直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究-調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

1、沈陽(yáng)理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文摘 要自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的重要課程設(shè)計(jì)之一；是在學(xué)生完成自動(dòng)控制系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)后，對(duì)相關(guān)的各種類(lèi)型系統(tǒng)所進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)；是自動(dòng)控制系統(tǒng)課程教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 當(dāng)今，自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動(dòng)的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。本文主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡(jiǎn)單、易于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速、控制性能好等特點(diǎn)，一直在傳動(dòng)領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。 微機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)基于微機(jī)控制的閉環(huán)可逆直流

2、 PWM 調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用微機(jī)硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個(gè)將微機(jī)和電力拖動(dòng)控制相結(jié)合的新的控制方法，研究工作在對(duì)控制對(duì)象全面回顧的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)控制部分展開(kāi)研究，它包括對(duì)實(shí)現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的探討等內(nèi)容。在硬件方面充分利用微機(jī)外設(shè)接口豐富，運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，采取軟件和硬件相結(jié)合的措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制。 課設(shè)分析了系統(tǒng)工作原理和提高調(diào)速性能的方法，研究了 IGBT 模塊應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)、吸收、保護(hù)控制等關(guān)鍵技術(shù).在微機(jī)控制方面，通過(guò)實(shí)時(shí)試與調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，此調(diào)速

3、系統(tǒng)可獲得快速、精確的調(diào)速效果。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，學(xué)生將進(jìn)一步掌握電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)理論和電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算以及電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)踐運(yùn)用，并且加深對(duì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的了解。關(guān)鍵詞： 直流可逆調(diào)速；數(shù)字觸發(fā)；PWM；數(shù)字控制器 引 言 礦井提升機(jī)是煤礦、有色金屬礦中的重要運(yùn)輸設(shè)備，是“四大運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備”之一。礦井提升系統(tǒng)環(huán)節(jié)多、控制復(fù)雜、運(yùn)行速度快、慣性質(zhì)量大、運(yùn)行特性復(fù)雜的特點(diǎn)，且工作狀況經(jīng)常交轉(zhuǎn)換。近幾年，交流調(diào)速飛速發(fā)展，逐漸有趕超并代替直流調(diào)速的趨勢(shì)。直流調(diào)速理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，而交流調(diào)速主要依靠現(xiàn)代控制理論。不過(guò)最近研制成功的直流調(diào)速器

4、，具有和交流變頻器同等性能的高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性 ，高智能化特點(diǎn)。同時(shí)直流電機(jī)的低速特性，大大優(yōu)于交流鼠籠式異步電機(jī)，為直流調(diào)速系統(tǒng)展現(xiàn)了無(wú)限前景。單閉環(huán)直速系統(tǒng)對(duì)于運(yùn)行性能要求很高的機(jī)床還存在著很多不足，快速性還不夠好。而基于電流和轉(zhuǎn)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)特性都很理想。而且，直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工業(yè)等工業(yè)部門(mén)中得到廣泛應(yīng)用。直流時(shí)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可以分為兩類(lèi)，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。本文主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)因其具有

5、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，一直在傳動(dòng)領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。本文對(duì)雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)了較深入的研究，從直流調(diào)整系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了閉環(huán)直流PWM調(diào)整系統(tǒng)的模型。1 課程設(shè)計(jì)目的及任務(wù)掌握雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成、原理及各主要單元部件的工作原理；熟悉直流PWM專(zhuān)用集成電路SG3525、SG3524等的組成、功能與工作原理；掌握H型PWM變換器的雙極式控制方式的原理與特點(diǎn)；掌握雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試步驟、方法及參數(shù)的整定。對(duì)先修課程（電力電子學(xué)、自動(dòng)控制原理等）的進(jìn)一步理解與運(yùn)用，運(yùn)用電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的理論知識(shí)設(shè)計(jì)出可行的直流調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)建模、仿真驗(yàn)證理論分析

6、的正確性。也可以制作硬件電路，同時(shí)能夠加強(qiáng)同學(xué)們對(duì)一些常用單元電路的設(shè)計(jì)、常用集成芯片的使用以及對(duì)電阻、電容等元件的選擇等的工程訓(xùn)練。達(dá)到綜合提高學(xué)生工程設(shè)計(jì)與動(dòng)手能力的目的。本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)，首先總體方案的確定，主電路原理，元件選擇、參數(shù)計(jì)算，掌握系統(tǒng)原理圖、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、主要硬件結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)一步學(xué)會(huì)控制電路設(shè)計(jì)、原理分析、主要元件、參數(shù)的選擇，調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)以及參數(shù)計(jì)算等，通過(guò)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。2 設(shè)計(jì)方案的確定自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般要經(jīng)歷從“機(jī)械負(fù)載的調(diào)速性能（動(dòng)、靜）電機(jī)參數(shù)主電路控制方案”（系統(tǒng)方案的確定）“系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真研究參數(shù)整定直到理論實(shí)現(xiàn)要求硬件設(shè)計(jì)制版、焊接

7、、調(diào)試”等過(guò)程，其中系統(tǒng)方案的確定至關(guān)重要。為了發(fā)揮同學(xué)們的主管能動(dòng)作用，且避免方案及結(jié)果雷同，在選定系統(tǒng)方案時(shí)，規(guī)定外的其他參數(shù)有同學(xué)自己選定。2.1 主電路設(shè)計(jì)主電路采用二極管不可控整流，逆變器采用帶續(xù)流二極管的功率開(kāi)關(guān)管IGBT構(gòu)成H型雙極式控制可逆PWM變換器。2.2 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器。2.3 機(jī)械負(fù)載參數(shù)機(jī)械負(fù)載為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，調(diào)速范圍D=4；直流發(fā)電機(jī)： ；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2.4 主電源參數(shù)可以選擇單相交流220V供電；變壓器二次電壓為67V。2.5 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù) ，過(guò)載倍數(shù)。3 設(shè)計(jì)所需設(shè)備及儀器3.1 所需設(shè)備（1） MCL32電源控制屏（2）

8、MCL31組件（3）MCL10組件（4）MEL11掛箱（5）MEL03三相可調(diào)電阻（6）電機(jī)導(dǎo)軌及測(cè)速發(fā)電機(jī)（7）直流電動(dòng)機(jī)M03，直流發(fā)電機(jī)M013.2 所需儀器儀表（1） 示波器（2） 萬(wàn)用表4 課程設(shè)計(jì)原理及內(nèi)容4.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖4.1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(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 圖4.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

9、4.2 H橋雙極式逆變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。H形雙極式逆變器電路如圖1-2所示。這時(shí)電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。 圖4.2 H形雙極式逆變器電路雙極式逆變器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如下圖所示 圖4.3 H形雙極式逆變器的驅(qū)動(dòng)電壓波形他們的關(guān)系是：。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止，這時(shí)。當(dāng)時(shí)，、截止，但、不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時(shí)。在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征，電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)

10、脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，則的平均值為正，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，平均輸出電壓為零，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 （4.1）如果定義占空比，電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中 （4.2）調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為01相應(yīng)的。當(dāng)時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，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)。4.3

11、 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4.3.1 PWM控制器SG3525性能測(cè)試 分別連接“3”和“5”，“4”和“6”，“7”和“27”，“31”和“22”，“32”和“23”，然后打開(kāi)面板右下角的電源開(kāi)關(guān)。（1） 用示波器觀察“25”端的電壓波形，記錄波形的周期，幅度（包括S1開(kāi)關(guān)撥向“通”和“斷”兩種情況）（2） S5開(kāi)關(guān)打向0V，用示波器觀察“30”端電壓波形，調(diào)節(jié)RP2電位器，使方波的占空比為50%。S5開(kāi)關(guān)打向“給定”分別調(diào)節(jié)RP3,RP4，記錄“30”端輸出波形的最大占空比和最小占空比（分別記錄S2打向“通”和“斷”兩種情況）4.3.2 控制電路的測(cè)試（1） 邏輯延時(shí)時(shí)間的測(cè)試S5開(kāi)關(guān)打向“OV”

12、，用示波器觀察“33”和“34”端的輸出波形，并記錄延時(shí)時(shí)間Td=(2) 同一橋臂上下管子驅(qū)動(dòng)信號(hào)死區(qū)時(shí)間測(cè)試分別連接“7”和“8”，“10”和“11”，“12”和“13”，“14”和15，16和“17”，“18”和“19”，用雙蹤示波器分別測(cè)量Vvt1.gs和Vvt2.gs以及Vvt3.gs和Vvt4.gs的死區(qū)時(shí)間Td.vt1.vt2=Td.vt3.vt4=4.3.3 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)測(cè)試(1) 速度反饋系數(shù)的測(cè)試斷開(kāi)主電源，并逆時(shí)針調(diào)節(jié)調(diào)壓器旋鈕到底，斷開(kāi)“9”,“10”所接的電阻，接入直流電動(dòng)機(jī)M03，電機(jī)加上勵(lì)磁。S4扳向上，合上主電源。調(diào)節(jié)RP3電位器使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，并達(dá)到1400r/

13、min,調(diào)節(jié)FBS的反饋電位器RP，使速度反饋電壓為2V。（2） 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性測(cè)定使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)1400r/min，改變直流發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻Rd，在空載至額定負(fù)載范圍內(nèi)測(cè)取7-8個(gè)點(diǎn)，記錄相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n和直流發(fā)電機(jī)電流Id。表4.1 N=1400r/minn r/min1400130812901270125012401225Id A0.140.370.420.50.60.650.75調(diào)節(jié)RP3，使n=1000r/min和n=500r/min,做同樣的記錄，可得到電機(jī)在中速和低速時(shí)的機(jī)械特性。表4.2 N=1000r/minn r/min1000932915900875856836Id A0.12

14、0.280.350.40.50.60.7表4.3 N=500r/minn r/min500460430425400395375Id A0.10.20.250.30.350.40.5斷開(kāi)主電源，S4開(kāi)關(guān)撥向“負(fù)給定”,然后按照以上方法，測(cè)出系統(tǒng)的反向機(jī)械特性。表4.4 N=-1500r/minn r/min-1500-1390-1380-1369-1355-1340-1335-1300Id A-0.1-0.35-0.4-0.44-0.5-0.55-0.6-0.75表4.5 N=-1000r/minn r/min-1000-923-900-890-875-865-848Id A-0.1-0.28-

15、0.35-0.4-0.45-0.5-0.6表4.6 N=-500r/minn r/min-500-455-428-414-400-387-375-348Id A-0.08-0.16-0.25-0.3-0.35-0.4-0.45-0.64.3.4 閉環(huán)系統(tǒng)測(cè)試 將ASR,ACR均接成PI調(diào)節(jié)器接入系統(tǒng)，形成雙閉環(huán)不可逆系統(tǒng)。（1） 速度調(diào)節(jié)器的測(cè)試(a) 反饋電位器RP3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，使放大倍數(shù)最?。?b) “5”，“6”端接入MEL-11電容器，預(yù)置5-7.5uF；(c) 調(diào)節(jié)RP1,RP2使輸出限幅為正負(fù)2V.（2） 電流調(diào)節(jié)器的測(cè)試（a) 反饋電位器RP3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，使放大倍數(shù)最??；

16、（b) “5”“6”端接入MEL-11電容器，預(yù)置5-7.5uF；（c) S5開(kāi)關(guān)打向給定，S4開(kāi)關(guān)板向上，調(diào)節(jié)MCL-10的RP3電位器，使ACR正飽和，調(diào)節(jié)ACR的正限幅電位器RP1，用示波器觀察“30”的脈沖，不可移出范圍。S5開(kāi)關(guān)打向給定，S4開(kāi)關(guān)打向下至負(fù)給定，調(diào)節(jié)MCL-10的RP4電位器，使ACR輸出負(fù)飽和，調(diào)整ACR的負(fù)限幅電位器RP2，用示波器觀察“30”的脈沖，不可移出范圍。4.3.5 系統(tǒng)靜特性測(cè)試由于采用了脈寬調(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 （4.3） （4.4）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

17、在一個(gè)周期內(nèi)的電壓都是，平均電流用表示，平均轉(zhuǎn)速，而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫(xiě)成 （4.5）則機(jī)械特性方程式 （4.6）（1） 機(jī)械特性n=f(id)測(cè)定S5開(kāi)關(guān)打向給定，S4開(kāi)關(guān)扳向上，調(diào)節(jié)MCL-10的RP3電位器，使電機(jī)空載轉(zhuǎn)速至1400r/min，再調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻Rd,在空載至額定負(fù)載范圍內(nèi)分別記錄7-8點(diǎn)，可測(cè)出系統(tǒng)正轉(zhuǎn)時(shí)的靜特性曲線(xiàn)表4.7 N=1400r/minn r/min151915201525152215221522Id A0.130.40.50.550.60.7S5開(kāi)關(guān)打向給定，S4開(kāi)關(guān)打向下至負(fù)給定，調(diào)節(jié)MCL-10的RP4電位器，使

18、電機(jī)空載轉(zhuǎn)速至1400r/min，再調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻Rd，在空載至額定負(fù)載范圍內(nèi)分別記錄7-8點(diǎn)，可測(cè)出系統(tǒng)反轉(zhuǎn)的靜特性表4.8 n=-1500r/minn r/min-1510-1510-1499-1502-1503-1504-1503Id A-0.4-0.45-0.5-0.55-0.65-0.7-0.75（2）閉環(huán)控制特性n=f(UG）的測(cè)定S5開(kāi)關(guān)打向給定，S4開(kāi)關(guān)扳向上，調(diào)節(jié)MCL-10的RP3電位器，記錄Ug和n,可得出閉環(huán)控制特性n=f(UG)表4.9n r/min510709237900103511881319Ug V1.121.510.581.882.132.422.674.

19、3.6 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)波形的觀察用示波器觀察動(dòng)態(tài)波形并記錄動(dòng)態(tài)波形，在不同調(diào)節(jié)器參數(shù)下觀察，記錄下列波形：（1） 突加給定啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形（2） 突加額定負(fù)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形（3） 突降負(fù)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形 圖4.44.3.7 系統(tǒng)參數(shù)測(cè)定（1） 主電路電阻R及電機(jī)的電樞電阻Ra，平波電抗器的直流電阻Rl和整流裝置的內(nèi)阻Rn。首先測(cè)出主電路電阻R，然后將Ra短路，測(cè)出Rl和Rn總和，用R-（Rl+Rn）即可得出電阻Ra的值，接著將電阻Rl短路，測(cè)出Rn和Ra之和，用R-（Rn+Ra)即可得出Rl的值，最后用R-Rl-Ra即可得出Rn的值。表4.10

20、 測(cè)定總電阻RI A0.90.45U v6483可得R=U/I=（83-64）/（0.9-0.45）=42.23將電樞電阻Ra短路， 表4.11 測(cè)得其他電阻I A0.90.45U v7483可得Ra=R-U/I=42.23-(83-74)/(0.9-0.45)=22.23將直流電阻Rl短路， 表4.12 測(cè)得其他電阻I A0.90.45U v6073可得Rl=R-U/I=42.23-(73-60)/(0.9-0.45)=13.33最后得出整流裝置的內(nèi)阻Rn=42.23-22.23-13.33=6.67（2） 電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常熟Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)Cm的測(cè)定將電動(dòng)機(jī)加額定勵(lì)磁，使之空載運(yùn)行，改變電樞電壓

21、Ud，測(cè)得相應(yīng)的n,即可由下式算出CeCe=Ke&=（Ud2-Ud1)/(n2-n1)Ce的單位為V/（r/min)表4.13n r/min14001300Ud v195182可得出Ce=（195-182）/（1400-1300）=0.13V/(r/min)轉(zhuǎn)矩常數(shù)Cm的單位為N.m/A,可又Ce求出Cm=9.55Ce即Cm=9.55Ce=1.24N.m/A（3） 整流裝置特性Ud=f(Uct)(4) 測(cè)速發(fā)電機(jī)特性Utg=f(n)(5) 主電路電磁時(shí)常數(shù)Tc5 電路設(shè)計(jì)H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖2-1所示。PWM逆變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

22、電容濾波，以獲得恒定的直流電壓。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這時(shí)電容器兩端電壓升高稱(chēng)作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rz消耗掉這些能量，在泵升電壓達(dá)到允許值時(shí)接通VTz。圖5.1 H橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路四單元IGBT模塊型號(hào)：20MT120UF 主要參數(shù)如下：=1200V =16A =100 5.1 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對(duì)被控量進(jìn)行采樣，然后與給定值比較，決定調(diào)節(jié)器的輸出，反饋的關(guān)鍵是對(duì)被控量進(jìn)行采樣與測(cè)量。5.1.1 電流調(diào)節(jié)器由于電流檢測(cè)中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此

23、濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時(shí)間常數(shù)，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。為了平衡反饋信號(hào)的延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時(shí)間上配合恰當(dāng)。 圖5.2 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器5.1.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速反饋電路如圖5.3所示，由測(cè)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(shí)間常數(shù)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的原理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時(shí)間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。 圖5.3 含給定濾波與反饋濾波的PI型電轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器5.2 IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路原理圖5.4 EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖EXB841 系列驅(qū)動(dòng)器的各引腳功能如下：腳1 ：連

24、接用于反向偏置電源的濾波電容器；腳2 ：電源（ 20V ）；腳3 ：驅(qū)動(dòng)輸出；腳4 ：用于連接外部電容器，以防止過(guò)流保護(hù)電路誤動(dòng)作（大多數(shù)場(chǎng)合不需要該電容器）；腳5 ：過(guò)流保護(hù)輸出；腳6 ：集電極電壓監(jiān)視；腳7 、8 ：不接；腳9 ：電源；腳10 、11 ：不接；腳14 、15 ：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（-，）。6 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，電路基本數(shù)據(jù)如下：1)PWM裝置放大系數(shù)；2)電樞回路總電阻R=42.233)電磁時(shí)間常數(shù)；4)機(jī)電時(shí)間常數(shù)；5)調(diào)節(jié)器輸入電阻；6)觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的允許過(guò)載倍數(shù)=1.5； 設(shè)計(jì)指標(biāo)：1)靜態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差；2)動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速

25、時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。計(jì)算反饋關(guān)鍵參數(shù)： （6.1） （6.2）6.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì)1）確定時(shí)間常數(shù)PWM裝置滯后時(shí)間常數(shù)：。電流濾波時(shí)間常數(shù):。(和一般都比小得多,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié))。2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：，而且 （6.3）可按典型型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型的，其傳遞函數(shù)為 （6.4）式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。3）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)；電流環(huán)開(kāi)環(huán)時(shí)間增益:要求，故應(yīng)取，因此 （6.5）于是，ACR的比例系數(shù)為: （6.6）4）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率: （6.7）（

26、1）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： （6.8）即 （6.9）滿(mǎn)足近似條件；（2）忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件： （6.10）即 （6.11）滿(mǎn)足近似條件；（3）小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： （6.12）即 （6.13）滿(mǎn)足近似條件。5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 調(diào)節(jié)器輸入電阻為，各電阻和電容值計(jì)算如下 取 （6.14），取 （6.15），取 （6.16）6.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)1）確定時(shí)間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù) （2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) （3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié),為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)

27、置一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此需要由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （6.17）3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取，則ASR超前時(shí)間常數(shù)為 （6.18）轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益： （6.19）ASR的比例系數(shù)： （6.20）4）近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為： （6.21）（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件： （6.22）現(xiàn)在 （6.23） 滿(mǎn)足簡(jiǎn)化條件。（2）小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： （6.24）現(xiàn)在 （6.25）滿(mǎn)足近似條件。5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻 ，則，取200 （6.26），取0.2 （6.27），取0.5 （6.28）6）檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表得，=37.6%，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于這是按線(xiàn)性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線(xiàn)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。設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)z=0。 （6.29）當(dāng)h=5時(shí)， （6.30）而 （6.31）因此 （6.32）滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。7 總結(jié) 通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中雖然遇到了一些問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出