自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、黑龍江科技大學(xué)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 課程名稱(chēng) 自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)一、設(shè)計(jì)題目 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)二、設(shè)計(jì)任務(wù)以安裝在面板上的12V直流電機(jī)為被控對(duì)象，設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系 統(tǒng)，使其轉(zhuǎn)速在01500rpm連續(xù)可調(diào)；應(yīng)有被控對(duì)象的檢測(cè)和反饋環(huán)節(jié)，重點(diǎn)在于調(diào)節(jié)器的合理設(shè)計(jì)。三、設(shè)計(jì)要求1、控制對(duì)象為實(shí)際物理對(duì)象：溫度、直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及機(jī)組。 2、在閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，系統(tǒng)達(dá)到無(wú)差調(diào)節(jié)；3、外加干擾信號(hào)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)到穩(wěn)態(tài)無(wú)差；4、以自動(dòng)控制原理為依據(jù)，控制實(shí)際的模擬對(duì)象，加深對(duì)理論的理解；5、學(xué)習(xí)和掌握閉環(huán)反饋系統(tǒng)的控制方法；6、掌握閉環(huán)控制

2、系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。第一章 系統(tǒng)工作原理直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1-1所示：圖1-1 原理框圖1.1 結(jié)構(gòu)與調(diào)速原理直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其間有一定的氣隙。其構(gòu)造的主要特點(diǎn)是具有一個(gè)帶換向器的電樞。直流電機(jī)的定子由機(jī)座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等部件組成。其中主磁極是產(chǎn)生直流電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的主要部件，由永磁體或帶有直流勵(lì)磁繞組的疊片鐵心構(gòu)成。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子則由電樞、換向器（又稱(chēng)整流子）和轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由硅鋼片疊成，在其外圓處均勻分布著齒槽，電樞繞組則嵌置于這些槽中。換向器是一種機(jī)械整流部件。由換向片疊成

3、圓筒形后，以金屬夾件或塑料成型為一個(gè)整體。各換向片間互相絕緣。換向器質(zhì)量對(duì)運(yùn)行可靠性有很大影響。直流電機(jī)斬波調(diào)速原理是利用可控硅整流調(diào)壓來(lái)達(dá)直流電機(jī)調(diào)速的目的，利用交流電相位延遲一定時(shí)間發(fā)出觸發(fā)信號(hào)使可控硅導(dǎo)通即為斬波，斬波后的交流電經(jīng)電機(jī)濾波后其平均電壓隨斬波相位變化而變化。為了達(dá)到控制直流電機(jī)目的，在控制回路加入了速度、電壓、電流反饋環(huán)路和PID調(diào)節(jié)器來(lái)防止電機(jī)由于負(fù)載變化而引起的波動(dòng)和對(duì)電機(jī)速度、電壓、電流超常保護(hù)。第二章 主電路的設(shè)計(jì)與分析2.1 主電路的各個(gè)部分電路主電路主要環(huán)節(jié)是：整流電路、斬波電路。圖2-1 調(diào)速系統(tǒng)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成如圖2-1所示，由主電路、控制及保護(hù)電路、

4、信號(hào)檢測(cè)電路三大部分組成。二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，電阻R1為起動(dòng)限流電阻，C1為濾波電容?？赡鍼WM變換器主電路系采用MOSFET所構(gòu)成的H型結(jié)構(gòu)形式，它是由四個(gè)功率IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）和四個(gè)續(xù)流二極管（VD1、VD2、VD3、VD4）組成的雙極式PWM可逆變換器，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機(jī)M上可得到正或負(fù)的直流電壓。2.1.1 整流電路晶體二極管橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成"橋"式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。圖2-2 整流電路橋式整流電路的工作原

5、理如下：e2 為正半周時(shí)，對(duì)D1 、D3 和方向電壓，Dl，D3 導(dǎo)通；對(duì)D2 、D4 加反向電壓，D2 、D4 截止。電路中構(gòu)成e2 、Dl、Rfz 、D3 通電回路，在Rfz ，上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓，e2 為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2 、D4 加正向電壓，D2 、D4 導(dǎo)通；對(duì)D1 、D3 加反向電壓，D1 、D3 截止。電路中構(gòu)成e2 、D2 Rfz 、D4 通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。如此重復(fù)下去，結(jié)果在R ，上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖2-2中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級(jí)電壓的最大值，比全波

6、整洗電路小一半！2.1.2 斬波調(diào)速電路直流電動(dòng)機(jī)往往需要正、反向運(yùn)行，而且有電動(dòng)和制動(dòng)工作狀態(tài)，這就需要四象限斬波變換電路為電動(dòng)機(jī)供電。圖2-3給出了四象限斬波調(diào)速主電路原理圖。T1T4組成了全橋電路，又稱(chēng)H橋型電路；TA1檢測(cè)母線的電流大小和方向，TA2檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的電流大小和方向；電容C用來(lái)減小開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的電壓波紋壓敏電阻Rv用來(lái)抑制電壓尖峰。電機(jī)的工作狀態(tài)同供電方式和負(fù)載有關(guān)。圖2-3 斬波調(diào)速電路電機(jī)正向電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，變換器工作在第一象限，使T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷，根據(jù)轉(zhuǎn)速要求對(duì)T1進(jìn)行PWM調(diào)制，此時(shí)變換器等效一個(gè)降壓斬波電路，能量由直流電源供向負(fù)載。如果希望電機(jī)運(yùn)行于正想制動(dòng)

7、狀態(tài)，可使T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷，變換器等效一個(gè)升壓斬波電路；調(diào)控T2電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)升壓變換得到一個(gè)略大于Ud的電壓，使得電動(dòng)機(jī)輸出電流反向，電磁轉(zhuǎn)矩反向，直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)的能量就回饋到電網(wǎng)，轉(zhuǎn)速下降。同理，T2導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷，調(diào)控T3，電動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行在反向電動(dòng)狀態(tài)；T2導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷，調(diào)控T4，電動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行在反向制動(dòng)狀態(tài)。第三章 控制電路的設(shè)計(jì)與分析控制電路（如圖3-1）主要環(huán)節(jié)是：觸發(fā)電路、電壓電流檢測(cè)單元、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)與故障保護(hù)電路。主電路電力電子開(kāi)關(guān)器件要采用IGBT，并且系統(tǒng)具有完善的保護(hù)。圖3-1 控制電路3.1 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)與分析鋸齒波同

8、步移相觸發(fā)電路由同步檢測(cè)，鋸齒波形成，移相控制，脈沖形成，脈沖放大等環(huán)節(jié)組成。3.2脈寬調(diào)制（PWM）控制的設(shè)計(jì)與分析根據(jù)IGBT的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)用脈寬調(diào)制（PWM）控制方式對(duì)開(kāi)關(guān)管的占空比進(jìn)行控制。采用的芯片是脈寬調(diào)制器SG3525。要改變輸出脈沖PWM的占空比， 只要改變調(diào)制信號(hào)Ur的電壓大小即可實(shí)現(xiàn) 。它主要由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、震蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟啟動(dòng)電路、輸出電路構(gòu)成。3.2.1 欠壓鎖定功能 基準(zhǔn)電壓調(diào)整器受15端的外加直流電壓Vc的影響，當(dāng)Vc低于7V或嚴(yán)重欠壓時(shí)，基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的精度值就得不到保證，由于設(shè)置了欠壓鎖定電路，當(dāng)出現(xiàn)欠電壓時(shí)，

9、欠電壓鎖定功能使A端線由低電壓上升為邏輯高電平經(jīng)過(guò)或非門(mén)輸出轉(zhuǎn)化為P1=P2=0 ,SG3525的13腳輸出電平，功率驅(qū)動(dòng)電路輸出至功率場(chǎng)效應(yīng)管的控制脈沖消失，逆變器無(wú)電壓輸出。3.2.2系統(tǒng)的故障關(guān)閉功能為便于從主回路受檢測(cè)到的故障信號(hào)，集成控制器內(nèi)部T3晶體管基極經(jīng)一電阻連接10引腳。過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)檢測(cè)到的故障信號(hào)使10腳為高電平，由于T3基極與A端線相連，故障信號(hào)產(chǎn)生的關(guān)閉過(guò)程與欠電壓鎖定過(guò)程類(lèi)似。在電路中，過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)還輸出一個(gè)信號(hào)到與門(mén)的輸入端，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流信號(hào)時(shí)，檢測(cè)環(huán)節(jié)輸出一低電平信號(hào)到與門(mén)的輸入端，使脈沖消失，與SG3525的故障關(guān)閉功能一起構(gòu)成雙重保護(hù)。3.2.3軟起動(dòng)功能軟起動(dòng)

10、功能的實(shí)現(xiàn)主要由晶體管T3和外接電容C3及鎖存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)出現(xiàn)欠壓或者有過(guò)流故障時(shí)，A端線高電平傳到T3晶體管基極，T3導(dǎo)通為8引腳外接電容C3提供放電的途徑，C3經(jīng)T3放電到零電壓后，限制了比較器的PWM脈沖電壓輸出，該電壓上升為恒定的邏輯高電平，PWM高電平經(jīng)PWM鎖存器輸出至D端線仍為恒定的邏輯高電平，C3電容重新充電之前，D端線的高電平不會(huì)發(fā)生變化，封鎖輸出。當(dāng)故障消除后， A端線恢復(fù)為低電壓正常值，T3截止，C3電容由50A電流源緩慢充電，C3充電對(duì)PWM和D端線脈沖寬度產(chǎn)生影響，同時(shí)對(duì)P1和P2輸出脈沖產(chǎn)生影響，其結(jié)果是使P1和P2脈沖由窄緩慢變寬，只有C3充電結(jié)束后，P1和P2

11、的脈沖寬度才不受C3充電的影響。這種軟啟動(dòng)方式，可使系統(tǒng)主回路電機(jī)及功率場(chǎng)效應(yīng)管避免承受過(guò)大的沖擊浪涌電流。3.2.4 波形的產(chǎn)生及控制方式分析鋸齒波作為載波信號(hào)Ut，調(diào)制信號(hào)由9腳輸入，此圖中，調(diào)制信號(hào)由可調(diào)電位器RP上的電壓信號(hào)Ur和外加的給定信號(hào)Ug疊加而成，RP上的電壓信號(hào)用于確定脈寬調(diào)制波的初始占空比，Ug可正可負(fù)，用于控制逆變器輸出電壓的大小和極性，Ug也可以由摸擬或數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出來(lái)控制，構(gòu)成閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。集成控制器SG3525的輸出側(cè)采用推拉式電路，可使關(guān)斷速度加快。11腳、14腳與12腳連接。PWM脈沖由13腳輸出，這樣能夠保證13腳的輸出與鎖存器的輸出一致。鋸齒波與調(diào)制

12、波的交點(diǎn)比較功能由比較器完成，UtUr時(shí)，比較器輸出的PWM波形由邏輯低電平變?yōu)楦唠娖剑琔tUr時(shí)，比較器輸出的PWM波形由邏輯高電平變?yōu)榈碗娖?。為保證PWM波寬不至于太窄，用PWM鎖存器鎖存高電平值，并在CP脈沖下跳時(shí)對(duì)鎖存器清零，以進(jìn)行下一個(gè)比較點(diǎn)的鎖存。3.3 延時(shí)、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)在可逆變換器中，跨接在電源Us兩端的上、下兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管經(jīng)常交替工作，由于功率場(chǎng)效應(yīng)管的關(guān)斷要有一定的時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)功率場(chǎng)效應(yīng)管并未完全關(guān)斷。如果在此期間另一個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管已經(jīng)導(dǎo)通，則將造成上下兩管直通，從而使電源正負(fù)極短路。為了避免發(fā)生這種情況。設(shè)置了由R、C電路構(gòu)成的邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)。保證在對(duì)一個(gè)管子發(fā)出

13、關(guān)閉脈沖后，延時(shí)2S左右的時(shí)間后再發(fā)出對(duì)另一個(gè)管子的開(kāi)通脈沖。如圖所示，Ua為SG3525的13腳輸出占空比可調(diào)的脈沖波形（占空比調(diào)節(jié)范圍不小于0.10.9），經(jīng)過(guò)RC移相后，輸出兩組互為到相、死區(qū)時(shí)間為4S左右的脈沖，經(jīng)過(guò)光耦隔離后，分別驅(qū)動(dòng)四只IGBT管，其中VT1、VT4驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，VT2、VT3驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同。圖3-3 延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路3.4 ASR和ACR調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)3.4.1 ASR（速度調(diào)節(jié)器）速度調(diào)節(jié)器ASR的功能是對(duì)給定和反饋兩個(gè)輸入量進(jìn)行加法，減法，比例，積分和微分等運(yùn)算，使其輸出按某一規(guī)律變化。它由運(yùn)算放大器，輸入與反饋網(wǎng)絡(luò)及二極管限幅環(huán)節(jié)組成。其原理圖如圖3-4所示。 圖3-

14、4 速度調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR也可當(dāng)作電壓調(diào)節(jié)器AVR來(lái)使用。速度調(diào)節(jié)器采用電路運(yùn)算放大器，它具有兩個(gè)輸入端，同相輸入端和倒相輸入端，其輸出電壓與兩個(gè)輸入端電壓之差成正比。電路運(yùn)算放大器具有開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)大，零點(diǎn)漂移小，線性度好，輸入電流極小，輸出阻抗小等優(yōu)點(diǎn)，可以構(gòu)成理想的調(diào)節(jié)器。圖1-7中，由二極管VD4，VD5和電位器RP2，RP3組成正負(fù)限幅可調(diào)的限幅電路。由C2，R9組成反饋微分校正網(wǎng)絡(luò)，有助于抑制振蕩，減少超調(diào)，R15，C1組成速度環(huán)串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)。場(chǎng)效應(yīng)管V5為零速封鎖電路，當(dāng)4端為0V時(shí)VD5導(dǎo)通，將調(diào)節(jié)器反饋網(wǎng)絡(luò)短接而封鎖，4端為-13V時(shí)，VD5夾斷，調(diào)節(jié)器投入工作。RP1為放

15、大系數(shù)調(diào)節(jié)電位器。元件RP1，RP2，RP3均安裝在面板上。電容C1兩端在面板上裝有接線柱，電容C2兩端也裝有接線柱，可根據(jù)需要外接電容。3.4.2 ACR（電流調(diào)節(jié)器）電流調(diào)節(jié)器適用于可控制傳動(dòng)系統(tǒng)中，對(duì)其輸入信號(hào)（給定量和反饋量）時(shí)進(jìn)行加法、減法、比例、積分、微分，延時(shí)等運(yùn)算或者同時(shí)兼做上述幾種運(yùn)算。以使其輸出量按某種予定規(guī)律變化。它是由下述幾部分組成：運(yùn)算放大器，兩極管限幅，互補(bǔ)輸出的電流放大級(jí)、輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)、反饋?zhàn)杩咕W(wǎng)絡(luò)等。圖3-5 電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器與速度調(diào)節(jié)器相比，增加了4個(gè)輸入端，其中2端接過(guò)流推b信號(hào)，來(lái)自電流變換器的過(guò)流信號(hào)Ub，當(dāng)該點(diǎn)電位高于某值時(shí)，VST1擊穿，正信號(hào)輸

16、入，ACR輸出負(fù)電壓使觸發(fā)電路脈沖后移。UZ、UF端接邏輯控制器的相應(yīng)輸出端，當(dāng)這二端為高電平時(shí)，三極管V1、V2導(dǎo)通將Ugt和Ugi信號(hào)對(duì)地短接，用于邏輯無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)。晶體管V3和V4構(gòu)成互補(bǔ)輸出的電流放大級(jí)，當(dāng)V3、V4基極電位為正時(shí)，V4管（PNP型晶體管）截止，V3管和負(fù)截構(gòu)成射極跟隨器。如V3，V4基極電位為負(fù)時(shí)，V3管（NPN型晶體管）截止，V4管和負(fù)截構(gòu)成射極跟隨器。接在運(yùn)算放大器輸入端前面的阻抗為輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)。改變輸入和反饋?zhàn)杩咕W(wǎng)絡(luò)參數(shù)，就能得到各種運(yùn)算特性。元件RP1、RP2、RP3裝在面板上，C1、C2的數(shù)值可根據(jù)需要，由外接電容來(lái)改變。參考文獻(xiàn) 1石玉、栗書(shū)賢電力電子技術(shù)題例與指導(dǎo)機(jī)械工業(yè)出版社，1998 2王兆安、黃俊電