雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)習(xí)報(bào)告題目雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)系（部）完成時(shí)間目錄TOC\o"1-5"\h\z1課程設(shè)計(jì)任務(wù):3初始條件及要求41.2設(shè)計(jì)任務(wù)42方案確定42.1方案選定42.1.2橋式可逆PWM變換器的工作原理62.1.3系統(tǒng)控制電路圖82.1.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析92.1.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖10硬件電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇11硬件電路設(shè)計(jì)113.1.1整流變壓器選擇：113.1.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR電路123.1.3電流調(diào)節(jié)器ACR電路123.1.4PWM脈寬控制電路.33.2系統(tǒng)參數(shù)的選取153.2.1PWM變換器滯后時(shí)間常數(shù)Ts.153.2.2電流濾波時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù).153.2.3反饋系數(shù)的確定.153.2.4電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì)153.2.5速度調(diào)節(jié)器ASR設(shè)計(jì).84采用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真?214.1原理框圖設(shè)計(jì)214.1.1電流環(huán)原理圖214.1.2轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖214.1.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖224.2仿真結(jié)果234.2.1電流環(huán)仿真結(jié)果234.2.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果24

4.2.3轉(zhuǎn)速環(huán)抗負(fù)載擾動(dòng)仿真結(jié)果244.3仿真結(jié)果分析255設(shè)計(jì)心得體會(huì)25參考文獻(xiàn)26附錄：系統(tǒng)總電路原理圖27摘要本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實(shí)現(xiàn)。對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。采用MATLAB軟件中的控制工具箱對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)是否可行.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能好、使用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)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(wú)靜差。本設(shè)計(jì)是以直流PWM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ACR并用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正，對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行采集，處理起到無(wú)靜差效果。用二極管進(jìn)行整流，以及濾波，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的作用得到可靠的導(dǎo)通和關(guān)斷，并用霍爾傳感器對(duì)電流取樣進(jìn)而反饋至電流調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)同時(shí)設(shè)有過(guò)流保護(hù)，為此達(dá)到雙閉環(huán)直流調(diào)速。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)直流調(diào)速PWMMATLAB1課程設(shè)計(jì)任務(wù):（1）雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)工作原理，進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。分析設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)框圖，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。（2）雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)框圖和任務(wù)分解結(jié)果，進(jìn)行典型環(huán)節(jié)和模塊電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速電流環(huán)電路，觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)控制電路的選型設(shè)計(jì)（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)器電路均可），控制主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器和保護(hù)電路等），檢測(cè)及給定電路。（3）控制系統(tǒng)各單元參數(shù)測(cè)試和計(jì)算測(cè)出各環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)及時(shí)間常數(shù)，在確定調(diào)速范圍D=10時(shí)比較開(kāi)環(huán)、單環(huán)和雙環(huán)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。（4）PID控制算法的確定以仿真結(jié)果或?qū)嶒?yàn)結(jié)果為根本依據(jù)，結(jié)合理論，確定合理的PID控制策略和控制參數(shù)。（5）MATLAB仿真驗(yàn)證利用MATLAB下的SIMULINK軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，同時(shí)將結(jié)果在示波器上顯示出來(lái)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。1.1初始條件及要求由課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給出的初始條件:

直流電動(dòng)機(jī)：U=750V,I=760A,n=375r/min，允許過(guò)載倍數(shù)九=1.5；TOC\o"1-5"\h\zNNN時(shí)間常數(shù)：T=0.031S,T=0.112SPWM環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)：K=75LmS電樞回路總電阻：R=0.140,調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓：U*二U*二10Vnmim穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：在負(fù)載和電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)下穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量b5%,空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量b<10%in1?2設(shè)計(jì)任務(wù)1）系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)2）電流環(huán)的設(shè)計(jì)3）速度環(huán)的設(shè)計(jì)4）繪制系統(tǒng)的主電路圖根據(jù)任務(wù)要求可知本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)的PWM調(diào)速系統(tǒng)。完成整個(gè)系統(tǒng)電路需要分為五大模塊電路設(shè)計(jì)，它們分別為：ASR及其反饋電路設(shè)計(jì)、ACR及其反饋電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、PWM產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)和反饋檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。2方案確定2?1方案選定直流雙閉環(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)器和電流調(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?？傮w方案簡(jiǎn)化圖如圖1所示。IdIdUn*Un*圖1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對(duì)成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對(duì)生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時(shí)也兼顧了啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在啟動(dòng)過(guò)程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最佳過(guò)渡過(guò)程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。圖2直流PWM傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖直流PWM控制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，和晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別在于用直流PWM變換器取代了晶閘管變流裝置，作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖2所示。其中屬于脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)主要由調(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和電力晶體管基極的驅(qū)動(dòng)器GD和脈寬調(diào)制（PWM）變換器組成，最關(guān)鍵的部件為脈寬調(diào)制器。如圖3所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。

@)帶電流截止負(fù)反饋的單閉壞調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程(b)理想快速起動(dòng)過(guò)程圖3調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形2.1.2橋式可逆PWM變換器的工作原理脈寬調(diào)制器的作用是：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，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。橋式可逆PWM變換器電路如圖4所示。這是電動(dòng)機(jī)M兩端電壓〃"的極性隨開(kāi)關(guān)器件AB驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。UsUs圖4橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖5所示。

OttonTr圖5PWM變換器的驅(qū)動(dòng)電壓波形他們的關(guān)系是：U—U—~U—~U。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0<t<t時(shí)，晶g1g4g2g3on體管VT、VT飽和導(dǎo)通而VT、VT截止，這時(shí)U二U。當(dāng)t<t<T時(shí)，VT、VT截1432ABson14止，但VT、VT不能立即導(dǎo)通，電樞電流i經(jīng)VD、VD續(xù)流，這時(shí)U=-U。U在32d23ABsAB一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，t>T，則U的平on2AB均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，t=T，平均輸on2出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為==7Us-tU如果定義占空比P=T，電壓系數(shù)丫=寸s則在雙極式可逆變換器中Y=2P-1——1調(diào)速時(shí)，p的可調(diào)范圍為0?1相應(yīng)的丫二-1~+1。當(dāng)P>2時(shí)，Y為正，電動(dòng)機(jī)正11c轉(zhuǎn)；當(dāng)p<2時(shí)，丫為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)p二2時(shí)，丫二0，電動(dòng)機(jī)停止。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動(dòng)機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：1）電流一定連續(xù)。2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行。3）電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4）低速平穩(wěn)性好，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。控制電路如下所示。主要組成部分有信號(hào)設(shè)定（頻率給定、給定積分器）、正弦參考信號(hào)幅值和頻率控制電路（絕對(duì)值運(yùn)算器、壓控振蕩器、函數(shù)發(fā)生器、極性鑒別器）、PWM波發(fā)生器（三相正弦波發(fā)生器、鎖相環(huán)、三相波載波發(fā)生器、比較器）及和主電路相隔離的電壓/電流檢測(cè)回路、驅(qū)動(dòng)回路及保護(hù)回路。2.1.3系統(tǒng)控制電路圖控制電路如下所示。主要組成部分有信號(hào)設(shè)定（頻率給定、給定積分器）、正弦參考信號(hào)幅值和頻率控制電路（絕對(duì)值運(yùn)算器、壓控振蕩器、函數(shù)發(fā)生器、極性鑒別器）、PWM波發(fā)生器（三相正弦波發(fā)生器、鎖相環(huán)、三相波載波發(fā)生器、比較器）及和主電路相隔離的電壓/電流檢測(cè)回路、驅(qū)動(dòng)回路及保護(hù)回路

0?7王曲克戶信號(hào)通用型PWM變頻器原理圖框圖二角汝陵生器(Pl1)比狡祥-*1*nr藥AU1比0?7王曲克戶信號(hào)通用型PWM變頻器原理圖框圖二角汝陵生器(Pl1)比狡祥-*1*nr藥AU1比?二相訃弦茨氏生壽犒出電路射功器/VW<ZiAW)2.1.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析由于采用了脈寬調(diào)制，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡(jiǎn)單，電壓平衡方程如下diU二Ri+Lj+E(0<t<t)TOC\o"1-5"\h\zsddton?.diU—Ri+L——d+E(t<t<T)sddton按電壓平衡方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式，電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的電壓都是U—U，平均電流用I表示，平均轉(zhuǎn)速n—E/C，而電樞電感壓降

dsde”diL-d的平均值在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫(xiě)成dt丫U—RI+E—RI+Cnsdde

則機(jī)械特性方程式則機(jī)械特性方程式RT=n-I0RT=n-I0Cden=s-ICCdee2?1?5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖首先要畫(huà)出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和一一輸出達(dá)到限幅值；不飽和一—輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)和使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是為零。圖6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖實(shí)際上，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)器飽和和不飽和兩種情況。為了獲得近似理想的過(guò)度過(guò)程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速和輔助被調(diào)量電流分開(kāi)加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。所以本文選擇方案二作為設(shè)計(jì)的最終方案。圖7為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理.

電疣檢測(cè)TA圖7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖3硬件電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇3?1硬件電路設(shè)計(jì)3.1.1整流變壓器選擇:a）計(jì)算變壓器二次側(cè)電壓U2：U二（1.1?1.2）U/AsB2dN其中A為理想情況下J=0。時(shí)整流電壓Ud0和二次側(cè)電壓U2的比值，這個(gè)值對(duì)于三相全波整流電路來(lái)說(shuō)等于2.34；E為考慮電源電壓波動(dòng)引入的系數(shù)，一般可取0.9~0.95；B為移相角為a時(shí)輸出電壓U和U之比，即B=cosa，計(jì)算時(shí)可取Q=10。dd0b）計(jì)算變壓器二次側(cè)電流12：I二0.81612Nc）計(jì)算變壓器視在功率S=3UIN22d）變壓器一次側(cè)電壓由供電電源決定，一般為U=220V,—次側(cè)電流I=S/UN12.晶閘管選擇（或二極管選擇）a）晶閘管（二極管）額定電壓計(jì)算：承受的最大正、反向電壓為U=42^/3U，晶閘管額定電壓可取為（2-3）U。T2T

b）晶閘管（二極管）額定電流計(jì)算晶閘管的通態(tài)平均電流I=0.3681，晶閘管額定電流取為（1.5-2）I。TdmTc）三相全橋晶閘管整流器放大倍數(shù)計(jì)算U二2.34U為電機(jī)最大電樞電壓。d02K二U/U，U為晶閘管觸發(fā)裝置控制電壓最大值。sd0ctmct3?1?2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR電路設(shè)計(jì)中采用運(yùn)算放大器TL082作為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路，如圖8所示，給定電壓由正負(fù)10V電源加在兩個(gè)電位器上構(gòu)成，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R11、R22即可調(diào)節(jié)給定電壓的大小，在經(jīng)過(guò)電壓跟隨器加到速度調(diào)節(jié)器上。圖中穩(wěn)壓二極管D3、D4配合構(gòu)成限幅器限制ASR輸出的最大電壓，保證了系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中電機(jī)能夠在最大轉(zhuǎn)矩下安全的恒流啟動(dòng)。實(shí)現(xiàn)飽和非線性控制。圖8轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR電路3.1.3電流調(diào)節(jié)器ACR電路電流環(huán)調(diào)節(jié)器硬件電路是如圖9所示的PI調(diào)節(jié)器。同速度調(diào)節(jié)器，D1、D2構(gòu)成限幅電路，當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起到堵轉(zhuǎn)以及過(guò)流保護(hù)作用。ASR的輸出作為給定信號(hào)加在U*端，反饋的電流信號(hào)加在UiF端。i

圖9電流調(diào)節(jié)器ACR電路電流檢測(cè)部分采用霍爾傳感器檢測(cè)出主回路中的電流，送入電流調(diào)節(jié)器的電流反饋輸入端。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R20即可調(diào)節(jié)的值到適當(dāng)?shù)拇笮　ｋ娏鳈z測(cè)電路如圖10所示。圖10電流檢測(cè)電路3.1.4PWM脈寬控制電路如圖21所示為PWM脈寬控制電路，控制電壓Uc控制SG3524輸出兩路帶死區(qū)互補(bǔ)的PWM波，通過(guò)控制電壓Uc的大小控制占空比的大小。然后一路PWM波連接U5的HIN和U7的LIN，另一路PWM波其通過(guò)SN74LS04反相連接U7的LIN和U5的HIN，這樣就共同通過(guò)一片SG3524驅(qū)動(dòng)兩路半橋電路，實(shí)現(xiàn)全橋驅(qū)動(dòng)。

圖11PWM脈寬控制電路SG3524介紹和電路參數(shù)設(shè)定如下：SG3524的基準(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比較器、T型觸發(fā)器等以及通過(guò)16腳向外均提供+5V的工作電壓，基準(zhǔn)電壓振蕩器先產(chǎn)生0.6V-3.5V的連續(xù)不對(duì)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(mén)，并由3腳輸出。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MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率，選擇適當(dāng)?shù)腞T、CT值即可確定振蕩頻率。振蕩器頻率由SG3524的6腳、7腳外接電容器CT和外接電阻器RT決定，其為:f=1.15/RTCT。由初始條件知，開(kāi)關(guān)頻率為10kHz，可以選擇RT=12kQ，CT=0.01uF。兩路輸出單獨(dú)使用時(shí)，輸出脈沖占空比為0%~45%，脈沖頻率為振蕩頻率的一半。兩路輸出并聯(lián)使用才能使輸出脈沖占空比為0%~90%，脈沖頻率為振蕩頻率。IR2110介紹和電路參數(shù)設(shè)定如下：MOSFET驅(qū)動(dòng)采用了集成芯片IR2110，IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入和標(biāo)準(zhǔn)的CMOS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1.6mW；輸出的柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為10?20V，邏輯電源電壓范圍為5?15V,邏輯電源地電壓偏移范圍為一5V?+5V。IR2110采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。因SG3524振蕩頻率為10KHz,電容C35和C45大小取luF。且為了防止IR2110驅(qū)動(dòng)的半橋直通，反相器需有一定的時(shí)間裕量，保證同一路IR2110兩互補(bǔ)信號(hào)有死區(qū)，在這里用SN74LS14構(gòu)成的反相器可以滿足要求

3.2系統(tǒng)參數(shù)的選取3?2?1PWM變換器滯后時(shí)間常數(shù)TsPWM控制和變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)和整流裝置基本一致。當(dāng)控制電壓Uc改變時(shí)，PWM變換器輸出平均電壓Ud按現(xiàn)行規(guī)律變化，但其響應(yīng)會(huì)有延遲，最大的時(shí)延是一周開(kāi)關(guān)周期T。PWM裝置的延遲時(shí)間Ts<T，一般選取〒1Ts二=0.0002s其中，f開(kāi)關(guān)器件IGBT的頻率，取5K.3?2?2電流濾波時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)PWM變換器電流濾波時(shí)間常數(shù)的選擇和晶閘管控制電路有所區(qū)別，這里選擇電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=2ms=0.002s⑷根據(jù)所有發(fā)電機(jī)紋波情況Ton=0.02s3.2.3反饋系數(shù)的確定轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)(5)電流反饋系數(shù)3.2.3反饋系數(shù)的確定轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)(5)電流反饋系數(shù)⑹3.2.4電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì)3.2.4.1電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)計(jì)算按小時(shí)間按常數(shù)近似處理，Tzi取U*a=nm-nmaxU*P=——im=dm-10二0.026V-miir/375島=0.0088V/ATYi二Toi+Ts二0.002+0.0002二0.0022s3.2.4.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求8<5%，并保證穩(wěn)態(tài)時(shí)在電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)下系統(tǒng)無(wú)靜差，可以按典型I型i系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，因此可以采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可見(jiàn)式(8)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能:T

—l-檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能:T

—l-TYiW(s)=ACR皿二14.1,0.0022K(ts+1)

ii

tsi分析可知，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。=T=T=0.031s。i電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：Ti電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求8<5%，根據(jù)典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)和參i因此數(shù)的關(guān)系可知，應(yīng)取KT=0.5,因此IYi0.50.5===227.3s-1T0.0022Yi于是，ACR的比例系數(shù)為KtRKtR=——I_i—K卩s(10)二227?3X°.°31X吵二1.575x0.00883.2.4.4校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：-c廣K廣227.3s-1PWM變換裝置傳遞函數(shù)的近似條件=1667s-i>wci(11)滿足近似條件。校驗(yàn)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((#)校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。—0/do-CiRo2~T—I~IZZFC0i~Y心丄~T—1~IZZFCoi圖133?2?5速度調(diào)節(jié)器ASR設(shè)計(jì)3.2.5.1時(shí)間常數(shù)的設(shè)定在電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中為了達(dá)到電流超調(diào)的要求(8.<5%),KT二0.5，所以電流iIXi環(huán)等效時(shí)間常數(shù)K為:K二2T二2x0.0022二0.0044sXi(15)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T。按小時(shí)間常數(shù)處理處理，取Xn1T二+T二0.0044+0.02二0.0244sXnKonI(16)3?2?5?2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中。現(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)器應(yīng)該有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見(jiàn)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為W(s)K(Ts+1)W(S)=—n——nASRTSn

3?2?5?3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)為:(19)(20)C二1.82V-min/re(18)按跟隨性和抗擾性好的原則，取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為:二hT二5x0.0244二0.122sSn轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)增益為:-(19)(20)C二1.82V-min/re(18)按跟隨性和抗擾性好的原則，取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為:二hT二5x0.0244二0.122sSn轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)增益為:-2h2T2Sn2x25x0.02442-201.6宀于是可得ASR的比例系數(shù)為:_(h+1)PCT=e——m2haRTSn6xO.O。88x竺x竺二11.82x5x0.0267x0.14x0.0224(21)3.2.5.4校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為:K①二一n=Kcn①1t二201.6x0.122二24.6s-1Nn(22)(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件1：K

站T‘ISi—1竺3=107.1s-1>o3\0.0022cn滿足簡(jiǎn)化條件。(2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件1K1：227.3匸==35.5s-1>w3\T3\0.02cnon(23)滿足簡(jiǎn)化條件。(3)校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，由典型II型系統(tǒng)的階躍輸入跟隨性能指標(biāo)的關(guān)系可知，&n二彳7.6%,能滿足設(shè)計(jì)的要求。實(shí)際上，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。(24)(24)系統(tǒng)空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量:760x0.14TOC\o"1-5"\h\zACAnAC八AnT1820.0224__?C=(ma^)b=2(ma^)(X—Z)b￡n=2X0.812X1.5X.X=8.2%nCn*Cn*T3750.112bbm滿足要求。3?2?5?5調(diào)節(jié)器電容和電阻值計(jì)算心)^\[(rn5+l)心)^\[(rn5+l)品(加+1)刃(S)按所用運(yùn)算放大器取R0二40k0，各電阻和電容值計(jì)算如下：R二KR二11.8x40k0二472kG取470kGnn0t0.122—C=——4=F—0.26pF取0.3pFnRn470x1034T4x0.02小C=on—F—2pF取2pFonR040x103PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖14所示。圖14含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由以上計(jì)算可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為K(ts+1)11.8(0.122s+1)W(S)=—n——n=—asrts0.122sn校正成典型II型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖15所示。RnCnUio—+-an"2TRnCnUio—+-an"2T"2TZE^3-纓工5Ro圖45Con2轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)—^bal4采用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真利用MATLAB-SIMULINK對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)框圖和仿真結(jié)果如下所示。4.1原理框圖設(shè)計(jì)4?1?1電流環(huán)原理圖ScopeScope圖16電流環(huán)原理圖電流環(huán)的原理圖如圖16所示，輸入為階躍信號(hào)，通過(guò)ACR輸出限幅，控制輸出電流幅值大小。電流反饋環(huán)節(jié)加上PI調(diào)節(jié)器，使穩(wěn)態(tài)輸出無(wú)靜差。4?1?2轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖如圖17所示。階躍給定輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)慣性環(huán)節(jié)輸出，和反饋環(huán)節(jié)的比較作為ASR的輸入，ASR輸出限幅，控制輸出直流電壓幅值大小。負(fù)載擾動(dòng)設(shè)定為階躍信

號(hào)，系統(tǒng)空載啟動(dòng)。若仿真時(shí)間設(shè)為5s,可以設(shè)定在3s時(shí)加入負(fù)載的擾動(dòng)。圖17轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖4?1?3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖18雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真原理圖圖中，step為一個(gè)電壓階躍信號(hào)，當(dāng)t=0時(shí)，跳變?yōu)殡A躍值為10的信號(hào)。圖中subsystem是新建的一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)，其等效為ASR或者ACR，只是兩者的參數(shù)設(shè)置不一樣，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，包含比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，如圖19所示。

圖19ASR和ACR內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4.2仿真結(jié)果4.2.1電流環(huán)仿真結(jié)果電流環(huán)的仿真結(jié)果如圖20所示。突加給定電壓，電流迅速上升至最大值，存在一定的超調(diào)，因給定輸入達(dá)到限幅值，強(qiáng)迫電樞電流上升階段結(jié)束，電流減小達(dá)到給定值并維持穩(wěn)定。設(shè)置給定值為760,在直流電動(dòng)機(jī)的恒流升速階段，電流值低于760A,其原因是電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的擾動(dòng)。選擇KT=0.5.當(dāng)KT的值越大時(shí)，超調(diào)越大，但上升時(shí)間越短。4.2.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果11uu(退飽和)階段?！觥隽鳌鱿怠稣妗猲所示■■起■程■三個(gè)■■流上升階段、4.2.3利用轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型同樣可以對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾過(guò)程進(jìn)行仿真，它是在負(fù)載電流IdL(s)的輸入端加上負(fù)載電流。得到轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾波形圖如圖22所示。4.3仿真結(jié)果分析雙閉環(huán)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞的電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升，并通過(guò)電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī)電流增加，從