轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)H形雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 副本

1、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)H形雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 題 目： 習(xí)題217設(shè)計(jì) 姓 名： 許云東 學(xué) 號(hào)： 20110103020 任課教師： 段志梅 1.設(shè)計(jì)要求32.設(shè)計(jì)分析4（1）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4（2）.雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖5（3）.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖53.轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的設(shè)計(jì)：5（1）確定時(shí)間常數(shù):5（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)6（3）計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：6（4）校驗(yàn)近似條件：6（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容：7（6）驗(yàn)證空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量：74.電流環(huán)參數(shù)的設(shè)計(jì)：8（1）確定時(shí)間常數(shù)8（2）選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)8（3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)8（4）校驗(yàn)近似條件9（5）計(jì)

2、算調(diào)節(jié)器的電阻電容：95.直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的完整硬件實(shí)現(xiàn)原理圖如下：106.原理圖上實(shí)現(xiàn)所要求的直流調(diào)速系統(tǒng)的原理如下：107.原理圖上每個(gè)元件選定的依據(jù)及其分析：11（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器11（2）電流調(diào)節(jié)器11（3）SG3524芯片11（4）H型雙極式可逆PWM橋式電路12（5），三相整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置12（6）轉(zhuǎn)速檢測電路12總結(jié)12參考文獻(xiàn)13摘要：伺服系統(tǒng)對(duì)數(shù)控技術(shù)、自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、機(jī)電一體化等專業(yè)是一門很重要的專業(yè)技術(shù)課。伺服系統(tǒng)的作用是聯(lián)系數(shù)控裝置與被控設(shè)備的中間環(huán)節(jié)，起著傳遞指令信息和反饋設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的橋梁作用。在當(dāng)代工業(yè)上PWM控制調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用

3、，其優(yōu)點(diǎn)還是日益突現(xiàn)，而帶有雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)更是受到廣泛歡迎。在本次設(shè)計(jì)中，為了使調(diào)速達(dá)到高精度、高準(zhǔn)度的要求，我使用了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，以此來組成雙閉環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。這樣的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到任務(wù)要求的靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。特別是把此兩環(huán)校正為典型型和典型型后的性能指標(biāo)更是達(dá)到了要求。本次設(shè)計(jì)中的電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器都是使用PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器是由運(yùn)放和各種電子元器件組成的，由于本次設(shè)計(jì)時(shí)間有限所以就沒有把相應(yīng)的參數(shù)給調(diào)出來了。關(guān)鍵字：PWM；調(diào)速系統(tǒng)；電流調(diào)節(jié)器；直流調(diào)速；雙閉環(huán)；雙極式；SG3524；1.設(shè)計(jì)要求有一轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的H形雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)已知電

4、動(dòng)機(jī)參數(shù)為：PN=200W,UN=48V,IN=3.7A,N=200r、min，電樞電阻Ra=6.5，電樞回路總電阻=8，允許電流過載倍數(shù)=2，電勢(shì)系數(shù)Ce=0.12V.min/r,電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.15s，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.2s，電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.001s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.005s，調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓U*nm=U*im=Ucm=10V，調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=40K。已計(jì)算出電力晶體管D202的開關(guān)頻率f=1kHz，PWM環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=4.8.試對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量si=5%；空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量sn=

5、20%；過渡過程時(shí)間ts=0.1s。2.設(shè)計(jì)分析（1）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串級(jí)連接，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。其脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。（2）.雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖（3）.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的設(shè)計(jì)：（1）確定時(shí)間常數(shù):1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)s2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)由已知條件知Ton=0.005s3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)

6、（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)要求無靜差，且要求設(shè)計(jì)為典II系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)必須含有積分環(huán)節(jié);故轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （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h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為: 所以轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益:轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):由可知：于是，可以算出ASR的比例系數(shù)為:（4）校驗(yàn)近似條件：轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：1）校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： ，滿足簡化條件。2）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，滿足條件。（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容：已知R0=40K，各電阻和電容值計(jì)算如下：，可近似取，取，取（6）驗(yàn)證空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量：當(dāng)h=5時(shí)，查表得，dn=3

7、7.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于這是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)z=0，已知直流電機(jī)參數(shù)： 0.2 KW，48 V，3.7 A，Nnom200 r/min，Ra6.5，R=8；PWM裝置放大系數(shù)Ks=4.8；時(shí)間常數(shù)Tm=0.2s，Tl=0.015s； 當(dāng)時(shí)，；而,又因?yàn)?因此 ，滿足空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量的設(shè)計(jì)要求。4.電流環(huán)參數(shù)的設(shè)計(jì)：（1）確定時(shí)間常數(shù)1) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。因?yàn)閒=1khz，所以=0.001s2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)。由題中已知條件知=0.001s

8、 3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。=+=0.001+0.001=0.002s（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)電流無靜差，因此可按典I系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器ACR。電流調(diào)節(jié)器ACR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)如下式： （3）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：要求時(shí)，按課本上表3-1，應(yīng)取，因此 電流反饋系數(shù)：因?yàn)樗裕河指鶕?jù)已知條件知=4.8于是，ACR的比例系數(shù)為 （4）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率:1）校驗(yàn)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： 滿足近似條件。2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件： 滿足近似條件。3）校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 滿足近似條件。（5

9、）計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻電容：已知，各電阻和電容值計(jì)算如下：， 近似取 ，取。取5.直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的完整硬件實(shí)現(xiàn)原理圖如下：6.原理圖上實(shí)現(xiàn)所要求的直流調(diào)速系統(tǒng)的原理如下：主電路系統(tǒng)是由10V直流電源，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，電流調(diào)節(jié)器ACR，SG3524芯片，H型雙極式可逆PWM橋式電路，三相整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置、測速發(fā)電機(jī)和霍爾電流互感器組成。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置,然后通過脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。與此同時(shí)

10、，由測速發(fā)電機(jī)檢測電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，并用霍爾電流互感器對(duì)電樞電流進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。7.原理圖上每個(gè)元件選定的依據(jù)及其分析：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)而言，最關(guān)鍵的是控制器的設(shè)計(jì)，控制器設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣?？刂破饕髮?shí)時(shí)性強(qiáng)，通用性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的智能，在滿足性能指標(biāo)的前提下應(yīng)盡可能的簡單。轉(zhuǎn)速反饋電路各個(gè)參數(shù)在已經(jīng)算出，并標(biāo)注在圖中。這里選用PI控制器，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求無靜差，且要求設(shè)計(jì)為典II系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)必須含有積分環(huán)節(jié)，同時(shí)，PI控制器還能在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡可能的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（2）電流調(diào)節(jié)器電流反饋電路各個(gè)參數(shù)在已算出，并標(biāo)注在圖中。由于要求d，并

11、保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，所以電流調(diào)節(jié)器也選擇PI調(diào)節(jié)器。（3）SG3524芯片采用集成脈寬調(diào)制器SG3524作為脈沖信號(hào)發(fā)生的核心元件。它的主要作用是用它來產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的PWM信號(hào)。根據(jù)主電路中IGBT的開關(guān)頻率，選擇適當(dāng)?shù)腞t,Ct值即可確定振蕩頻率。由初始條件知開關(guān)頻率為1kHz，可以選擇Rt=2k，Ct=0.001uf。SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。由SG3524構(gòu)成的基本電路如原理圖所示，由15腳輸入+10V電壓。9腳是誤差放大器的輸出端，在1、9引腳之間接入外部阻容元件構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，可提高穩(wěn)態(tài)精度。12、13引腳通過電阻與+10V電壓源相連，供內(nèi)部晶體管工作，

12、由電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓作為2引腳輸入，通過其電壓大小調(diào)節(jié)11、14引腳的輸出脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制變換器的功能實(shí)現(xiàn)。（4）H型雙極式可逆PWM橋式電路“H”型是雙極性驅(qū)動(dòng)電路的一種，也稱為橋式電路。其電路是由四個(gè)晶閘管和四個(gè)續(xù)流二極管組成，。四個(gè)晶閘管分為兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為另一組。同一組的晶閘管同步導(dǎo)通或關(guān)斷，不同組的晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。在每個(gè)PWM周期里，當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，晶閘管VT1和VT4導(dǎo)通，此時(shí)另一組晶閘管輸入信號(hào)為低電平，因此VT2和VT3截止。電樞繞組承受從A到B的正向電壓；當(dāng)控制信號(hào)輸入為低電平時(shí)，晶閘管VT1和VT4截止，此時(shí)另一組晶

13、閘管輸入為高電平，因此VT2和VT3導(dǎo)通，電樞繞組承受從B到A的反向電壓，這就是所謂的“雙極”。（5），三相整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置整流變壓器和晶閘管整流調(diào)速裝置的功能是將輸入的交流電整流后變成直流電。（6）轉(zhuǎn)速檢測電路轉(zhuǎn)速檢測電路與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測速發(fā)電機(jī)，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓nU，與給定電壓*nU相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓nUD輸送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓不僅表示轉(zhuǎn)速的大小，還包含轉(zhuǎn)速的方向，通過調(diào)節(jié)電位器即可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)?？偨Y(jié)脈沖寬度調(diào)制PWM,就是指保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間t對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)等領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的控制方式。利用SG3524集成PWM控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PWM控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，并且設(shè)計(jì)了完善的保護(hù)措施，既保障了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，又使系統(tǒng)具有較高的動(dòng)、靜態(tài)性能。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動(dòng)過程波形的。按照ASR在起動(dòng)過程中的飽和情況，可將起動(dòng)過程分為三個(gè)階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動(dòng)時(shí)間上看，階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了電流受限制下的快速起動(dòng)，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”