運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)雙閉環(huán)PWM雙極式直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)及仿真方案

1、目 錄摘 要I1. 緒 論11.1 課題概述11.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速功能11.3 課題的主要任務(wù)12. 原理分析22.1 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的原理22.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖22.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)32.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)42.5 PWM變換器介紹63. 設(shè)計(jì)電路123.1 PWM（雙極式）主電路設(shè)計(jì)123.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)123.2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)12 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)133.3 IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路原理143.4 信號(hào)產(chǎn)生電路143.5 鋸齒波信號(hào)產(chǎn)生電路153.6 基于EXB841驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)164. 系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算194.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)194.2 轉(zhuǎn)速

2、調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)215. 利用MATLAB建模并對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真255.1 MATLAB簡(jiǎn)要介紹255.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖26總 結(jié)28參考文獻(xiàn)29雙閉環(huán)PWM雙極式直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)及仿真 摘 要近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快。雖然高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)，然而，直流調(diào)速系統(tǒng)不僅在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，目前還在大量應(yīng)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，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

3、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。關(guān)鍵詞 PWM 直流調(diào)速 雙閉環(huán) 雙極式 1. 緒 論1.1 課題概述在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎無處不使用電力傳動(dòng)裝置，生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長(zhǎng)，使得越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。對(duì)可調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁地?zé)o級(jí)快速啟動(dòng)與制動(dòng)和反

4、轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求，至今在金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域仍有廣泛的應(yīng)用，到目前為止是調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速功能雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)用來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電流環(huán)控制輸出電流；該系統(tǒng)可以自動(dòng)限制最大電流，能有效抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響；采用雙閉環(huán)控制提高了系統(tǒng)的阻尼比，因而較之單閉環(huán)控制具有更好的控制特性。1.3 課題的主要任務(wù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器及其反饋電路設(shè)計(jì)；電流調(diào)節(jié)器及其反饋電路設(shè)計(jì)；PWM（雙極式）主電路設(shè)計(jì)；集成觸發(fā)及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；利用MATLAB建模并對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。2. 原理分析2.1 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的原理AS

5、R（速度調(diào)節(jié)器）根據(jù)速度指令Un*和速度反饋Un的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是電流指令的給定信號(hào)Ui*（對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的可以調(diào)速）。ACR(電流調(diào)節(jié)器)根據(jù)Ui*和電流反饋Ui的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是UPE（功率變換器件的）的控制信號(hào)Uc。進(jìn)而調(diào)節(jié)UPE的輸出，即電機(jī)的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te與TL不相等轉(zhuǎn)速會(huì)相應(yīng)的變化。整個(gè)過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速不變后，達(dá)到穩(wěn)定。2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(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

6、示，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。其中脈寬調(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。圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動(dòng)機(jī)的過載能力，使電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。這種理想的起動(dòng)過程如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)在約束條件快速起動(dòng)，關(guān)鍵是要有

7、一個(gè)使電流保持在最大值的恒流過程。根據(jù)反饋控制規(guī)律，要控制某個(gè)量，只要引入這個(gè)量的負(fù)反饋。因此采用電流負(fù)反饋控制過程，起動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負(fù)反饋；穩(wěn)定運(yùn)行過程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋為主。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖3所示。參考雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)圖和一些電力電子的知識(shí)，采用機(jī)理分析法可以得到雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。0nnt圖2 理想啟動(dòng)過程圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖圖4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

8、的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要先探討它的起動(dòng)過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖5所示。由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，整個(gè)過渡過程也就分為三個(gè)階段，在圖中表以、和。IdLnIdmtId0tn0IdnId Idm(a) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(b) 理想的快速起動(dòng)過程圖5 直流調(diào)速系統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)速啟動(dòng)特性曲線第階段：0t1是電流上升階段。突加給定電壓Un*后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，當(dāng)IdIdl后，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電機(jī)慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不會(huì)太快，因而ASR的輸入偏差電壓Un=Un

9、*Un數(shù)值較大并使其輸出達(dá)到飽和值U*im，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。當(dāng)Id=Idm時(shí)，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使Id不再迅速增加，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第階段：t1t2是恒流加速階段。這一階段是起動(dòng)過程的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒流給定U*im作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于ACR的參數(shù)），因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增加。又，n，這樣才能保持Id=cont。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線

10、性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，Id應(yīng)略低于Idm。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時(shí)整流裝置的最大電流Ud0m也須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和，這都是設(shè)計(jì)中必須注意的。第階段：t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。此時(shí)，Un=U*n，但由于積分作用，所以電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速必超調(diào)。當(dāng)時(shí)，使ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓U*i迅速下降，Id也迅速下降。但由于，在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)增加。當(dāng)時(shí)，n達(dá)到最大值（t3時(shí)刻）。此后，電動(dòng)機(jī)在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流Id也出現(xiàn)一段小與Idl的過程，直到

11、穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是力圖使Id盡快地跟隨ASR的輸出量U*i，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有三個(gè)特點(diǎn)：1.飽和非線性。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)。2.準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。階段屬于電流受限制條件下的最短時(shí)間控制。采用飽和非線性控制方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有使用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。3.轉(zhuǎn)速必超調(diào)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓為負(fù)值，才能使ASR退飽和。這就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙

12、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必超調(diào)。2.5 PWM變換器介紹脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下面分別對(duì)各種形式的PWM變換器做一下簡(jiǎn)單的介紹和分析。不可逆PWM變換器分為無制動(dòng)作用和有制動(dòng)作用兩種。圖6所示為無制動(dòng)作用的簡(jiǎn)單不可逆PWM變換器主電路原理圖，其開關(guān)器件采用全控型的電力電子器件。圖6 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器電路電力晶體管VT的基極由頻率為f，其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)。在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)時(shí)，為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，VT截止，電樞

13、失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓為式中，PWM電壓的占空比，又稱負(fù)載電壓系數(shù)。的變化范圍在01之間，改變，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。圖6時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞的脈沖端電壓、平均電壓和電樞電流的波型。由圖可見，電流是脈動(dòng)的，其平均值等于負(fù)載電流（負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 直流電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比）。由于VT在一個(gè)周期內(nèi)具有開關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在期間,在期間 式中，R，L電動(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻和總電感；E電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。 PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率都較高，至少是14kHz，因此電流的脈動(dòng)幅值不會(huì)很大，再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E的波動(dòng)就更小，在分析時(shí)可

14、以忽略不計(jì)，視n和E為恒值。這種簡(jiǎn)單不可逆PWM電路中電動(dòng)機(jī)的電樞電流不能反向，因此系統(tǒng)沒有制動(dòng)作用，只能做單向限運(yùn)行，這種電路又稱為“受限式”不可逆PWM電路。這種PWM調(diào)速系統(tǒng)，空載或輕載下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能均差。 圖7動(dòng)作用的不可逆PWM變換電路，該電路設(shè)置了兩個(gè)電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流的通路。這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個(gè)象限中運(yùn)行。VT1和VT2的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓大小相等，極性相反，即。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)平均電流就為正值，電流分為兩段變化。在期間，為正，VT1飽和導(dǎo)通；為負(fù)，V

15、T2截止。此時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端，電流沿圖中的回路1流通。在期間，和改變極性，VT1截止，原方向的電流沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使VT2不可能導(dǎo)通。因此，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，一般情況下實(shí)際上是電力晶體管VT1和續(xù)流二極管VD2交替導(dǎo)通，而VT2則始終不導(dǎo)通，其電壓、電流波型如圖7所示，與圖2-1沒有VT2的情況完全一樣。如果電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)運(yùn)行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓降低。但是由于慣性，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E來不及立刻變化，因而出現(xiàn)的情況。這時(shí)電力晶體管VT2能在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)

16、中起作用。在期間，VT2在正的和反電動(dòng)勢(shì)E的作用下飽和導(dǎo)通，由產(chǎn)生的反向電流沿回路3通過VT2流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能存儲(chǔ)在回路電感中，直到t=T為止。在（也就是）期間，因變負(fù)，VT2截止，只能沿回路4經(jīng)二極管VD1續(xù)流，對(duì)電源回饋制動(dòng)，同時(shí)在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導(dǎo)通。在整個(gè)制動(dòng)狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，VT1始終截止，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電壓和電流波型圖7。反向電流的制動(dòng)作用使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。這種電路構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)還存在一種特殊情況，即在電動(dòng)機(jī)的輕載電動(dòng)狀態(tài)中，負(fù)載電流很小，在VT1關(guān)斷后（即期間）沿回路2

17、徑VD2的續(xù)流電流很快衰減到零，如在圖7中的期間的時(shí)刻。這時(shí)VD2兩端的壓降也降為零，而此時(shí)由于為正，使VT2得以導(dǎo)通，反電動(dòng)勢(shì)E經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流，產(chǎn)生局部時(shí)間的能耗制動(dòng)作用。到了期間，VT2關(guān)斷，又沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，到時(shí)衰減到零，VT1在作用下因不存在而反壓而導(dǎo)通，電樞電流再次改變方向?yàn)檠鼗芈?經(jīng)VT1流通。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，VT1、VD1、VT2、VD1四個(gè)電力電子開關(guān)器件輪流導(dǎo)通，其電流波形示圖7。綜上所述，具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)電樞回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)二象限運(yùn)行，有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能。可逆PWM變

18、換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T型和H型兩種，其基本電路如圖8所示，圖中8 PWM變換器電路，H型PWM變換器電路。圖7 有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換電路圖8 可逆PWM變換器電路T型電路由兩個(gè)可控電力電子器件和與兩個(gè)續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡(jiǎn)單，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)便于引出反饋，適用于作為電壓低于50V的電動(dòng)機(jī)的可控電壓源；但是T型電路需要正負(fù)對(duì)稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型電路的一半。H型電路是實(shí)際上廣泛應(yīng)用的可逆PWM變換器電路，它由四個(gè)可控電力電子器件（以下以電力晶體管為例）和四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路，這種電路只

19、需要單極性電源，所需電力電子器件的耐壓相對(duì)較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)電樞兩端浮地。3. 設(shè)計(jì)電路3.1 PWM（雙極式）主電路設(shè)計(jì)H型變換器電路在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式三種，本次設(shè)計(jì)我們選擇雙極式H型可逆PWM變換器。H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖9所示，WM逆變器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)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(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這時(shí)電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。圖9 H橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路 四單元IGBT模塊型號(hào)：20MT120UF生產(chǎn)廠家：IR公司主

20、要參數(shù)如下：=1200V =16A =100 3.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對(duì)被控量進(jìn)行采樣，然后與給定值比較，決定調(diào)節(jié)器的輸出，反饋的關(guān)鍵是對(duì)被控量進(jìn)行采樣與測(cè)量。3.2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)由于電流檢測(cè)中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時(shí)間常數(shù)，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。為了平衡反饋信號(hào)的延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時(shí)間上配合恰當(dāng)。如圖10所示。圖10 給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速反饋電路如圖11所示，由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含

21、有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的原理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時(shí)間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖11 含給定濾波與反饋濾波的PI型電轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.3 IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路原理工作原理如圖12所示圖12 EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖EXB841 系列驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)輸出；腳4 ：用于連接外部電容器，以防止過流保護(hù)電路誤動(dòng)作（大多數(shù)場(chǎng)合不需要該電容器）；腳5 ：過流保護(hù)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(qū)動(dòng)信號(hào)輸

22、入（-，）；3.4 信號(hào)產(chǎn)生電路本設(shè)計(jì)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。根據(jù)主電路中IGBT的開關(guān)頻率，選擇適當(dāng)?shù)?、值即可確定振蕩頻率。電路中的PWM信號(hào)由集成芯片SG3524產(chǎn)生，SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。由SG3524構(gòu)成的基本電路如圖13所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產(chǎn)生+5V基準(zhǔn)電壓。在6、7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+15V電壓源相連，供內(nèi)部晶體管工作，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)12、13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)。圖

23、13 SG3524管腳圖主要參數(shù)：輸入電壓Uimax：40V 輸出電流：500mA 好散功率：1W3.5 鋸齒波信號(hào)產(chǎn)生電路鋸齒波信號(hào)發(fā)生器SG的輸出信號(hào)Us與控制信號(hào)在PWM轉(zhuǎn)換器（SG3524）中進(jìn)行比較，PWM輸出幅度恒定、寬度變化的方波脈沖序列，即PWM波。SG電路可有UJT或者PUT構(gòu)成。UJT鋸齒波信號(hào)發(fā)生器基本電路如圖15所示。圖14 SG3524引腳接線圖圖14 SG3524內(nèi)部框圖3.6 基于EXB841驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路中V5起保護(hù)作用，避免EXB841的6腳承受過電壓，通過VD1檢測(cè)是否過電流，接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過流保護(hù)起控點(diǎn)，以降低過高的保護(hù)閥值從而解

24、決過流保護(hù)閥值太高的問題。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現(xiàn)過電壓，Rge是防止IGBT誤導(dǎo)通。針對(duì)EXB841存在保護(hù)盲區(qū)的問題，可如圖16所示將EXB841的6腳的超快速恢復(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大一點(diǎn)的超快速恢復(fù)二極管或反向串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管，也可采取對(duì)每個(gè)脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時(shí)間，避免IGBT過窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對(duì)EXB841軟關(guān)斷保護(hù)不可靠的問題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一個(gè)可變電阻，4腳和地之間接一個(gè)電容，都是用來調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間，保證軟關(guān)斷的可靠性。針對(duì)負(fù)偏壓不足的問題，可以考慮提高負(fù)偏壓。一般采用的負(fù)

25、偏壓是-5V，可以采用-8V的負(fù)偏壓，輸人信號(hào)被接到15腳，EXB841正常工作驅(qū)動(dòng)IGBT.圖15 鋸齒波信號(hào)發(fā)生電路圖16 EXB841驅(qū)動(dòng)IGBT設(shè)計(jì)圖主要參數(shù)：電源電壓：20V 最大輸出功率：47mA 最高工作頻率：10kHz4. 系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(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)：三相橋式電路的平均時(shí)空時(shí)間。2)電流濾波時(shí)間常數(shù):三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms,為了基本濾平波頭，應(yīng)有(1-2),因此取。3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和 。 (4-1)4)電動(dòng)勢(shì)系數(shù) Ce=0.04 (4-2)轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cm=30Ce/3.14=0.38電機(jī)時(shí)間常數(shù) =0.

26、084s (4-3)(2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：，電磁時(shí)間常數(shù)可按典型型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型的，其傳遞函數(shù)為 (4-4)式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，對(duì)于型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都可以接受。(3)選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。電流環(huán)開環(huán)時(shí)間增益:要求時(shí)應(yīng)取因此 (4-5)電流反饋系數(shù): (4-6) (4-7)PWM裝置放大系數(shù)： 于是，ACR的比例系數(shù)為: (4-8)(4)校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率: 1)檢驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件： (4-9)滿足近似

27、條件；2) 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件： (4-10)即 (4-11)滿足近似條件；3) 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： ， (4-12)即 (4-13)滿足近似條件。4)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 調(diào)節(jié)器輸入電阻為，各電阻和電容值計(jì)算如下 (4-14) ， (4-15) 。 (4-16)4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(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) 2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) 3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理 （2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié),為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此需要由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積

28、分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (4-17)(3)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取，則ASR超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： (4-18)ASR的比例系數(shù)： (4-19)(4)近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為： (4-20)1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件： (4-21)即 (4-22) 滿足簡(jiǎn)化條件。2) 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： (4-23) 現(xiàn)在， (4-24)(5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 調(diào)節(jié)器輸入電阻 ，則 (4-25) ，取0.2 (4-26) ，取1 (4-27)(6)檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表得，=37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于這是按線性

29、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。 (4-28)當(dāng)h=5時(shí) ； (4-29)因此 (4-30)能滿足設(shè)計(jì)要求。5. 利用MATLAB建模并對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真5.1 MATLAB簡(jiǎn)要介紹MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系

30、統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、

31、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。. 構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simul

32、ink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。5.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖轉(zhuǎn)速波形圖電流波形圖1. 電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線在電流上升階段，由于電動(dòng)機(jī)機(jī)械慣性較大，不能立即啟動(dòng)。此時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)機(jī)器ASR飽和，電流調(diào)節(jié)器ACR其主要作用。轉(zhuǎn)速一直上升。當(dāng)?shù)竭_(dá)恒流升速階段時(shí)，ASR一直處于飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)的加速度為恒值，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)直

33、至給定轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)在最短時(shí)間內(nèi)完成啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，ASR的輸入偏差為0，但其輸出由于積分作用仍然保持限幅值，這是電流也保持為最大值，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，極性發(fā)生了變化，則ASR退出飽和。其輸出電壓立即從限幅值下降，住電流也隨之下降。此后，電動(dòng)機(jī)在負(fù)載的電阻力作用下減速，轉(zhuǎn)速在出現(xiàn)一些小的震蕩后很快趨于穩(wěn)定。當(dāng)突加給定負(fù)載時(shí)，由于負(fù)載加大，因此轉(zhuǎn)速有所下降，此時(shí)經(jīng)過ASR和ACR的調(diào)節(jié)作用后，轉(zhuǎn)速又恢復(fù)為先前的給定值，反映了系統(tǒng)的抗負(fù)載能力很強(qiáng)。2.電機(jī)電流曲線直流電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)機(jī)械慣性較大，不可以立即啟動(dòng)。此時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和，達(dá)到限幅值，迫使電流急速上升。當(dāng)電流值達(dá)到限幅電流時(shí)，由于電流調(diào)節(jié)器ACR的作用是電流不再增加。當(dāng)負(fù)載突然增大時(shí)，由于轉(zhuǎn)速下降，此時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR起主要作用，