直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設計

））））））））雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計電氣與控制工程））））））））））））））已知參數(shù)：某轉速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的已知參數(shù)為：（1）電動機參數(shù)：P3kW，Inom17.5A,nnom1500r/min，nomUnom220V,Ra1.2，GD20.4kg.m2；（2）功率放大器：放大倍數(shù)Ks25，Rrec0.3，Ts0.001s；（）其它參數(shù)：電樞回路總電感L60mH,最大允許電流Idb12Inom，ASR3和ACR的輸出限幅值均為5V,最大轉速給定電壓Unom5,電流反饋濾波時V間常數(shù)為Toi0.001S，轉速反饋濾波時間常數(shù)為Ton0.005s。設計指標：電流超調(diào)量 i 5%,轉速無靜差，空載起動到額定轉速時的轉速超調(diào)量10%,過度過程時間ts0.5s。一、電流調(diào)節(jié)器設計（一）參數(shù)計算1）確定時間常數(shù)Ts0.001s電流濾波時間常數(shù)Toi0.001s電流環(huán)小時間常數(shù)之和TiTsToi0.002s電磁時間常數(shù)L0.060.04sTl1.2R0.3（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結構根據(jù)設計要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，按典型I型系統(tǒng)設計，采用Ki(iS 1)PI型電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)形式如： WACR(S)iS（3）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)））））））））））））））電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：iTl0.04s電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%，按表3-1，應取KITi0.5，因此KI0.50.5s250s-1Ti0.002電流反饋系數(shù)為U*50.14vIdL217.5于是，ACR的比例系數(shù)為KiKIiRa2500.041.23.43KS250.14Ki(iS1)（）電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為WACR(S)3.430.02S1iS0.02S4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：ciKI250s-11）校驗晶閘管整流裝置換地函數(shù)的近似條件131s-1333.3s-1ci滿足近似條件3TS0.0012）校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件1111s-1333.3s-1ci滿足近似條件3TsToi30.0010.001（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)運算放大器的電路原理，選 R0 40KΩ，各電阻和電容值計算如下RiKiR03.4340kΩ137.2kΩCii0.041FRi40103Coi4Toi40.040.4FR040103按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為i 4.3% 5% 滿足設計要求））））））））））））））含給定濾波和反饋濾波的 PI型電流調(diào)節(jié)器（二）仿真模型（三）仿真結果））））））））））））））二、轉速調(diào)節(jié)器設計（一）參數(shù)計算1（1）確定時間常數(shù) 2Ti 2 0.002s 0.004sKI轉速濾波時間常數(shù)Ton 0.005s1轉速環(huán)小時間常數(shù) Tn Ton 0.004 0.005 0.009sKI2）選擇轉速調(diào)節(jié)器結構按照設計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為K（ S 1）n nWASR(S)S3）計算轉速調(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的超前時間常數(shù)為hTn50.009s0.045s轉速環(huán)開環(huán)增益為））））））））））））））h16-2-2KN2h2Tn22520.0092s1481sASR的比例系數(shù)為（h1）CeTm60.140.0132.7Kn2h2Tn22250.0092其中，Un*50.003Vmin/rn01500CeUIdR220-17.51.20.133Vmin/rn1500CeTmGD2R41.50.013375Cm30375CeGD20.4kgm24Nm2轉速調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為K（nnS1）2.7(0.045S1)WASR(S)nS0.045S（4）檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為cnKNn14810.04566.65s-11）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件1KI1250117.9cn滿足近似條件3Ti30.0022）轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件1KI125074.5cn滿足近似條件3Ton30.0053）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容））））））））））））））含給定濾波與反饋濾波的 PI型轉速調(diào)節(jié)器取R040KΩ，則RnKnR02.740KΩ108KΩ取100KΩCnn0.0450.45F取0.5FRn100103Con4Ton40.0055F取5FR040103（二）仿真模型））））））））））））））（三）仿真結果三、系統(tǒng)硬件設計（一）原理圖））））））））））））））（二）整流電路整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?。本設計采用三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖所示，陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。這種整流電路的輸出電壓一周期脈動6次，每次脈動的波形完全相同，故該電路為6脈動整流電路。（三）PWM變換器脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。直流電動機PWM控制系統(tǒng)分為不可逆和可逆系統(tǒng)。不可逆系統(tǒng)是指電動機只能單向旋轉；可逆系統(tǒng)是指電動機可以正反兩個方向旋轉。對于可逆系統(tǒng)，又可以分為單極性驅動和雙極性驅動兩種方式。單極性驅動是指在一個PWM周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是單一極性的；雙極性驅動是指在一個PWM周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是正負交替的。本設計采用雙極性驅動可逆 PWM變換器。如圖是H型雙極性可逆PWM變換器原理圖。它包含有4個IGBT管和4個續(xù)流二極管。4個IGBT管分成兩組，VT1，VT4為一組；VT2，VT3為另一組。同一組的IGBT管同時導通或截止，不同組的IGBT管的導通與截止是不相同的。））））））））））））））（四）泵升限制電路當脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機轉速由高變低時（減速或者停車） ，儲存在電動機和負載轉動部分的動能將會變成電能，并通過雙極式可逆PWM變換器回送給直流電源。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回送電能，電機制動時只好給濾波電容充電，從而使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。過高的泵升電壓會損壞元器件，所以必須采取預防措施，防止過高的泵升電壓出現(xiàn)?？梢圆捎糜煞至麟娮鑂和開關元件（電力電子器件）VT組成的泵升電壓限制電路，如圖所示。當濾波電容器C兩端的電壓超過規(guī)定的泵升電壓允許數(shù)值時，VT導通，將回饋能量的一部分消耗在分流電阻R上。在本設計中泵升電路電解電容選取C=2200μF；電壓U=450V；VT選取IRGPC50U型號的IGBT管；電阻選取R=20Ω。））））））））））））））（五）按鍵電路獨立式按鍵電路如圖所示，這種獨立式按鍵電路所需器件比較少、軟件編程結構比較簡單，在此電路中，按鍵輸入都采用低電平有效，上拉電阻的接入保證了冷按鍵斷開時，I/O口線上有確定的高電平。通過軟件編程實現(xiàn)如下功能：當按下1鍵時，電動機啟動；當按下2鍵時，電動機正轉；當按下3鍵時，電動機反轉；當按下4鍵時，電動機停止；當按下5鍵時，電動機加速；當按下6鍵時，電動機減速。））））））））））））））四、直流調(diào)速原理電流檢測UiUn*U速度Ui*-電流Uc三相集成三相Ud直流+給定電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器觸發(fā)器全控橋電動機-Un轉速檢測

n雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構E(S)sIdL(S))-(-Un*(S)1+Ui*(S)1++d1n（s）kS1/RIRASRoiACRTS1Tl1+mCeTonS1TS1TS--Un(s)Ui（s）電流環(huán)ToiS1TonS1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動機及轉速、電流檢測裝置組成。兩個調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出限幅電壓Um*決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除））））））））））））））非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退保和。為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不要進入飽和狀態(tài)。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉速,故把轉速負反饋組成的環(huán)作為外環(huán),以保證電動機的轉速準確跟隨給定電壓,把由電流負反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán),把轉速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT的控制電壓Uc來移動脈沖的相位，即可改變平均整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。四、系統(tǒng)軟件設計（一）主程序開始系統(tǒng)初始化有按鍵按下嗎？按鍵處理刷新顯示數(shù)據(jù)通信））））））））））））））（二）子程序的初始化設計設定定時器、PWM、A/D轉換工作方式設定I/O、通信接口及鍵盤工作方式參數(shù)及變量初始化返回初始化子程序框圖（三）中斷服務子程序設計中斷服務子程序包括故障檢測、 PWM生成、狀態(tài)檢測和數(shù)字 PI調(diào)節(jié)等，這些都是實時性比較強的功能。當相應的中斷源提出申請， CPU就可以實時響應。轉速調(diào)節(jié)中斷服務子程序框圖如圖 4-3所示。在轉速調(diào)節(jié)中斷服務子程序中， 首先應保護現(xiàn)場，然后再由輸入量計算實際的