單閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

1、運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計課題：單閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 系 別：電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 姓 名： 學(xué) 號： 成 績： 河南城建學(xué)院2015年 12月 31日目錄 一、設(shè)計目的1 二、設(shè)計任務(wù)及要求2 三、總體方案設(shè)計2 四、硬件電路設(shè)計34.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析34.1.2靜態(tài)性能指標(biāo)34.1.3 基于穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計44.1.4 直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能分析64.1.5基于動態(tài)性能指標(biāo)及系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計94.2、控制系統(tǒng)動、靜態(tài)數(shù)學(xué)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(jī)仿真13六、設(shè)計總結(jié)14參考文獻(xiàn)16一、設(shè)計目的在電力拖動系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)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(diào)制的方法，直接將恒定的直流電壓調(diào)制為極性可變、大小可調(diào)的直流電壓，用以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)電樞電壓的平滑調(diào)節(jié)，構(gòu)成脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計采用了PWM脈寬調(diào)制的方法，完成了帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及實(shí)驗(yàn)。本設(shè)計重點(diǎn)介紹了單閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、設(shè)計原理及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，提供了通過matlab仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)效果預(yù)分析和校正處理，得到較為理想結(jié)果后進(jìn)行實(shí)際操作和調(diào)試的實(shí)驗(yàn)思路

3、。二、設(shè)計任務(wù)及要求本次運(yùn)動控制課程設(shè)計要求自擬控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求（調(diào)速范圍、靜差率、超調(diào)量、動態(tài)速降、調(diào)節(jié)時間等）設(shè)計系統(tǒng)原理圖，完成元器件的選擇，選擇調(diào)節(jié)器并計算調(diào)節(jié)器參數(shù)，并進(jìn)行仿真或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)合理性。為了進(jìn)行定量的計算，選一組電機(jī)參數(shù)：功率，額度電壓，額定電流,額定轉(zhuǎn)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(diào)速范圍,靜差率,。三、總體方案設(shè)計為了提高直流系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標(biāo)，通常采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)。對調(diào)速系統(tǒng)的要求不高的場合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)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(zhuǎn)速反饋、電流反饋、電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，

4、轉(zhuǎn)速單閉環(huán)運(yùn)用較多。在本設(shè)計中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)是將反應(yīng)轉(zhuǎn)速變化的電壓信號作為反饋信號，經(jīng)“速度變換”后接到“速度調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較經(jīng)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(jīng)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(gòu)成了速度負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨給定的電壓變化，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速由速度調(diào)節(jié)器輸出限幅所決定，速度調(diào)節(jié)器采用P（比例）調(diào)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(diào)節(jié)器換成PI（比例積分）調(diào)節(jié)。這時當(dāng)“給定”恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)對速度變化起到了抑制作用，當(dāng)電機(jī)負(fù)載或電源電壓波動時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定

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

6、時，速度穩(wěn)定；動態(tài)調(diào)速指標(biāo)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(zhuǎn)速上運(yùn)行時，應(yīng)盡量不受負(fù)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(biāo)1.調(diào)速范圍電動機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行時，系統(tǒng)限定的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用D來表示 （12）2. 靜差率 系統(tǒng)在一轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)的時候，當(dāng)負(fù)載由空載增加到額定值的時候?qū)?yīng)的轉(zhuǎn)速降 落和理想空載轉(zhuǎn)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(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載發(fā)生變化的時候其轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度。同樣情況下當(dāng)機(jī)械特性硬度變大，就會變小，從而靜差率也就變小，最終轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就提高了。事實(shí)上，

7、調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。脫離了對靜差率的要求。任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍，反過來，脫離了調(diào)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(biāo)閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計調(diào)速原理根據(jù)自動控制原理，反饋控制閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)能減少轉(zhuǎn)速降落。圖一 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖在有反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)里，安裝測速發(fā)電機(jī)

8、 TG與電動機(jī)同軸運(yùn)轉(zhuǎn)，這時可以引出負(fù)反饋電壓，它被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比。和給定電壓比較后，就得出轉(zhuǎn)速偏差電壓Un，在經(jīng)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(jī)械特性的關(guān)系換器UPE的電壓得以產(chǎn)生，用它來控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速n。圖三 轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由圖看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)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(diào)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(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。根據(jù)設(shè)計要求，要求穩(wěn)態(tài)無靜差，則要求調(diào)節(jié)器帶有積分環(huán)節(jié)。4.1.4 直流調(diào)

9、速系統(tǒng)動態(tài)性能分析 動態(tài)性能指標(biāo)是實(shí)際生產(chǎn)對控制系統(tǒng)的動態(tài)性能有一定的要求，經(jīng)過折算和量化表示出來的。其動態(tài)性能指標(biāo)包括了其對給定的跟隨性能指標(biāo)和其對擾動輸入的抗擾性能指標(biāo)。1.跟隨性能指標(biāo)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(biāo)來描述。當(dāng)給定信號不同時，輸出的響應(yīng)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(yīng)又我們又叫做階躍響應(yīng)。在一般的情況下我們希望階躍響應(yīng)中的輸出量c(t)和其穩(wěn)態(tài)值的盡可能的小，而達(dá)到的時間盡可能的快。通常用用來作為階躍響應(yīng)的跟隨性能的指標(biāo)有：上升時間，超調(diào)量

10、和調(diào)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(yīng)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(yīng)的快速性，見下圖圖四 輸出量與時間關(guān)系2）.超調(diào)量在典型的階躍響應(yīng)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(diào)量： 反映了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。系統(tǒng)的超調(diào)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(yīng)比較平穩(wěn)。3）.調(diào)節(jié)時間調(diào)節(jié)時間是衡量系統(tǒng)的整個調(diào)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(shí)

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(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取的范圍作為允許的誤差帶并認(rèn)為響應(yīng)曲線達(dá)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(diào)節(jié)時間，如圖12。 2.抗擾性能指標(biāo)抗擾過程是在系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行中，突然加上負(fù)載階躍擾動后輸出的動態(tài)相應(yīng)過程，并根據(jù)這個指標(biāo)來定義抗擾動態(tài)的性能指標(biāo)，見圖13。同常我們用到的抗擾性能指標(biāo)分為動態(tài)降落和恢復(fù)時間：1）.動態(tài)降落動態(tài)降落：在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，突然給其加一定的擾動而后引起的轉(zhuǎn)速的最大降落值。用輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)來表示。輸出量在動態(tài)降落后慢慢的恢復(fù)最后達(dá)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(fù)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(fù)到穩(wěn)態(tài)時，即距離新的穩(wěn)態(tài)值的差進(jìn)入了某一基準(zhǔn)量的范時總共花費(fèi)的時間，我們定義其為恢復(fù)時間，其中叫做抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。在實(shí)際系統(tǒng)中由于對于各種動態(tài)指標(biāo)的要求不同工程各有不同，所以通常要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求而設(shè)定。不過一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。4.1.5基于動態(tài)性能指標(biāo)及系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)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(diào)速系統(tǒng)的擾動源有以下幾種：（1）負(fù)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(jī)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(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用 在設(shè)計閉環(huán)調(diào)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(biāo)發(fā)生矛盾的情況，這是可以設(shè)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(biāo)。由靜態(tài)設(shè)計要求得，調(diào)節(jié)器要包含積分環(huán)節(jié)，所以可以選擇比例積分調(diào)節(jié)器或者比例積分微分調(diào)節(jié)器。本設(shè)計中選擇了后者，原因在后面的內(nèi)容中加以詳述。4.2、控制系統(tǒng)動、靜態(tài)數(shù)學(xué)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(diǎn)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(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，以致其導(dǎo)通損耗小，而開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不是很大，從而裝置效率較高；(3) 系統(tǒng)的開關(guān)頻率高，因此其電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都比較小；(4)直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)效率因數(shù)比相控整流器高。(5)低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：10000左右；(6)若與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。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(qū)動電壓波形如下圖所示。雙極式控制可逆PWM變換器的驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形 它們之間的關(guān)系是：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。當(dāng)變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)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(qū)動電壓反相，電樞電流Id就沿著回路2在經(jīng)二極管續(xù)流，Uab=-Us。所以，Uab在一個周期內(nèi)具有正負(fù)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(fù)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(fù)方向之間變

16、化，但平均值卻是正值，就等于其負(fù)載電流。由圖分析可見電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)就表現(xiàn)在其驅(qū)動電壓的正脈沖和負(fù)脈沖的寬度上面。如果正脈沖比負(fù)的寬時，即ton>T/2,則Uab的平均值就為正，電動機(jī)就正轉(zhuǎn)，反之，則反轉(zhuǎn)；當(dāng)正、負(fù)脈沖相等是，即t=T/2,平均輸出電壓就為零，這時電動機(jī)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(diǎn)，列舉如下幾點(diǎn)：（1）電流一定是連續(xù)的；（2）當(dāng)電動機(jī)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(jī)均可運(yùn)行；（4）即使在低速的時候，每個開關(guān)器件仍有驕狂的的驅(qū)動脈沖，這樣就有利于使器件可靠的導(dǎo)通（5

17、）低速時平穩(wěn)性好，并且系統(tǒng)調(diào)速范圍能夠達(dá)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(guān)器件很可能均處在開關(guān)的狀態(tài)，這時開關(guān)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(xiàn)象，所以防止直通的方法是在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間應(yīng)設(shè)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(guān)的次數(shù)和開關(guān)的損耗，進(jìn)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(jī)仿真 仿真結(jié)構(gòu)圖 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)校正后啟動過程中轉(zhuǎn)速波形 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)校正后啟動過程中電流波形六、設(shè)計總結(jié)參加H橋可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計和實(shí)驗(yàn)課程研究

18、項(xiàng)目，幫助我更好地學(xué)習(xí)了專業(yè)課程電力拖動自動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)，為我提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在加深了對所學(xué)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(shè)計等等。從一開始的一無所知到現(xiàn)在成功地將設(shè)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(tuán)隊(duì)合作能力也是成功的關(guān)鍵。在此次項(xiàng)目中，我完成了方案一將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計為典型型系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計，并且參與仿真，進(jìn)行參數(shù)測試，修改設(shè)計方案。此外，撰寫了研究報告的部分內(nèi)容。在總體設(shè)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(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。盡管在性能上與雙閉環(huán)有些不同，但基本上可完成設(shè)計要求。我們利用其它時間也進(jìn)行了雙閉環(huán)的設(shè)計研究，并與