單閉環(huán)可逆直流調速系統(tǒng)

1、運動控制系統(tǒng)課程設計課題：單閉環(huán)可逆直流調速系統(tǒng) 系 別：電氣與信息工程學院 專 業(yè)： 自動化 姓 名： 學 號： 成 績： 河南城建學院2015年 12月 31日目錄 一、設計目的1 二、設計任務及要求2 三、總體方案設計2 四、硬件電路設計34.1.1 直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析34.1.2靜態(tài)性能指標34.1.3 基于穩(wěn)態(tài)性能指標閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計44.1.4 直流調速系統(tǒng)動態(tài)性能分析64.1.5基于動態(tài)性能指標及系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計94.2、控制系統(tǒng)動、靜態(tài)數學模型的建立104.2.1 雙極性控制的橋式可逆PWM變換器的工作原理104.2.2橋式可逆PWM變換器1

2、0五、計算機仿真13六、設計總結14參考文獻16一、設計目的在電力拖動系統(tǒng)中，調節(jié)電壓的直流調速系統(tǒng)是應用最為廣泛的一種調速方法，除了利用晶閘管獲得可控的直流電源外，還可以利用其他可控的電力電子器件，采用脈沖調制的方法，直接將恒定的直流電壓調制為極性可變、大小可調的直流電壓，用以實現直流電機電樞電壓的平滑調節(jié)，構成脈寬直流調速系統(tǒng)。本設計采用了PWM脈寬調制的方法，完成了帶轉速負反饋的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計及實驗。本設計重點介紹了單閉環(huán)可逆直流調速系統(tǒng)的總體結構、設計原理及參數優(yōu)化設計方法，提供了通過matlab仿真進行實驗效果預分析和校正處理，得到較為理想結果后進行實際操作和調試的實驗思路

3、。二、設計任務及要求本次運動控制課程設計要求自擬控制系統(tǒng)性能指標的要求（調速范圍、靜差率、超調量、動態(tài)速降、調節(jié)時間等）設計系統(tǒng)原理圖，完成元器件的選擇，選擇調節(jié)器并計算調節(jié)器參數，并進行仿真或實驗驗證系統(tǒng)合理性。為了進行定量的計算，選一組電機參數：功率，額度電壓，額定電流,額定轉速，電樞電阻，主電路總電阻，。最大給定電壓，整定電流反饋電壓.要求系統(tǒng)調速范圍,靜差率,。三、總體方案設計為了提高直流系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標，通常采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)。對調速系統(tǒng)的要求不高的場合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對調速系統(tǒng)指標要求高的采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉速反饋、電流反饋、電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，

4、轉速單閉環(huán)運用較多。在本設計中，轉速單閉環(huán)實驗是將反應轉速變化的電壓信號作為反饋信號，經“速度變換”后接到“速度調節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較經放大后，得到移向控制電壓，用作控制整流橋的“觸發(fā)電路”，觸發(fā)脈沖經功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構成了速度負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。電機的轉速隨給定的電壓變化，電機最高轉速由速度調節(jié)器輸出限幅所決定，速度調節(jié)器采用P（比例）調節(jié)對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，則需將調節(jié)器換成PI（比例積分）調節(jié)。這時當“給定”恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)對速度變化起到了抑制作用，當電機負載或電源電壓波動時，電機的轉速能穩(wěn)定在一定

5、的范圍變化。四、硬件電路設計4.1.1 直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析直流電動機具有良好的起、制動性能，可在大范圍內平滑調速。廣泛應用于需要調速和快速正反向變化的電力拖動領域中。直流電動機的轉速和其它參量之間的穩(wěn)態(tài)關系可用（11）式表示 （11）式中： U電樞供電電壓； 由電機結構決定的電動勢常數；R電樞回路總電阻； n電動機轉速；I電樞電流； 調節(jié)電動機的轉速可以有三種方法：（1）調節(jié)電樞的供電電壓U來調節(jié)轉速；改變電樞回路電阻R或減弱電機勵磁磁通調節(jié)。在自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以改變電壓調速為主。靜態(tài)調速指標要求電力傳動自動控制系統(tǒng)能在最高轉速和最低轉速范圍內調節(jié)轉速，并且要求在不同轉速下工作

6、時，速度穩(wěn)定；動態(tài)調速指標要求系統(tǒng)啟動、制動快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動能力?？箶_動性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在某轉速上運行時，應盡量不受負載變化以及電源電壓波動等因素的影響。 4.1.2靜態(tài)性能指標1.調速范圍電動機在額定負載運行時，系統(tǒng)限定的最高轉速與最低轉速之比叫做調速范圍，用D來表示 （12）2. 靜差率 系統(tǒng)在一轉速下運轉的時候，當負載由空載增加到額定值的時候對應的轉速降 落和理想空載轉速的比值，稱作為靜差率s，表示為 （13） 顯而易見，靜差率它是用來衡量調速系統(tǒng)在負載發(fā)生變化的時候其轉速的穩(wěn)定度。同樣情況下當機械特性硬度變大，就會變小，從而靜差率也就變小，最終轉速的穩(wěn)定度就提高了。事實上，

7、調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉速可調范圍。脫離了對靜差率的要求。任何調速系統(tǒng)都可以得到極高的調速范圍，反過來，脫離了調速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。4.1.3 基于穩(wěn)態(tài)性能指標閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計調速原理根據自動控制原理，反饋控制閉環(huán)系統(tǒng)是按被調量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調量出現偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。調速系統(tǒng)的轉速降落正是由負載引起的轉速偏差，顯然，引入轉速閉環(huán)將使調速系統(tǒng)能減少轉速降落。圖一 轉速負反饋直流調速系統(tǒng)結構框圖在有反饋的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)里，安裝測速發(fā)電機

8、 TG與電動機同軸運轉，這時可以引出負反饋電壓，它被調量轉速成正比。和給定電壓比較后，就得出轉速偏差電壓Un，在經過放大器 A的放大作用，最總控制電力電子變圖二 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關系換器UPE的電壓得以產生，用它來控制電動機轉速n。圖三 轉速閉環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖由圖看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在于它的自動調節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降。帶有比例放大器的反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)是有靜差系統(tǒng)，而積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的條件下恒速運行，實現無靜差調速。根據設計要求，要求穩(wěn)態(tài)無靜差，則要求調節(jié)器帶有積分環(huán)節(jié)。4.1.4 直流調

9、速系統(tǒng)動態(tài)性能分析 動態(tài)性能指標是實際生產對控制系統(tǒng)的動態(tài)性能有一定的要求，經過折算和量化表示出來的。其動態(tài)性能指標包括了其對給定的跟隨性能指標和其對擾動輸入的抗擾性能指標。1.跟隨性能指標在給定信號R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化規(guī)律可以通過跟隨性能指標來描述。當給定信號不同時，輸出的響應也就不一樣。通常情況下輸出量的初始值為零的時候，在給定信號階躍變化的情況下的過渡過程來作為典型的跟隨過程，這時候的動態(tài)響應又我們又叫做階躍響應。在一般的情況下我們希望階躍響應中的輸出量c(t)和其穩(wěn)態(tài)值的盡可能的小，而達到的時間盡可能的快。通常用用來作為階躍響應的跟隨性能的指標有：上升時間，超調量

10、和調節(jié)時間三個量。下面分別介紹：1）.上升時間 在典型的階躍響應跟隨的過程中，輸出量從零開始起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值是所用的時間我們稱之為上升時間，它可以表示系統(tǒng)動態(tài)響應的快速性，見下圖圖四 輸出量與時間關系2）.超調量在典型的階躍響應跟隨系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出量超出了穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量在與穩(wěn)態(tài)值的比值，叫做超調量： 反映了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。系統(tǒng)的超調量越小，則表示系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性越好，即就是系統(tǒng)的動態(tài)響應比較平穩(wěn)。3）.調節(jié)時間調節(jié)時間是衡量系統(tǒng)的整個調節(jié)過程快慢的物理量。從原則上講它是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來時的時間。但對于線性的控制系統(tǒng)而言，原則上要等到才是真正的穩(wěn)定下來了，可是在實

11、際的系統(tǒng)中由于存在一些非線性的因素致使其不用這樣。通常，我們一般在響應曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取的范圍作為允許的誤差帶并認為響應曲線達到了并且再也不超出次范圍的時候所需要的最短的時間定義為調節(jié)時間，如圖12。 2.抗擾性能指標抗擾過程是在系統(tǒng)的穩(wěn)定運行中，突然加上負載階躍擾動后輸出的動態(tài)相應過程，并根據這個指標來定義抗擾動態(tài)的性能指標，見圖13。同常我們用到的抗擾性能指標分為動態(tài)降落和恢復時間：1）.動態(tài)降落動態(tài)降落：在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突然給其加一定的擾動而后引起的轉速的最大降落值。用輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分數來表示。輸出量在動態(tài)降落后慢慢的恢復最后達到新的穩(wěn)態(tài)值是該系統(tǒng)在此次擾動下的穩(wěn)態(tài)降落。 2）.

12、恢復時間系統(tǒng)從階躍擾動的作用開始計時直到系統(tǒng)的輸出量基本上恢復到穩(wěn)態(tài)時，即距離新的穩(wěn)態(tài)值的差進入了某一基準量的范時總共花費的時間，我們定義其為恢復時間，其中叫做抗擾指標中輸出量的基準值。在實際系統(tǒng)中由于對于各種動態(tài)指標的要求不同工程各有不同，所以通常要根據生產機械的具體要求而設定。不過一般來說，調速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主。4.1.5基于動態(tài)性能指標及系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計 反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。 擾動除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。 這里調速系統(tǒng)的擾動源有以下幾種：（1）負載變化的

13、擾動（使變化）；（2）交流電源電壓波動的擾動（使變化）；（3）電動機勵磁的變化的擾動（造成變化 ）；（4）放大器輸出電壓漂移的擾動（使變化）；（5）溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）；（6）檢測誤差的擾動（使變化）。圖五 閉環(huán)調速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用 在設計閉環(huán)調速系統(tǒng)，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能指標發(fā)生矛盾的情況，這是可以設計動態(tài)校正環(huán)節(jié)，來同時滿足動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能指標。由靜態(tài)設計要求得，調節(jié)器要包含積分環(huán)節(jié)，所以可以選擇比例積分調節(jié)器或者比例積分微分調節(jié)器。本設計中選擇了后者，原因在后面的內容中加以詳述。4.2、控制系統(tǒng)動、靜態(tài)數學模型的建立4.2.1 雙極性控制的橋式可

14、逆PWM變換器的工作原理PWM系統(tǒng)在許許多多的方面都有很大的優(yōu)點例如： (1) PWM系統(tǒng)的主電路線路簡單，需用的功率器件少；(2) 由于其功率開關器件工作在開關狀態(tài)，以致其導通損耗小，而開關頻率適當時，開關損耗也不是很大，從而裝置效率較高；(3) 系統(tǒng)的開關頻率高，因此其電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都比較小；(4)直流電源采用不控整流時，電網效率因數比相控整流器高。(5)低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬，可達1：10000左右；(6)若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)抗干擾能力強。4.2.2橋式可逆PWM變換器 橋式（亦稱H型）電路如圖所示。橋式可逆PWM變換

15、器 雙極式控制可逆PWM變換器的4個驅動電壓波形如下圖所示。雙極式控制可逆PWM變換器的驅動電壓、輸出電壓和電流波形 它們之間的關系是：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。當變換器在一個開關周期內時，在0t<ton的時間段里，Uab= Us，它的電樞電流Id會沿著圖中所示的回路1流動；而在tont<T時間段，這時的驅動電壓反相，電樞電流Id就沿著回路2在經二極管續(xù)流，Uab=-Us。所以，Uab在一個周期內具有正負相間的脈沖波形，這就是所謂的雙極式的由來。 圖中同樣畫出了其輸出電壓和電流波形。是一般負載狀況，它的脈動電流的方向一直都為正；是輕載時候的電流，可是其電流在正負方向之間變

16、化，但平均值卻是正值，就等于其負載電流。由圖分析可見電動機的正反轉就表現在其驅動電壓的正脈沖和負脈沖的寬度上面。如果正脈沖比負的寬時，即ton>T/2,則Uab的平均值就為正，電動機就正轉，反之，則反轉；當正、負脈沖相等是，即t=T/2,平均輸出電壓就為零，這時電動機就停止。 雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為： （15）雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有很多優(yōu)點，列舉如下幾點：（1）電流一定是連續(xù)的；（2）當電動機停止時會有微振電流，這樣能消除靜摩擦死區(qū)；（3）在四個象限中電動機均可運行；（4）即使在低速的時候，每個開關器件仍有驕狂的的驅動脈沖，這樣就有利于使器件可靠的導通（5

17、）低速時平穩(wěn)性好，并且系統(tǒng)調速范圍能夠達到1：20000附近；但是雙極式控制方式也不是十全十美的：例如在工作中，4個開關器件很可能均處在開關的狀態(tài)，這時開關損耗就會大，因此在切換的時候就或許發(fā)生上、下橋臂直通的現象，所以防止直通的方法是在上、下橋臂的驅動脈沖之間應設置邏輯延時。或者是用單極式來控制，這樣就使一部分器件總是處在常通或著常斷的狀態(tài)，從而來減少開關的次數和開關的損耗，進而提高可靠性，但是這時系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能可能會略有下降。 五、計算機仿真 仿真結構圖 單閉環(huán)調速系統(tǒng)校正后啟動過程中轉速波形 單閉環(huán)調速系統(tǒng)校正后啟動過程中電流波形六、設計總結參加H橋可逆直流調速系統(tǒng)設計和實驗課程研究

18、項目，幫助我更好地學習了專業(yè)課程電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)，為我提供了實踐經驗。在加深了對所學專業(yè)知識的了解的同時，還掌握了其它的課外知識，如SG3525、IR2110等芯片的功能，死區(qū)時間設計等等。從一開始的一無所知到現在成功地將設計展示出來，我們小組的每個成員都付出了努力，而且良好的團隊合作能力也是成功的關鍵。在此次項目中，我完成了方案一將轉速環(huán)設計為典型型系統(tǒng)的參數設計，并且參與仿真，進行參數測試，修改設計方案。此外，撰寫了研究報告的部分內容。在總體設計方案問題上，我們小組選擇了與其他小組不同的方案單閉環(huán)H橋可逆直流調速系統(tǒng)設計。盡管在性能上與雙閉環(huán)有些不同，但基本上可完成設計要求。我們利用其它時間也進行了雙閉環(huán)的設計研究，并與