雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

1、電力拖動與運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計姓 名： 專 業(yè)： 3 專 題： 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 指導教師： 設(shè)計地點： 電工電子實驗中心 2012 年 4 月課程設(shè)計任務書專業(yè)年級 任務下達日期：2012年5月15日設(shè)計日期： 2012年5月21日 至 2012年6月3日設(shè)計專題題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計主要內(nèi)容和要求：直流調(diào)速系統(tǒng)憑借其優(yōu)良的調(diào)速性能在現(xiàn)場中得到了廣泛使用，雖然交流電機得到了越來越多的使用，但直流調(diào)速系統(tǒng)的理論完全適用于交流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。針對附錄中提供的直流電機參數(shù)，進行直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。要求該直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、起制動性能好、可四象限運行，具體設(shè)計內(nèi)容如下

2、。1. 根據(jù)直流調(diào)速系統(tǒng)的要求，制定系統(tǒng)總體方案，主要包括如下方面：(1) 對現(xiàn)有的直流調(diào)速產(chǎn)品進行調(diào)查，并運行所學知識加以分析。要求必須給出一種具有代表性的直流調(diào)速產(chǎn)品，并給出系統(tǒng)控制框圖；(2) 給出本設(shè)計中擬采用的主電路拓撲結(jié)構(gòu)，并給出選擇依據(jù)；(3) 采用數(shù)字處理器作為控制器，對目前調(diào)速系統(tǒng)中采用的數(shù)字處理器進行調(diào)查，并選擇一款用于本系統(tǒng)的數(shù)字處理器。2. 直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計，針對總體方案中選定的主電路拓撲結(jié)構(gòu)，并結(jié)合附錄中提供的直流電機參數(shù)進行如下設(shè)計：(1) 功率器件的選型，要求給出依據(jù)；(2) 針對所選擇的功率器件，給出其觸發(fā)或驅(qū)動電路的原理圖，并對驅(qū)動電路的原理簡要說明；

3、(3) 根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選擇相應的電壓、電流和溫度等傳感器，要求給出具體型號；(4) 要求在主回路設(shè)計中需給出相應的保護電路。3. 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制理論(1) 給出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖；(2) 根據(jù)直流電動機和主回路參數(shù)，確定動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的具體參數(shù)；(3) 運用工程化設(shè)計方法對直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器進行參數(shù)設(shè)計，要求必須給出限幅的具體參數(shù)及依據(jù)；(4) 根據(jù)設(shè)計的pi調(diào)節(jié)器參數(shù)，要求給出帶有內(nèi)外限幅的pi調(diào)節(jié)器的模擬量電路圖；(5) 給出直流調(diào)速系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)框圖。4. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的matlab仿真(1) 根據(jù)上述雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，建立matlab仿真模型

4、，并對調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計的合理性進行驗證；(2) 運用matlab/simulink下的電機模型，建立基于電機模型的仿真模型，并對調(diào)節(jié)器的參數(shù)作出調(diào)整。5. 數(shù)字控制器的設(shè)計(1) 硬件設(shè)計：根據(jù)所選數(shù)字處理器，進行相應硬件電路的設(shè)計，要求包括pwm輸出、ad采樣及信號處理電路、編碼器接口等；(2) 軟件設(shè)計：給出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的整體控制流程圖，并給出增量式pi調(diào)節(jié)器、數(shù)字測速的程序流程框圖。指導教師簽字：日 期：摘 要直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應用。本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并詳細分析了

5、系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進行分析和計算，利用simulink對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn)。對系統(tǒng)的性能指標進行了實驗測試，表明所設(shè)計的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達到了設(shè)計要求。采用matlab軟件中的控制工具箱對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行計算機輔助設(shè)計,并用simulink進行動態(tài)數(shù)字仿真,同時查看仿真波形,以此驗證設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)是否可行.關(guān)鍵詞：

6、 直流電機 直流調(diào)速系統(tǒng) 速度調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 雙閉環(huán)系統(tǒng) 仿真abstractdc motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and dc motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth control in a wide range, bes

7、ides its control performance is excellent. beginning with the theory of dc motor, this dissertation builts up the mathematic model of dc speed control system with double closed loops, detailedly discusses the static and dynamic state performance of the system. afterward, according to automation ther

8、oy this papar calculates the parameters of the system. then, this dissertation simulates and analyzes the system by means of simulink. the results of simulation are consistent with theory calculation. some experience was acquired through simulation. based on the theory and simulation, this dissertat

9、ion designs a dc speed control system with double closed loops, discusses the realization of main circuit, feedback circuit, control circuit and trigger circuit. the results of experiment show that the static and dynamic state performance of this system are good, which indicate that the design can m

10、eet the requirements.computer-aided analysis and design are carried out for speed-controlling system of the d-c motorby by using tool box and simulink.keywords: dc motor,dc governing system,speed governor,current governor,double loop control system,simulink目 錄第一章 系統(tǒng)總體方案01.1直流調(diào)速器01.2 現(xiàn)有調(diào)速產(chǎn)品調(diào)查： 6ra70調(diào)

11、速系統(tǒng)01.3直流調(diào)速系統(tǒng)21.3.1 主電路結(jié)構(gòu)及選擇依據(jù)21.3.2 數(shù)字處理器的選用2第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計42.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)42.2主電路拓撲結(jié)構(gòu)52.3橋式可逆pwm變換器52.4 器件選擇82.4.1絕緣柵雙極晶體管的選擇82.4.2三相全波整流橋參數(shù)的計算82.4.3去耦電容92.4.4極性電容92.4.5限流電阻92.5 驅(qū)動電路102.6 保護電路112.7 泵升電壓保護電路11第三章 直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計133.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖133.2電流環(huán)設(shè)計133.2.1確定時間常數(shù)143.2.2選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)163.2.3檢驗近似條件

12、163.2.4計算acr的電阻和電容173.3轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計173.3.1 確定時間常數(shù)173.3.2 asr結(jié)構(gòu)設(shè)計183.3.3 選擇asr參數(shù)183.3.4 校驗近似條件183.4.5 計算asr電阻和電容183.4.6 檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量193.4.7 校驗過渡過程時間193.4 帶限幅的pi調(diào)節(jié)器19第四章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的matlab 仿真21第五章 數(shù)字控制器的設(shè)計235.1 硬件設(shè)計235.1.1速度檢測電路235.1.2 a/d 轉(zhuǎn)換電路235.1.3pwm 波形產(chǎn)生電路245.1.4 整流電路255.2 軟件設(shè)計27附錄28附錄1：數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖28附錄

13、2：主電路拓撲結(jié)構(gòu)圖28附錄3：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖29附錄4：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真波形29附錄5：器件選擇30附錄6：給定參數(shù)30參考文獻31課程設(shè)計總結(jié)32第一章 系統(tǒng)總體方案1.1直流調(diào)速器直流調(diào)速器是一種電機調(diào)速裝置，包括電機直流調(diào)速器、脈寬直流調(diào)速器、可控硅直流調(diào)速器等，一般為模塊式直流電機調(diào)速器，集電源、控制、驅(qū)動電路于一體，采用立體結(jié)構(gòu)布局，控制電路采用微功耗元件，用光電耦合器實現(xiàn)電流、電壓的隔離變換，電路的比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)用pid適配器調(diào)整。具有體積小、重量輕等特點，可單獨使用也可直接安裝在直流電機上構(gòu)成一體化直流調(diào)速電機，可具有調(diào)速器所應有的一切功能

14、。本文僅對西門子simoreg k 6ra23/24 系列全數(shù)字直流調(diào)速產(chǎn)品進行簡要介紹。1.2 現(xiàn)有調(diào)速產(chǎn)品調(diào)查： 6ra70調(diào)速系統(tǒng)西門子simoreg k 6ra23/24 系列全數(shù)字直流調(diào)速產(chǎn)品，自在中國市場推出以來，得到了廣大用戶的認同。最新推出的simoreg dc master 6ra70 系列全數(shù)字直流調(diào)速產(chǎn)品，在6ra24 產(chǎn)品的基礎(chǔ)上更具有以下特點: 1. 單臺裝置輸出額定電樞電流: 15a3000a，額定勵磁電流: 3a85a。裝置并聯(lián)后輸出額定電樞電流可達12000a。2. 輸入電壓分為6 個等級: 400v/460v/575v/690v/830v/950v。3. 強大

15、的通訊能力。有simolink 高速直接的裝置-裝置通訊，還可支持profibus、can-bus、devicenet、uss 協(xié)議等。4. 所有工藝板，通訊板及op1s 操作面板都可與新一代的simovert masterdrives 矢量控制交流調(diào)速產(chǎn)品通用。6ra70的應用：6ra70 simoreg dc master 系列整流器為全數(shù)字緊湊型整流器，輸入為三相電源，可向變速直流驅(qū)動用的電樞和勵磁供電，額定電樞電流從15a 至3000a。緊湊型整流器可以并聯(lián)使用，提供高至12000a 的電流，勵磁電路可以提供最大85a 的電流(此電流取決于電樞額定電流)。6ra70工作方式：所有的開環(huán)

16、和閉環(huán)驅(qū)動控制及通訊功能由兩臺功能強大的微處理器實現(xiàn)，驅(qū)動控制功能可以通過參數(shù)，將軟件所提供的程序塊“連接”來實現(xiàn)。銘牌上規(guī)定的額定直流電流(連續(xù)直流電流)，在負載等級i，可以過載到180%，過載允許的持續(xù)時間由各個整流器而定。微處理器周期地計算功率部份電流的i2t 值，以確保晶閘管在過載運行時不被損壞。整流器可自動適應電源頻率范圍為45hz65hz(電樞和勵磁互不相關(guān))。工作在擴大的頻率范圍23hz110hz 需詢問。設(shè)計v-m雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)數(shù)據(jù)：額定功率: 2.2kw 額定電壓:220v額定電流:ie=12.5a 額定轉(zhuǎn)速: ne=1500r/min電樞回路總電阻r=2.5;

17、電磁時間常數(shù)tl=0.010s; 機電時間常數(shù)tm=0.073s；電動勢系數(shù)c=0.1352v/（r.min-1 ) 圖1-1 6ra70調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.3直流調(diào)速系統(tǒng)1.3.1 主電路結(jié)構(gòu)及選擇依據(jù)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1-2所示，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)電機轉(zhuǎn)速，達到設(shè)計要求。用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了

18、對生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態(tài)過程。在啟動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。 圖1-2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.3.2 數(shù)字處理器的選用早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，由運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活調(diào)試困難，受到器件性能溫度等因素的影響, 阻礙了直流電動機控制技術(shù)的發(fā)展和應用范圍的推廣。以微處理

19、器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，硬件電路的標準化程度高，制作成本低。軟件能夠進行邏輯判斷和復雜的運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應、非線性、智能化等控制規(guī)律。此外還擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。spmc75f2413 單片機作為高性能的16 位mcu 平臺，擁有多種功能模塊，包括高性能的cpu 內(nèi)核、高效益的中斷系統(tǒng)、可編程i/o 口、模擬量測量用的adc、外部通信用的同步和異步串行接口、普通的定時計數(shù)器等常見硬件模塊，以及多功能捕獲比較模塊、bldc 電機驅(qū)動專用位置偵測接口、兩項增量編碼器接口、能產(chǎn)生各種電機驅(qū)動波形的pwm 發(fā)生器等特殊硬件模塊。同時

20、，spmc75f 系列單片機內(nèi)部還集成了32kwords 的flash 和2k words 的sram。 圖1-3數(shù)字處理器硬件系統(tǒng)第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)原理我們設(shè)計了數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖2-1所示，系統(tǒng)的特點：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機控制；全數(shù)字電路，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測；采用數(shù)字pi算法。由軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)由主電路、檢測電路、控制電路、給定電路、顯示電路組成。主電路：三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流pwm變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動機供電。檢測回路：包括電壓、電流、溫

21、度和轉(zhuǎn)速檢測。電壓、電流和溫度檢測由 a/d 轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機；轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速（光電碼盤）。故障綜合：利用微機擁有強大的邏輯判斷功能，對電壓、電流、溫度等信號進行分析比較，若發(fā)生故障立即進行故障診斷，以便及時處理，避免故障進一步擴大。這也是采用微機控制的優(yōu)勢所在。圖2-1 數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖2.2主電路拓撲結(jié)構(gòu)主電路由二極管整流器 ur、pwm 逆變器 ui 和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容 c 濾波，同時兼有無功功率交換的作用。可逆pwm變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱h形）電路，如圖3-2為橋式可逆pwm變換器。這時電動機

22、m兩端電壓 的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓極性的變化而變化，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，本設(shè)計用的是雙極性控制的可逆pwm變換器。雙極性控制的橋式可逆pwm變換器有電流一定連續(xù)、可使電動機在四象限運行、電動機停止時有微振電流可消除靜摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點。 圖2-2主電路拓撲結(jié)構(gòu)2.3橋式可逆pwm變換器可逆pwm變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱h型）電路，如圖2-3所示。圖2-3橋式可逆pwm變換器雙極式控制可逆pwm變換器的4個驅(qū)動電壓波形如圖2-4所示。圖2-5雙極式控制可逆pwm變換器的驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形。 它們之間的關(guān)系是：ug1=ug4=-u

23、g2=-ug3。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當0tton時，uab= us，電樞電流id沿回路1流通；當tontt/2,則uab的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，反之，則反轉(zhuǎn)；如果正、負脈沖相等，t=t/2,平均輸出電壓為零，則電動機停止。圖36所示的波形是電動機正轉(zhuǎn)時的情況。雙極式控制可逆pwm變換器的輸出平均電壓為： 若占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器相同，則在雙極式是可逆變換器中：=2-1就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。調(diào)速時，的可調(diào)范圍為01，相應的，=（-1）（+1）。當1/2時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當1/2時，為負，電動機反轉(zhuǎn)；當=1/2時，=0，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而

24、是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而，電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機的損耗，這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。圖2-4驅(qū)動電壓波形 圖2-5驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形雙極式控制的橋式可逆pwm變換器有下列優(yōu)點：1) 電流一定連續(xù)；2) 可使電動機在四象限運行；3) 電動機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；4) 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達1：20000左右；5) 低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。 雙極式控制方式的不足之處

25、是：在工作過程中，4個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，應設(shè)置邏輯延時。為了克服上述缺點，可采用單極式控制，使部分器件處于常通或常斷狀態(tài)，以減少開關(guān)次數(shù)和開關(guān)損耗，提高可靠性，但系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能會略有降低。2.4 器件選擇2.4.1絕緣柵雙極晶體管的選擇最大工作電流 imax2us/r=440/0.6=733(a)集電極發(fā)射極反向擊穿電壓（）(23)us=440660v所以在實際的應用中選擇了日本三菱公司的cm 800 ha-24h（e）其額定電壓1200v 額定電流800a可以滿足要求。2.4.2三相

26、全波整流橋參數(shù)的計算整流部分采用不可控整流，整流二極管的電流額定為，直流側(cè)的最大電流為 ，根據(jù)電力電子學的相關(guān)知識，三相全控橋通過二極管的電流有效值 和直流側(cè)電流 的關(guān)系為 再根據(jù)二極管的通態(tài)平均電流與電流的有效值的關(guān)系為 所以綜上二極管的電流的額定電流即二極管的通態(tài)平均電流為（考慮到安全裕度）， 考慮到濾波電容充電電流的影響，需要有更大的電流裕量 取 電壓額定：二極管兩端斷態(tài)重復峰值電壓為，交流電源的線電壓。所以電壓額定為： 選用 為了減小主電路的體積，使之易于安裝，選用 zp系列普通整流二極管(200a/2002000v) 的二極管兩單元模塊三個構(gòu)成整流橋。2.4.3去耦電容由于通過整流橋

27、后的直流是含有脈動的直流，必須通過電容加以濾波。根據(jù)三菱公司ipm的要求需要在直流側(cè)加以個無極性的去耦電容（decoupling capacitor），這里選擇 1200v/0.47的無極性電容。2.4.4極性電容在設(shè)計主電路時，濾波電容是根據(jù)負載的情況來選擇電容c值，使rc(35)t/2,且有udmax=0.92200.95=188(v)2c1.50.02, 即c15000uf故此，選用型號為cd15的鋁電解電容，其額定直流電壓為400v，標稱容量為22000 。2.4.5限流電阻為了避免大電容c在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時

28、，先限制充電電流，再延時用開關(guān)k將短路，以免長期接入時影響整流電路的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。2.5 驅(qū)動電路ir2110是美國國際整流器公司利用自身獨有的高壓集成電路以及無閂鎖cmos技術(shù)，于1990年前后開發(fā)并且投放市場的，ir2110是一種雙通道高壓、高速的功率器件柵極驅(qū)動的單片式集成驅(qū)動器。它把驅(qū)動高壓側(cè)和低壓側(cè)mosfet或igbt所需的絕大部分功能集成在一個高性能的封裝內(nèi)，外接很少的分立元件就能提供極快的功耗，它的特點在于，將輸入邏輯信號轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動信號，可以驅(qū)動同一橋臂的兩路輸出，驅(qū)動能力強，響應速度快，工作電壓比較高，可以達到600v，其內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，成本低、易于調(diào)試

29、。高壓側(cè)驅(qū)動采用外部自舉電容上電，與其他驅(qū)動電路相比，它在設(shè)計上大大減少了驅(qū)動變壓器和電容的數(shù)目，使得mosfet和igbt的驅(qū)動電路設(shè)計大為簡化，而且它可以實現(xiàn)對mosfet和igbt的最優(yōu)驅(qū)動，還具有快速完整的保護功能。與此同時，ir2110的研制成功并且投入應用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。降低了產(chǎn)品成本和減少體積。 圖2- 3 pwm 控制h橋雙極性主電路2.6 保護電路電路中主要的保護器件是快速熔斷器fu，壓敏電阻過電壓抑制器rv，閥器件換相過電壓抑制用rc電路，直流側(cè)rc抑制電路，閥側(cè)浪涌過電壓抑制電路，閥側(cè)浪涌過電壓抑制用rc電路等。2.7 泵升電壓保護電路當脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動

30、機減速或停車時,儲存在電機和負載傳動部分的動能將變成電能，并通過 pwm 變壓器回饋給直流電源。一般直流電源由不可控的整流器供電，不可能回饋電能，只好對濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓”。如果要讓電容器全部吸收回饋能量，將需要很大的電容量，或者迫使泵升電壓很高而損壞元器件。在不希望使用大量電容器（在容量為幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)中，電容至少要幾千微法）從而大大增加調(diào)速裝置的體積和重量時，可以采用由分流電阻 r 和開關(guān)管 vt 組成的泵升電壓限制電路，如圖3-3。用r 來消耗掉部分動能。r 的分流電路靠開個器件 vt 在泵升電壓達到允許數(shù)值時接通。第三章 直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計3.1 雙閉環(huán)

31、直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，pi作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是為零。 圖3-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。為了獲得近似理想的過度過程，并克服幾個信號綜合于一個調(diào)節(jié)器輸入端的缺點，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、

32、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)計的最終方案。3.2電流環(huán)設(shè)計h型單極式pwm變換器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用寬調(diào)速直流電動機。額定力矩為4.9nm，電樞電阻ra=1.64，電樞回路總電感l(wèi)=10.2mh，額定電流=55a，額定電壓=220v。調(diào)速系統(tǒng)的最小負載電流=1a，電源電壓=122v，電力晶體管集電極電阻=2.5，設(shè)=2。nn=1000r/min，電樞回路總電阻r=0.6,電流過載倍數(shù)=2。 3.2.1確定時間常數(shù)（1）脈寬調(diào)制器和pwm變換器的滯后時間常數(shù)與傳遞函數(shù)的計算電動機的啟動電流為 啟動電流與額定電流比為 晶體管放大區(qū)的時間常數(shù)為 電流上升時間的計算公式為 式中晶體

33、管導通時的過飽和驅(qū)動系數(shù)，取=2則 電流下降時間的計算公式為 式中晶體管截止時的負向過驅(qū)動系數(shù)，取=2則 最佳開關(guān)頻率為 開關(guān)頻率f選為4.4khz，此開關(guān)頻率已能滿足電流連續(xù)的要求。于是開關(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（2）電流濾波時間常數(shù) 取0.5ms（3）電流環(huán)小時間常數(shù) 3.2.2選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 要求時，應取，因此 又 于是 3.2.3檢驗近似條件 （1）要求，現(xiàn)。（2）要求，現(xiàn)。（3）要求，現(xiàn)。可見均滿足要求。3.2.4計算acr的電阻和電容取=40k，則 ，取 3.3轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計圖3-3轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖3.3.1 確定時間

34、常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為（2）取轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)（3）3.3.2 asr結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)穩(wěn)態(tài)無靜差及其他動態(tài)指標要求，按典型ii型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)，asr選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 3.3.3 選擇asr參數(shù)取h=5，則則 3.3.4 校驗近似條件 （1）要求，現(xiàn)。（2）要求，現(xiàn)可見均能滿足要求。3.4.5 計算asr電阻和電容取，則 ，取70 。 ，取0.5 3.4.6 檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當h=5時，而，因此可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足要求。3.4.7 校驗過渡過程時間空載起動到額定轉(zhuǎn)速的過渡過程時間可見能滿足設(shè)計要求。3.4 帶限幅的pi調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差的比例（p）、積分（i）、微分（d）進行控制（簡

35、稱pid控制），是控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種控制規(guī)律。本系統(tǒng)的控制對象是直流電機。對直流電機的控制可以有多種方式。最常見的即是pid調(diào)節(jié)方式。pid控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應用最廣泛的一種控制算法，其實質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值e(t)按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進行運算，運算的結(jié)果用于控制輸出。在實際的應用中，可以根據(jù)控制對象的特性和控制要求，靈活地改變pid結(jié)構(gòu)。如純比例調(diào)節(jié)（p）、比例積分調(diào)節(jié)（pi）、比例積分微分調(diào)節(jié)（pid）等。為了進一步改善控制效果，在pid算法的基礎(chǔ)上做一些改進，產(chǎn)生了積分分離pid算法、不完全微分pid算法和變速積分pid算法等。其控制規(guī)律為 第四章 雙閉環(huán)

36、直流調(diào)速系統(tǒng)的matlab 仿真4.1 根據(jù)上述雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，建立matlab仿真模型，并對調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計的合理性進行驗證4.2 運用matlab/simulink下的電機模型，建立基于電機模型的仿真模型，并對調(diào)節(jié)器的參數(shù)作出調(diào)整。電器系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖的matlab仿真；面向傳遞函數(shù)的matlab的仿真第五章 數(shù)字控制器的設(shè)計5.1 硬件設(shè)計dcs800 - i/o 配置 包括模擬測速發(fā)電機，脈沖編碼器和 ptc接口 與 dcs500/600的端子布置相同 n 擴展 i/o:rdio 和 raio，最多: 8 ai, 7 ao, 14 di, 12 do n 隔離 i/o:n

37、 通過 rxxx 現(xiàn)場總線適配器的串行通訊:5.1.2 a/d 轉(zhuǎn)換電路spmc75x 系列微控制器內(nèi)嵌一個100ksps 轉(zhuǎn)換速率的高性能10 位通用adc 模塊，采用sar（逐次逼近）結(jié)構(gòu)。它與ioa7:0 復用引腳作為輸入通道，最多能提供8 路模擬輸入能力。同時，adc 模塊有多種工作模式可選，它的轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號可以是軟件產(chǎn)生也可以通過來自外部（ioa15）、pdc位置偵測、mcp 等定時器的信號。利用此adc 模塊，可以同電機驅(qū)動定時器聯(lián)合動作，實現(xiàn)電機驅(qū)動過程中電參量的同步測量，滿足電機驅(qū)動的需要。此外，adc 模塊也可以實現(xiàn)一些普通的模擬測量動作，如電壓測量、溫度信號測量、低頻信號的

38、采集等4。spmc75x 系列微控制器內(nèi)嵌的adc 模塊共有4 個控制寄存器。通過這4 個控制寄存器可以完成adc 模塊所有功能的控制。 表5-1 adc控制寄存器5.1.3pwm 波形產(chǎn)生電路spmc75x 系列微控制器提供了兩個pdc(phasedetection control) 定時器，pdc 定時器0 和pdc 定時器1，用于捕獲功能和產(chǎn)生pwm 波形輸出，同時具有偵測無刷直流電機位置改變的特性。pdc 定時器能夠處理總計6 路( 每個定時器3 路) 捕獲或霍爾信號輸入。pdc 定時器非常適用于機械速度的計算。spmc75x 系列微控制器提供了兩個mcp(motor controlpwm) 定時器，定時器3 和定時器4。mcp 定時器有兩套獨立的