guān)系式可得，從而得到上圖靜特性的CA段。與此同時(shí)，由于ASR不飽和，U*i U*im，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知: Id Idm。 這就是說， CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id = 0 一直延續(xù)到 Id = Idm ，而 Idm一般都是大于額定電流 IdN 的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值U*im ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)式中，最大電流Idm是

8、由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。式中所描述的靜特性是上圖中的AB段，它是垂直的特性。這樣的下垂特性只適合于 n n0 ，則Un U*n ，ASR將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，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(dòng)保護(hù)。4. 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì) 在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中為了改善系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能，我們?cè)O(shè)置調(diào)節(jié)器，包括給定信號(hào)的跟隨性指標(biāo)和對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)。在跟隨性能指標(biāo)包括上升時(shí)間 ，超調(diào)量與峰值時(shí)間，并且有式子，調(diào)節(jié)時(shí)間。

9、抗擾性能指標(biāo)包括動(dòng)態(tài)降落 和恢復(fù)時(shí)間 。 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E該系統(tǒng)是屬于雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其中具有轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為外環(huán)，還有就是電流環(huán)，這里稱為內(nèi)環(huán)，外環(huán)由測(cè)速機(jī)采集信號(hào)經(jīng)過反饋系數(shù)得到電壓信號(hào)反饋給ASR，內(nèi)環(huán)我們這里采用直流PWM控制系統(tǒng)相結(jié)合，其中脈寬調(diào)速系統(tǒng)由調(diào)制波發(fā)生器GM、脈寬調(diào)制器UPM、邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD以及絕緣柵雙極性晶體管的GD和脈寬調(diào)制變換器組成。直流PWM控制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速系統(tǒng)控制系統(tǒng)，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

10、管交流裝置，作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)器。脈寬調(diào)制器是有一個(gè)運(yùn)算放大器和幾個(gè)輸入信號(hào)構(gòu)成電壓比較器。運(yùn)算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，在電流調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)的控制下，產(chǎn)生一個(gè)等幅、寬度受Uc控制的方波脈沖序列，為PWM提供所需要的脈沖信號(hào)。邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD保證在一個(gè)管子發(fā)出關(guān)斷脈沖時(shí)，經(jīng)延時(shí)后再發(fā)出對(duì)另一個(gè)管子的開通脈沖，在延時(shí)環(huán)節(jié)中引入瞬時(shí)動(dòng)作限流保護(hù)FA信號(hào)，一旦橋臂電流超過允許最大電流值時(shí)，使工作管子同時(shí)封鎖，以保護(hù)電力晶體管。5. 仿真研究 使用Matlab中的simulink來繪制轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行仿真，通過計(jì)算選擇ASR和ACR兩個(gè)調(diào)節(jié)器PI參數(shù)，來使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到完善

11、，進(jìn)而通過示波器模塊的圖像顯示出來的波形來確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。6. 實(shí)驗(yàn)研究 通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，并掌握其組成原理及主要單元部件的工作原理，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用PWM變換器和集成電路SG3525，調(diào)試控制單元，經(jīng)過一系列的努力以及各個(gè)模塊的搭建，最終使得當(dāng)調(diào)節(jié)不同占空比時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方向不同。時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，時(shí)，=0，電動(dòng)機(jī)停止。7. 撰寫報(bào)告 通過這次雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)，對(duì)自己學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有了較深刻的認(rèn)識(shí)。我認(rèn)識(shí)到不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊

12、斬棘，而不是知難而退，那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠(yuǎn)不可能得到社會(huì)及他人對(duì)你的認(rèn)可! 課程設(shè)計(jì)給我很多專業(yè)知識(shí)以及專業(yè)技能上的提升，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時(shí)，設(shè)計(jì)讓我感觸很深。使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。我認(rèn)為，在這學(xué)期的實(shí)驗(yàn)中，不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動(dòng)手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實(shí)驗(yàn)課上，我們學(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實(shí)用的，真的是受益匪淺。要面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對(duì)于我們的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)：功率：100

13、W，額定電壓：200V，額定電流：0.5A，額定轉(zhuǎn)速：1600rpm二、 對(duì)課程設(shè)計(jì)成果的要求（包括課程設(shè)計(jì)說明書、圖紙、圖表、實(shí)物等軟硬件要求）1. 設(shè)計(jì)報(bào)告 主電路選用直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。2. 系統(tǒng)總方案圖 主電路選用直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案。逆變器采用帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)管IGBT構(gòu)成H型雙極式控制可逆PWM變換器。其中屬于脈寬調(diào)速系統(tǒng)特有的部分主要是UPM、邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD、全控型絕緣柵雙

14、極性晶體管驅(qū)動(dòng)器GD和PWM變換器。系統(tǒng)中設(shè)置了電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，構(gòu)成了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，前者通過電流元件的反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定電流，后者通過轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差，從而使系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的。該系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)起動(dòng)電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流原理圖。3. 系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)： 功率：100W，額定電壓：200V，額定電流：0.5A，額

15、定轉(zhuǎn)速：1600rpm 動(dòng)態(tài)參數(shù)：由于選擇典型I型系統(tǒng)，而要求，故查表可知上升時(shí)間為4.7T，峰值時(shí)間為6.2T，KT=0.5 靜態(tài)參數(shù)：=0.05V/A，=0.007V/A4. 仿真設(shè)計(jì)圖和結(jié)果 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真圖 仿真輸出波形圖5. 實(shí)驗(yàn)研究照片和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果 實(shí)驗(yàn)總體接線圖 主電路選用直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案。系統(tǒng)中設(shè)置了電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，構(gòu)成了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，逆變器采用帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)管IGBT構(gòu)成H型雙極式控制可逆PWM變換器。其中屬于脈寬調(diào)速系統(tǒng)特有的部分主要是UPM、邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD、全控型絕緣柵雙極性晶體管驅(qū)動(dòng)器GD和PWM變換器。 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果：通過掌握雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的組成、原理及各主要單元部件的工作原理，理解直流PWM專用集成電路SG35