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)

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)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)：*年級(jí)：*學(xué)號(hào)：*姓名：*指導(dǎo)老師：*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) 一、設(shè)計(jì)目的1、 應(yīng)用所學(xué)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)的基本知識(shí)與工程設(shè)計(jì)方法，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方案，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。2、 應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過(guò)在MATLAB軟件上建立運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行性能仿真研究，掌握系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。3、 在原理設(shè)計(jì)與仿真研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用PROTEL進(jìn)行控制系統(tǒng)的印制板的設(shè)計(jì)，為畢業(yè)設(shè)計(jì)的綜合運(yùn)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)：（ 直流電

2、動(dòng)機(jī)(3) ） 輸出功率為:5.5Kw 電樞額定電壓220V電樞額定電流 30A 額定勵(lì)磁電流1A額定勵(lì)磁電壓110V 功率因數(shù)0.85電樞電阻0.2歐姆 電樞回路電感100mH電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)1S 電樞允許過(guò)載系數(shù)=1.5額定轉(zhuǎn)速 970rpm直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)環(huán)境條件：電網(wǎng)額定電壓:380/220V; 電網(wǎng)電壓波動(dòng):10%;環(huán)境溫度:-40+40攝氏度; 環(huán)境濕度:1090%. 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)：電流超調(diào)量小于等于5%; 空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于等于30%;調(diào)速范圍D20;靜差率小于等于0.03.1、設(shè)計(jì)內(nèi)容和數(shù)據(jù)資料某直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械裝置系統(tǒng)。主電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)為：

3、,，電樞回路總電阻，機(jī)電時(shí)間常數(shù)，電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比，Ks=40，Ts=0.0017ms，電流反饋系數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，試對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。2、 技術(shù)指標(biāo)要求電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)可逆運(yùn)行。要求靜態(tài)無(wú)靜差。動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，電流超調(diào)量，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。3、 主電路方案和控制系統(tǒng)確定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。主電路采用25JPF40電力二極管不可控整流，逆變器采用帶續(xù)流二極管的功率開(kāi)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。系統(tǒng)中設(shè)

4、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(guò)電流元件的反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定電流，后者通過(guò)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)載電流原理圖如圖所示1、PWM變換器的選用PWM變換器有可逆和不可逆兩類。可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種。由于題目要求須事先電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行

5、，故本設(shè)計(jì)選用帶續(xù)流的絕緣柵雙極晶體管IGBT構(gòu)成H型雙極性控制PWM變換器。其中，電源電壓Us選用不可控電力二極管25JPF40整流提供，并采用大電容C進(jìn)行濾波。功率管開(kāi)關(guān)管應(yīng)承受2Us的電壓，為此選用FGA25N120AN絕緣柵雙極晶體管IGBT并接在功率開(kāi)關(guān)管兩端二級(jí)管用在IGBT關(guān)斷時(shí)為電樞回路提供釋放電感儲(chǔ)能的續(xù)流。FGA25N的參數(shù)：Vce=200V，Ic=15A。選用10CTF30型電力二極管，If=10A，Urm=300V。采用單相交流220V供電，變壓器二次電壓為67V，橋式整流二極管最大反向電壓大于電源的幅值的2倍，最大整流電流按2倍額定電流考慮。選25JPF40，If=2

6、5A，Urm=400V。整流橋輸出端所并接的電容作用濾除整流后的電壓紋波，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓平穩(wěn)。另外，當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)減速或停車時(shí)，貯存在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)能將由電容器吸收，所以所用的電容較大，這里選用4000uf，電壓按大于2倍電壓選擇。2、傳感器以及測(cè)速發(fā)電機(jī)的選用由于題目要求需要對(duì)電流進(jìn)行采樣，故此這里我們選用霍爾電流傳感器HNC-025A，HNC-025A傳感器所能測(cè)量的額定電流為 5A、6A、8A、 12A、25A，當(dāng)原邊導(dǎo)線經(jīng)過(guò)電流傳感器時(shí)，原邊電流 IP會(huì)產(chǎn)生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯氣隙周圍，內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾電片可產(chǎn)生和原邊磁力線成正比的，大小僅為幾毫

7、伏的感應(yīng)電壓，通過(guò)后續(xù)電子電路可把這個(gè)微小的信號(hào)轉(zhuǎn)變成副邊電流 IS，并存在以下關(guān)系式： IS* NS= IP*NP。在外環(huán)中，我們需要有速度的反饋，這里我們選用永磁式ZYS231/110型作為測(cè)速機(jī)。3、驅(qū)動(dòng)電路選用驅(qū)動(dòng)電路的作用是將控制電路輸出的PWM信號(hào)放大至足以保證IGBT可靠導(dǎo)通或關(guān)斷的程度。同時(shí)具有實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路相隔離、故障后自動(dòng)保護(hù)及延時(shí)等功能。這里我們選用上海馬克電氣公司的AST96X 系列的MAST5-2C-U12型IGBT驅(qū)動(dòng)板 ，AST96X 為單路光電耦合隔離帶短路、欠壓和過(guò)壓保護(hù)功能的 IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊； MAST 系列為 1 7 路、帶隔離電源的 IGBT

8、驅(qū)動(dòng)板，易于使用，對(duì)供電電源要求低，適用 600V 1700V 的各種不同類型 IGBT 驅(qū)動(dòng)；兩者均提供 電流源或電壓源電阻兩種驅(qū)動(dòng)方式，具有單電源供電、輸入電壓范圍寬、內(nèi)置正負(fù)電壓發(fā)生器以及電壓濾波器、內(nèi)置短路保護(hù)電路、內(nèi)置驅(qū)動(dòng)欠壓和過(guò)壓保護(hù)電路、內(nèi)置 VCE 檢測(cè)的快恢復(fù)高壓二極管、內(nèi)置光電耦合器以傳輸驅(qū)動(dòng)保護(hù)故障信號(hào)、內(nèi)置柵極過(guò)壓箝位元件等特點(diǎn)。MAST5-2C-U12是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC 之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。該產(chǎn)品為大規(guī)模集成基極驅(qū)動(dòng)電路，可對(duì)IGBT實(shí)現(xiàn)較理想的基極電流優(yōu)化驅(qū)動(dòng)和自身保護(hù)。4、調(diào)

9、節(jié)器的選擇 根據(jù)題目要求我們嘗試用P調(diào)節(jié)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，但是存在靜差，PI調(diào)節(jié)器可以進(jìn)一步提高穩(wěn)態(tài)性能，達(dá)到消除穩(wěn)態(tài)速差的地步。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器，并且這里我們采用PI調(diào)節(jié)器。5、 脈寬調(diào)制器選用脈寬調(diào)制器用于產(chǎn)生控制PWM變換器的功率器件通斷的PWM信號(hào)。常用種類有：模擬式、數(shù)字式和專用集成電路。這里選用美

10、國(guó)德克薩斯儀器公司TL494專用集成電路作為雙端輸出型脈寬調(diào)制器，其載波為鋸齒波信號(hào)，振蕩頻率，其中和取值范圍：，。四、主電路的原理該系統(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(guò)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)

11、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(kāi)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(kāi)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(guò)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。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩

12、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(shuō)， 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(kāi)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(wú)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是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)

13、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(wú)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(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖以及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E五、雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)5.1、電流環(huán)的設(shè)計(jì)1. 確

14、定時(shí)間常數(shù)脈寬調(diào)制器和PWM變換器的滯后時(shí)間常數(shù)開(kāi)關(guān)周期。 脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)為于是可得脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)為電流濾波時(shí)間常數(shù)取。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)。2. 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，而且，因此可按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為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)?？梢?jiàn)均滿足要求。5. 計(jì)算ACR的電阻和電容取，則 取 取 取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為，故滿足設(shè)計(jì)要求。5.2、 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。取轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。2. ASR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)穩(wěn)

15、態(tài)無(wú)靜態(tài)及其他動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求，按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)，ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3. 選擇ASR參數(shù)取，則則 4. 校驗(yàn)近似條件要求，現(xiàn)。要求，現(xiàn)。5. 計(jì)算ASR電阻和電容取，則 取 取 取6. 校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)時(shí)，而,因此 可見(jiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足要求。7. 校驗(yàn)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間可見(jiàn)能滿足設(shè)計(jì)要求。5.3、負(fù)反饋單元1. 轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置選擇測(cè)速發(fā)電機(jī)參數(shù)永磁式ZYS231/110型，額定數(shù)據(jù)為,。測(cè)速反饋電位器的選擇考慮測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定值的，這樣，測(cè)速發(fā)電機(jī)電樞壓降對(duì)檢測(cè)信號(hào)的線性度影響較小。測(cè)速發(fā)電機(jī)工作最高電壓測(cè)速反饋電位器阻值此時(shí)所消耗

16、的功率為為了使電位器溫度不要提高，實(shí)選瓦數(shù)應(yīng)為消耗功率的一倍以上，故選為，取。6、 系統(tǒng)的MATLAB仿真 6.1、系統(tǒng)仿真模型 6.2、仿真輸出波形曲線圖六、系統(tǒng)部分電氣原理圖：七、設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)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)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有了較深刻的認(rèn)識(shí)。在學(xué)習(xí)本科目時(shí)首先感覺(jué)內(nèi)容很多，而且有些理解很抽象，所以在做作業(yè)以及設(shè)計(jì)的時(shí)候遇到比較大的阻礙。因?yàn)閯倓偨Y(jié)束直流的考試，在之前的復(fù)習(xí)下來(lái)，總算對(duì)直流調(diào)速有個(gè)系統(tǒng)的概念。在老師發(fā)給我們?cè)O(shè)計(jì)材料的時(shí)候，看到了原理圖簡(jiǎn)直就蒙住了，這個(gè)設(shè)計(jì)比以往的作業(yè)還是實(shí)驗(yàn)都復(fù)雜，同時(shí)難度也加大。通過(guò)看課本，以及去圖書館找資料慢慢看出了些

17、眉頭后，通過(guò)請(qǐng)教老師和師兄把部分不懂的細(xì)節(jié)弄清了。完成這個(gè)艱難的第一步后，對(duì)整個(gè)題目解析宏觀的把握，對(duì)解題方法也有了大致思路。第二步就是詳細(xì)分析，計(jì)算線路參數(shù)作出原理框圖，這一步相對(duì)進(jìn)行的比較順利。接下來(lái)就是理清思路認(rèn)真做潮流計(jì)算，在做潮流計(jì)算的時(shí)候由于計(jì)算量比較大，線路參數(shù)比較多，所花的時(shí)間很多，而且要保證正確率。完成整個(gè)計(jì)算后，面臨這一個(gè)更艱巨的任務(wù)，就是仿真：這一步進(jìn)行的異常艱難，寸步難行，因?yàn)槲覀儧](méi)有開(kāi)設(shè)matable軟件，從來(lái)沒(méi)有接觸這軟件。后面通過(guò)自學(xué)軟件實(shí)行仿真，終于完成調(diào)試。在本次的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，我重新了認(rèn)識(shí)到，我們對(duì)掌握的知識(shí)還不扎實(shí)。在考完之后或是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間我們就對(duì)前面學(xué)過(guò)的知識(shí)沒(méi)有印像了，這主要是因?yàn)闆](méi)有理解性學(xué)習(xí)。所以，在以后的學(xué)習(xí)中，一定要學(xué)的扎實(shí)，學(xué)的牢靠，并