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.doc

1、運動控制課程設(shè)計題目:轉(zhuǎn)速,電流雙閉環(huán)可逆直流寬頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計系部：自動化系專業(yè)：自動化班級：自動化1班學(xué)號：11423006 11423025 11423015姓名:楊力強。丁珊珊。趙楠指導(dǎo)老師：劉艷 日期：2014年5月26日2014年6月13日 一、設(shè)計目的1、 應(yīng)用所學(xué)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)的基本知識與工程設(shè)計方法，結(jié)合生產(chǎn)實際，確定系統(tǒng)的性能指標與實現(xiàn)方案，進行運動控制系統(tǒng)的初步設(shè)計。2、 應(yīng)用計算機仿真技術(shù)，通過在MATLAB軟件上建立運動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對控制系統(tǒng)進行性能仿真研究,掌握系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響.3、 在原理設(shè)計與仿真研究的基礎(chǔ)上,應(yīng)用PROTEL進行控制系統(tǒng)的印制

2、板的設(shè)計,為畢業(yè)設(shè)計的綜合運用奠定堅實的基礎(chǔ)。2、 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)：（ 直流電動機（3） ) 輸出功率為：5。5Kw 電樞額定電壓220V電樞額定電流 30A 額定勵磁電流1A額定勵磁電壓110V 功率因數(shù)0。85電樞電阻0。2歐姆 電樞回路電感100mH電機機電時間常數(shù)1S 電樞允許過載系數(shù)=1。5額定轉(zhuǎn)速 970rpm直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)環(huán)境條件：電網(wǎng)額定電壓：380/220V； 電網(wǎng)電壓波動: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：電流超調(diào)量小于等于5%; 空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于等于30;調(diào)速范圍D20；

3、靜差率小于等于0。03。1、設(shè)計內(nèi)容和數(shù)據(jù)資料某直流電動機拖動的機械裝置系統(tǒng)。主電動機技術(shù)數(shù)據(jù)為：，,電樞回路總電阻，機電時間常數(shù)，電動勢轉(zhuǎn)速比，Ks=40，Ts=0.0017ms，電流反饋系數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，試對該系統(tǒng)進行初步設(shè)計。2、 技術(shù)指標要求電動機能夠?qū)崿F(xiàn)可逆運行。要求靜態(tài)無靜差。動態(tài)過渡過程時間，電流超調(diào)量，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(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

4、的部分主要是UPM、邏輯延時環(huán)節(jié)DLD、全控型絕緣柵雙極性晶體管驅(qū)動器GD和PWM變換器。系統(tǒng)中設(shè)置了電流檢測環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測環(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)，前者通過電流元件的反饋作用穩(wěn)定電流,后者通過轉(zhuǎn)速檢測元件的反饋作用保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差， 從而使系統(tǒng)達到調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的。該系統(tǒng)起動時，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)起動電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速線性變化,迅速達到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)速負反饋外環(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)電機的電樞電流以平衡負載電流原理圖如圖所示1、PWM變換器的選用PWM變換器有

5、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機可逆運行，故本設(shè)計選用帶續(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進行濾波。功率管開關(guān)管應(yīng)承受2Us的電壓,為此選用FGA25N120AN絕緣柵雙極晶體管IGBT并接在功率開關(guān)管兩端二級管用在IGBT關(guān)斷時為電樞回路提供釋放電感儲能的續(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

6、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=25A，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，并在負載變化時保持電壓平穩(wěn)。另外，當脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機減速或停車時，貯存在電動機和負載轉(zhuǎn)動部分的動能將由電容器吸收，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、傳感器以及測速發(fā)電機的選用由于題目要求需要對電流進行采樣,故此這里我們選用霍爾電流傳感器HNC025A，HNC-025A傳感器所能測量的額定電流為 5A、6A、8A、 12A、25A，當原邊導(dǎo)線經(jīng)過電流傳感器時，原邊電流 IP會產(chǎn)生磁力線，

7、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，大小僅為幾毫伏的感應(yīng)電壓，通過后續(xù)電子電路可把這個微小的信號轉(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型作為測速機。3、驅(qū)動電路選用驅(qū)動電路的作用是將控制電路輸出的PWM信號放大至足以保證IGBT可靠導(dǎo)通或關(guān)斷的程度。同時具有實現(xiàn)主電路與控制電路相隔離、故障后自動保護及延時等功能。這里我們選用上海馬克電氣公司的AST96X 系列的MAST5-2CU12型IGBT驅(qū)動板 ，AST96X 為單路光電耦合隔離帶短路、欠壓

8、和過壓保護功能的 IGBT 驅(qū)動模塊； MAST 系列為 1 7 路、帶隔離電源的 IGBT 驅(qū)動板，易于使用,對供電電源要求低,適用 600V 1700V 的各種不同類型 IGBT 驅(qū)動;兩者均提供 電流源或電壓源電阻兩種驅(qū)動方式,具有單電源供電、輸入電壓范圍寬、內(nèi)置正負電壓發(fā)生器以及電壓濾波器、內(nèi)置短路保護電路、內(nèi)置驅(qū)動欠壓和過壓保護電路、內(nèi)置 VCE 檢測的快恢復(fù)高壓二極管、內(nèi)置光電耦合器以傳輸驅(qū)動保護故障信號、內(nèi)置柵極過壓箝位元件等特點。MAST5-2CU12是為控制和驅(qū)動電機設(shè)計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，整機可靠性提高

9、。該產(chǎn)品為大規(guī)模集成基極驅(qū)動電路,可對IGBT實現(xiàn)較理想的基極電流優(yōu)化驅(qū)動和自身保護.4、調(diào)節(jié)器的選擇 根據(jù)題目要求我們嘗試用P調(diào)節(jié)器進行動態(tài)校正，但是存在靜差，PI調(diào)節(jié)器可以進一步提高穩(wěn)態(tài)性能，達到消除穩(wěn)態(tài)速差的地步。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量較遠，調(diào)節(jié)作用受到多個環(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)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。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，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

10、PWM變換器的功率器件通斷的PWM信號。常用種類有:模擬式、數(shù)字式和專用集成電路。這里選用美國德克薩斯儀器公司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，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)由測速機采集信號經(jīng)過反饋系數(shù)得到電壓信號反饋給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

11、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)動器。脈寬調(diào)制器是有一個運算放大器和幾個輸入信號構(gòu)成電壓比較器。運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，在電流調(diào)節(jié)器輸出的控制信號的控制下,產(chǎn)生一個等幅、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.邏輯延時環(huán)節(jié)DLD保證在一個管子發(fā)出關(guān)斷脈沖時,經(jīng)延時后再發(fā)出對另一個管子的開通脈沖，在延時環(huán)節(jié)中引入瞬時動作限流保護FA信號,一旦橋臂電流超過允許最大電流值時，使工作管子同時封鎖，以保護電力晶體管。 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

12、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 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)。由第一個關(guān)系式可得，從而得到上圖靜特性的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，U*i U*im，從上述第二個關(guān)系式可知: Id < Idm. 這就是說， 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.這就是靜特性的運行段，它是水平的特性。這時，ASR輸出達到限幅值U*im ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài),轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響.雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜

13、差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時式中，最大電流Idm是由設(shè)計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)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 的情況，因為如果 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)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流達到 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)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。文檔為個人收集整理，來源于網(wǎng)絡(luò)本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用作商業(yè)用途系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖以及動態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)

14、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5.1、電流環(huán)的設(shè)計1。 確定時間常數(shù)脈寬調(diào)制器和PWM變換器的滯后時間常數(shù)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)為電流濾波時間常數(shù)取。電流環(huán)小時間常數(shù)。2. 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，而且,因此可按典型系統(tǒng)設(shè)計。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，應(yīng)取，因此于是,4. 校驗近似條件要求，現(xiàn)。要求,現(xiàn)。要求，現(xiàn)。可見均滿足要求。5. 計算ACR

15、的電阻和電容取,則 取 取 取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為,故滿足設(shè)計要求。5。2、 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計1.確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)為。取轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。2。 ASR結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)穩(wěn)態(tài)無靜態(tài)及其他動態(tài)指標要求，按典型系統(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。 選擇ASR參數(shù)取，則則 4. 校驗近似條件要求，現(xiàn)。要求，現(xiàn).5. 計算ASR電阻和電容取，則 取 取 取6. 校驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量當時，,而,因此 可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足要求。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.5。3、負反饋單元1。 轉(zhuǎn)速檢測裝置選擇測速發(fā)電機參數(shù)永磁式ZYS231/

16、110型，額定數(shù)據(jù)為,，.測速反饋電位器的選擇考慮測速發(fā)電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的，這樣，測速發(fā)電機電樞壓降對檢測信號的線性度影響較小。測速發(fā)電機工作最高電壓測速反饋電位器阻值此時所消耗的功率為為了使電位器溫度不要提高，實選瓦數(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)計總結(jié)通過這次雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的課程設(shè)計，對自己學(xué)習(xí)電力拖動自動控制系統(tǒng)有了較深刻的認識。在學(xué)習(xí)本科目時首先感覺內(nèi)容很多，而且有些理解很抽象，所以在做作業(yè)以及設(shè)計的時候遇到比較大的阻礙。因為剛剛結(jié)束直流的考試，在之前的復(fù)習(xí)下來，總算對直流調(diào)速有個系統(tǒng)的概念。在老師發(fā)給我們設(shè)計材料的時候，看到了原理圖簡直就蒙住了,這個設(shè)計比以往的作業(yè)還是實驗都復(fù)雜，同時難度也加大。通過看課本，以及去圖書館找資料慢慢看出了些眉頭后，通過請教老師和師兄把部分不懂的細節(jié)弄清了。完成這個艱難的第一步后，對整個題目解析宏觀的把握，對解題方法也有了大致思路.第二步就是詳細分析，計算線路參數(shù)作出原理框圖，這一步相對進行的比較順利。接下來就