電力拖動運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)正文

1、1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù)初始條件：1. 直流電機(jī)參數(shù)：PN=3KV，UN=220V,IN=17AnN=1500r/min,Ra=0.2Q,勵磁：它勵，勵磁電壓220V2. 進(jìn)線交流電源：三相380V性能指標(biāo)：系統(tǒng)可逆，轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)無靜差要求完成的主要任務(wù)：1. 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)2. 集成脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì)（如3524）驅(qū)動電路設(shè)計(jì)（如IR2110）3. PWM主電路設(shè)計(jì)1.2設(shè)計(jì)要求課程設(shè)計(jì)說明書應(yīng)嚴(yán)格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，堅(jiān)決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象。滿足如下要求：1. 對系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的先進(jìn)性、實(shí)用性和可行性進(jìn)行論證，說明系統(tǒng)工作原理。2. 畫出單元電

2、路圖，說明工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算過程。3. 畫出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標(biāo)準(zhǔn)。4. 可逆運(yùn)行，轉(zhuǎn)速和電流穩(wěn)態(tài)無差轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10%、電流超調(diào)量不超過5%。2任務(wù)分析2.1概述轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。本設(shè)計(jì)是以直流PW控制調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR以及電流調(diào)節(jié)器ACF并用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行校

3、正，對反饋信號進(jìn)行采集，處理起到無靜差效果。用25LJPF40電力二極管進(jìn)行整流，以及濾波，通過驅(qū)動電路的作用將控制電路輸出的PWM信號得到IGBT可靠的導(dǎo)通和關(guān)斷，并用霍爾傳感器對電流取樣進(jìn)而反饋至電流調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)同時設(shè)有過流保護(hù)，為此達(dá)到雙閉環(huán)可逆調(diào)速。2.2方案設(shè)計(jì)該方案主要由給定環(huán)節(jié)、ASRACR觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測環(huán)節(jié)以及電流檢測環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器ACF和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR電流調(diào)節(jié)器ACF和電流檢測反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)

4、速環(huán)為外環(huán)。在電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當(dāng)做ACR的輸入，再由ACR得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都米用具有輸入輸出限幅功能的PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。該方案的原理框圖如下圖所示。圖1原理框圖2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括兩個方面的設(shè)計(jì)：電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)、速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。這兩個部分構(gòu)成了調(diào)速系統(tǒng)，完成了所需設(shè)計(jì)的任務(wù)要求。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套連接，如圖所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸

5、入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如上圖所示。圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR勺輸出限幅電壓U*im決定后了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR勺輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。2

6、.4調(diào)速系統(tǒng)原理分析從靜特性方面分析：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載小于Idm表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時轉(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時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時電流調(diào)節(jié)器起主要作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。從動態(tài)性能方面分析：啟動階段充分利用電動機(jī)的過載能力，保證了啟動的快速性。進(jìn)入正常運(yùn)行后，兩個調(diào)節(jié)器相互配合，使系統(tǒng)具有很好的抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動。綜上所述，電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下：電流調(diào)節(jié)器作用：(1) 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊A跟隨其給定電壓：(即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量)變化。(2) 對

7、電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。(3) 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。(4) 當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用：(1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓I變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。(2) 對負(fù)載變化起抗擾作用。(3) 其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。3電路設(shè)計(jì)3.1電流調(diào)節(jié)器及反饋電路的設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓(即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量)變化。對電網(wǎng)電壓的

8、波動起及時抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。由于電流檢測信號中常常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，氣濾波時間常數(shù)Toi按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加上一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器及其反饋電路的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速反饋電路如3所示，由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時間常數(shù)Ton=0.012S

9、。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖3轉(zhuǎn)速反饋電路轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)主要作用是將測速發(fā)電機(jī)輸出的電壓進(jìn)行濾波，濾除交流分量并變換為能滿足系統(tǒng)需要的與電動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的電壓作為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速反饋信號，另外還備有轉(zhuǎn)速的檢測信號。3.3集成脈寬調(diào)制電路PWM成電路如圖4所示，SG3524生成的PWM信號經(jīng)過一個非門轉(zhuǎn)為兩路相反的PWMS號，為了確保上下兩橋臂不會直通發(fā)生事故，中間加入電容C1、C2進(jìn)行邏輯延時，后面再加上非門和與門構(gòu)成的板胡電路。Vss本設(shè)計(jì)采用集成脈寬調(diào)制器SG3524乍為脈沖信號發(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)腞t、Ct值

10、即可確定振蕩頻率。由初始條件知開關(guān)頻率為10kHz,可以選擇R=122、G=0.01uF。電路中的PWMH號由集成芯片SG352鏟生，SG3524可為脈寬調(diào)制式推挽、橋式、單端及串聯(lián)型SMPS固定頻率開關(guān)電源）提供全部控制電路系統(tǒng)的控制單元。由它構(gòu)成的PW型開關(guān)電源的工作頻率可達(dá)100kHz,適宜構(gòu)100-500W中功率推挽輸出式開關(guān)電源。SG3524采用是定頻PWNfe路QIP-16型封裝。由SG3524構(gòu)成的基本電路如圖5所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產(chǎn)生+5V基準(zhǔn)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

11、+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)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)。SG3524勺基準(zhǔn)源屬于常規(guī)的串聯(lián)式線性直流穩(wěn)壓電源，它向集成塊內(nèi)部的斜波發(fā)生器、PWM匕較器、T型觸發(fā)器等以及通過16腳向外均提供+5V的工作電壓和基準(zhǔn)電壓,振蕩器先產(chǎn)生的連續(xù)不對稱鋸齒波電壓Vj,再變換成矩形波電壓,送至觸發(fā)器、或非門,并由3腳輸出。振蕩器頻率由SG3524勺6腳、7腳外接電容器CT和外接電阻器RT決定，其值為:f=1.15/RTCT?？紤]到對CT的充電電流為一般為30卩A-2mA）,因此RT的取值范圍為1.8kQ10

12、0kQ,CT為0.001卩F0.1卩F,其最高振蕩頻率為300kHz。開關(guān)電源輸出電壓經(jīng)取樣后接至誤差放大器的反相輸入端，與同相端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后，產(chǎn)生誤差電壓Vr,送至PWM匕較器的一個輸入端,另一個則接鋸齒波電壓,由此可控制PWM比較器輸出的脈寬調(diào)制信號。3.4驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)如圖6所示如圖6所示NCVDD.HIN匚SD匸LIN匚VSS匸NC匚IGBT驅(qū)動采用了集成芯片IR2110,IR2110采用14端DIP封裝，引出端排列 HOUBnUs3Nc3Vcc COM2LO圖6IR2110管腳圖它的各引腳功能如下:腳1（LO是低端通道輸出；腳2（COM是公共端；腳3（Vss）是低端固定電源電

13、壓；腳5（Us）是高端浮置電源偏移電壓；腳6（Ub）是高端浮置電源電壓；腳7（HO是高端輸出；腳9（Sd）是邏輯電路電源電壓；腳10（HIN）、腳11（SD、腳12（LIN）均是邏輯輸入；腳13（Vss）是邏輯電路地電位端外加電源電壓，其值可以為0V;腳4、腳8、腳14均為空端。IGBT驅(qū)動電路如圖7所示0IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMO工藝制作，具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)的CMO輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達(dá)500V,du/dt=±50V/ns，在15V下的靜態(tài)功耗僅有1.6mV；輸出的柵極驅(qū)動電壓范圍為1020V,邏輯電源電壓范圍為51

14、5V,邏輯電源地電壓偏移范圍為5V+5VoIR2110采用CMO施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。推挽式驅(qū)動輸出峰值電流2A,負(fù)載為1000pF時，開關(guān)時間典型值為25ns。兩路匹配傳輸導(dǎo)通延時為120ns,關(guān)斷延時為94ns。IR2110的腳10可以承受2A的反向電流ABCABC圖7IGBT驅(qū)動電路3.5PWM主電路設(shè)計(jì)橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖8所示。PWM變換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C6濾波，以獲得恒定的直流電壓Us。由于電容容量較大，突加電源時相當(dāng)于短路，勢必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管，為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之

15、間傳入電阻Rz,合上電源后，用延時開關(guān)將Rz短路，以免在運(yùn)行中造成附加損耗。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機(jī)制動時只好對濾波電容充電，這式電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rx消耗掉這些能量，在泵升電壓達(dá)到允許值時接通VTo圖8橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路4.調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定4.1電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算根據(jù)電動機(jī)的額定參數(shù)計(jì)算電動勢系數(shù)，額定狀態(tài)運(yùn)行時Un=INRaCenN于是可得CeCe220-170.20.144V*min/r1500電流反饋系數(shù)匕=1CV/1.5In：0.39V/API調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)無凈差要求，

16、選用先確定電流環(huán)時間常數(shù)電流濾波時間常數(shù)人=0.002sPW碉壓系統(tǒng)的滯后時間Ts=0.0001s電流環(huán)小時間常數(shù)之和，按小時間常數(shù)近似處理，取TTsToi=0.0021s調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)Wacr(s)*Wacr(s)*jS1is式中Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。ACR超前時間常數(shù).j=T|=0.03s電流開環(huán)增益：因要求二i豈5%，故應(yīng)取KIT0.5，因此式中Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。ACR超前時間常數(shù).j=T|=0.03s電流開環(huán)增益：因要求二i豈5%，故應(yīng)取KIT0.5，因此KiKi0.5_0.5T.0.0021H238.1S-1于是

17、ACR勺比例系數(shù)為于是ACR勺比例系數(shù)為iRaKsiRaKs=238.10.3940-0.09計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)調(diào)節(jié)器原理圖如圖13所示按所用運(yùn)算放大器，取Ro=40k各電阻和電容值計(jì)算如下：R=Kj民=0.0940=3.6k；：3G/R=(0.03/3.6)10=8.33F3Coi=4Toi/農(nóng)=(40.002/40)10=0.20F4.2電流參數(shù)的校驗(yàn)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)調(diào)節(jié)器原理圖如圖13所示按所用運(yùn)算放大器，取Ro=40k各電阻和電容值計(jì)算如下：R=Kj民=0.0940=3.6k；：3G/R=(0.03/3.6)10=8.33F3Coi=4Toi/農(nóng)=(40.002/40)1

18、0=0.20F4.2電流參數(shù)的校驗(yàn)校驗(yàn)近似條件：電流環(huán)截止頻率-cKi=238.1sJ校驗(yàn)PW調(diào)壓系統(tǒng)傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足匕乞3TS因?yàn)?3333.33ci，所以滿足近似條件校驗(yàn)忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是否滿足現(xiàn)在，滿足近似條件校驗(yàn)小時間常數(shù)近似處理是否滿足條件-c11。TsTOi現(xiàn)在11=1、1=745.36s)ci，滿足近似條件3*硏30.00019002按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動態(tài)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和近似條件4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):=107/nN=0.0067Vmin/r首先確定轉(zhuǎn)速環(huán)時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)2T.j=0.0042s轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton，根據(jù)

19、測速發(fā)電機(jī)的紋波情況取To0.01s；轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)T.n，按小時間常數(shù)盡速處理取=2TX.Ton仁0.0142s根據(jù)設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該設(shè)計(jì)為典型U型系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器也采用PI型，其傳遞函數(shù)為WASR(S)=KnnS1nS根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取h=5則ASRg前時間常數(shù)=hTn=590142=0.071s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KnKn62=595.122250.0142于是ASM比例系數(shù)為KnKn(h1)GTm2hRaKn=177.1調(diào)節(jié)器原理圖如圖13所示，按所用運(yùn)算放大器，取尺=40各電阻和電容值計(jì)算如下：尺二心尺=177.140=7084k3Cn=n/Rn=(0.071/7084)

20、10=0.0VlF3Con=4T°n/Ro=(40.01/40)10=F4.4轉(zhuǎn)速參數(shù)的校驗(yàn)校驗(yàn)近似條件：轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率&二Knn=42.25s，校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足現(xiàn)在5T程侮活.、，滿足簡化條件校驗(yàn)小時間常數(shù)近似處理是否滿足-'cn0現(xiàn)在11302T°nT實(shí)i11320.010.0021=51.43,cn，滿足近似條件5總結(jié)與體會這次課程設(shè)計(jì)歷時一周，在整整一個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)我感受頗多。在正式進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，我參考了一些網(wǎng)上的資料，通過對這些設(shè)計(jì)方案來開拓自己的思路，最后終于有了自己的思路。課程設(shè)計(jì)是實(shí)踐課的一種，在很大程度上實(shí)現(xiàn)了動手與動腦，理論與實(shí)際的相互結(jié)合，既是對工業(yè)環(huán)境的一個簡單縮影，又是對理論知識的一種檢驗(yàn)，很好地實(shí)現(xiàn)了從書本到實(shí)際操作的一個過渡。課程設(shè)計(jì)不僅是對前面所學(xué)電力電