電力拖動運動控制系統(tǒng)課程設計正文

1、1設計任務及要求1.1設計任務初始條件：1. 直流電機參數(shù)：PN=3KV，UN=220V,IN=17AnN=1500r/min,Ra=0.2Q,勵磁：它勵，勵磁電壓220V2. 進線交流電源：三相380V性能指標：系統(tǒng)可逆，轉速、電流調(diào)節(jié)無靜差要求完成的主要任務：1. 轉速調(diào)節(jié)器及其反饋電路設計電流調(diào)節(jié)器及其反饋電路設計2. 集成脈寬調(diào)制電路設計（如3524）驅動電路設計（如IR2110）3. PWM主電路設計1.2設計要求課程設計說明書應嚴格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，堅決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象。滿足如下要求：1. 對系統(tǒng)設計方案的先進性、實用性和可行性進行論證，說明系統(tǒng)工作原理。2. 畫出單元電

2、路圖，說明工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計算過程。3. 畫出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標準。4. 可逆運行，轉速和電流穩(wěn)態(tài)無差轉速超調(diào)量小于10%、電流超調(diào)量不超過5%。2任務分析2.1概述轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能好、應用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和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)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。本設計是以直流PW控制調(diào)速系統(tǒng)進行調(diào)速，采用轉速調(diào)節(jié)器ASR以及電流調(diào)節(jié)器ACF并用PI調(diào)節(jié)器進行校

3、正，對反饋信號進行采集，處理起到無靜差效果。用25LJPF40電力二極管進行整流，以及濾波，通過驅動電路的作用將控制電路輸出的PWM信號得到IGBT可靠的導通和關斷，并用霍爾傳感器對電流取樣進而反饋至電流調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)同時設有過流保護，為此達到雙閉環(huán)可逆調(diào)速。2.2方案設計該方案主要由給定環(huán)節(jié)、ASRACR觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測環(huán)節(jié)以及電流檢測環(huán)節(jié)組成。為了使轉速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統(tǒng)設置了電流調(diào)節(jié)器ACF和轉速調(diào)節(jié)器ASR電流調(diào)節(jié)器ACF和電流檢測反饋回路構成了電流環(huán)；轉速調(diào)節(jié)器ASR和轉速檢測反饋回路構成轉速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉速換包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉

4、速環(huán)為外環(huán)。在電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當做ACR的輸入，再由ACR得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都米用具有輸入輸出限幅功能的PI調(diào)節(jié)器，且轉速和電流都采用負反饋閉環(huán)。該方案的原理框圖如下圖所示。圖1原理框圖2.3系統(tǒng)設計系統(tǒng)設計主要包括兩個方面的設計：電流調(diào)節(jié)器的設計、速度調(diào)節(jié)器的設計。這兩個部分構成了調(diào)速系統(tǒng)，完成了所需設計的任務要求。為實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套連接，如圖所示。把轉速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸

5、入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如上圖所示。圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調(diào)節(jié)器ASR勺輸出限幅電壓U*im決定后了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR勺輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。2

6、.4調(diào)速系統(tǒng)原理分析從靜特性方面分析：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載小于Idm表現(xiàn)為轉速無靜差，這時轉速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流達到Idm時，對應于轉速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時電流調(diào)節(jié)器起主要作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。從動態(tài)性能方面分析：啟動階段充分利用電動機的過載能力，保證了啟動的快速性。進入正常運行后，兩個調(diào)節(jié)器相互配合，使系統(tǒng)具有很好的抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動。綜上所述，電流調(diào)節(jié)器和轉速調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下：電流調(diào)節(jié)器作用：(1) 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊A跟隨其給定電壓：(即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量)變化。(2) 對

7、電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。(3) 在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。(4) 當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。轉速調(diào)節(jié)器作用：(1) 轉速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉速n很快地跟隨給定電壓I變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。(2) 對負載變化起抗擾作用。(3) 其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。3電路設計3.1電流調(diào)節(jié)器及反饋電路的設計電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓(即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量)變化。對電網(wǎng)電壓的

8、波動起及時抗擾的作用。在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。由于電流檢測信號中常常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，氣濾波時間常數(shù)Toi按需要選定，以濾平電流檢測信號為準。為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加上一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。3.2轉速調(diào)節(jié)器及其反饋電路的設計轉速反饋電路如3所示，由測速發(fā)電機得到的轉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間常數(shù)Ton=0.012S

9、。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上也加入相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖3轉速反饋電路轉速反饋環(huán)節(jié)主要作用是將測速發(fā)電機輸出的電壓進行濾波，濾除交流分量并變換為能滿足系統(tǒng)需要的與電動機轉速成正比的電壓作為系統(tǒng)的轉速反饋信號，另外還備有轉速的檢測信號。3.3集成脈寬調(diào)制電路PWM成電路如圖4所示，SG3524生成的PWM信號經(jīng)過一個非門轉為兩路相反的PWMS號，為了確保上下兩橋臂不會直通發(fā)生事故，中間加入電容C1、C2進行邏輯延時，后面再加上非門和與門構成的板胡電路。Vss本設計采用集成脈寬調(diào)制器SG3524乍為脈沖信號發(fā)生的核心元件。根據(jù)主電路中IGBT的開關頻率，選擇適當?shù)腞t、Ct值

10、即可確定振蕩頻率。由初始條件知開關頻率為10kHz,可以選擇R=122、G=0.01uF。電路中的PWMH號由集成芯片SG352鏟生，SG3524可為脈寬調(diào)制式推挽、橋式、單端及串聯(lián)型SMPS固定頻率開關電源）提供全部控制電路系統(tǒng)的控制單元。由它構成的PW型開關電源的工作頻率可達100kHz,適宜構100-500W中功率推挽輸出式開關電源。SG3524采用是定頻PWNfe路QIP-16型封裝。由SG3524構成的基本電路如圖5所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產(chǎn)生+5V基準電壓。9腳是誤差放大器的輸出端，在1、9引腳之間接入外部阻容元件構成PI調(diào)節(jié)器，可提高穩(wěn)態(tài)精度。12、13引腳通過電阻與

11、+15V電壓源相連，供內(nèi)部晶體管工作，由電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓作為2引腳輸入，通過其電壓大小調(diào)節(jié)11、14引腳的輸出脈沖寬度，實現(xiàn)脈寬調(diào)制變換器的功能實現(xiàn)。SG3524勺基準源屬于常規(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匕較器、T型觸發(fā)器等以及通過16腳向外均提供+5V的工作電壓和基準電壓,振蕩器先產(chǎn)生的連續(xù)不對稱鋸齒波電壓Vj,再變換成矩形波電壓,送至觸發(fā)器、或非門,并由3腳輸出。振蕩器頻率由SG3524勺6腳、7腳外接電容器CT和外接電阻器RT決定，其值為:f=1.15/RTCT?？紤]到對CT的充電電流為一般為30卩A-2mA）,因此RT的取值范圍為1.8kQ10

12、0kQ,CT為0.001卩F0.1卩F,其最高振蕩頻率為300kHz。開關電源輸出電壓經(jīng)取樣后接至誤差放大器的反相輸入端，與同相端的基準電壓進行比較后，產(chǎn)生誤差電壓Vr,送至PWM匕較器的一個輸入端,另一個則接鋸齒波電壓,由此可控制PWM比較器輸出的脈寬調(diào)制信號。3.4驅動電路的設計如圖6所示如圖6所示NCVDD.HIN匚SD匸LIN匚VSS匸NC匚IGBT驅動采用了集成芯片IR2110,IR2110采用14端DIP封裝，引出端排列 HOUBnUs3Nc3Vcc COM2LO圖6IR2110管腳圖它的各引腳功能如下:腳1（LO是低端通道輸出；腳2（COM是公共端；腳3（Vss）是低端固定電源電

13、壓；腳5（Us）是高端浮置電源偏移電壓；腳6（Ub）是高端浮置電源電壓；腳7（HO是高端輸出；腳9（Sd）是邏輯電路電源電壓；腳10（HIN）、腳11（SD、腳12（LIN）均是邏輯輸入；腳13（Vss）是邏輯電路地電位端外加電源電壓，其值可以為0V;腳4、腳8、腳14均為空端。IGBT驅動電路如圖7所示0IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMO工藝制作，具有獨立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標準的CMO輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達500V,du/dt=±50V/ns，在15V下的靜態(tài)功耗僅有1.6mV；輸出的柵極驅動電壓范圍為1020V,邏輯電源電壓范圍為51

14、5V,邏輯電源地電壓偏移范圍為5V+5VoIR2110采用CMO施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。推挽式驅動輸出峰值電流2A,負載為1000pF時，開關時間典型值為25ns。兩路匹配傳輸導通延時為120ns,關斷延時為94ns。IR2110的腳10可以承受2A的反向電流ABCABC圖7IGBT驅動電路3.5PWM主電路設計橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖8所示。PWM變換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，并采用大電容C6濾波，以獲得恒定的直流電壓Us。由于電容容量較大，突加電源時相當于短路，勢必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管，為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之

15、間傳入電阻Rz,合上電源后，用延時開關將Rz短路，以免在運行中造成附加損耗。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機制動時只好對濾波電容充電，這式電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rx消耗掉這些能量，在泵升電壓達到允許值時接通VTo圖8橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路4.調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定4.1電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算根據(jù)電動機的額定參數(shù)計算電動勢系數(shù)，額定狀態(tài)運行時Un=INRaCenN于是可得CeCe220-170.20.144V*min/r1500電流反饋系數(shù)匕=1CV/1.5In：0.39V/API調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設計，根據(jù)無凈差要求，

16、選用先確定電流環(huán)時間常數(shù)電流濾波時間常數(shù)人=0.002sPW碉壓系統(tǒng)的滯后時間Ts=0.0001s電流環(huán)小時間常數(shù)之和，按小時間常數(shù)近似處理，取TTsToi=0.0021s調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)Wacr(s)*Wacr(s)*jS1is式中Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。ACR超前時間常數(shù).j=T|=0.03s電流開環(huán)增益：因要求二i豈5%，故應取KIT0.5，因此式中Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。ACR超前時間常數(shù).j=T|=0.03s電流開環(huán)增益：因要求二i豈5%，故應取KIT0.5，因此KiKi0.5_0.5T.0.0021H238.1S-1于是

17、ACR勺比例系數(shù)為于是ACR勺比例系數(shù)為iRaKsiRaKs=238.10.3940-0.09計算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)調(diào)節(jié)器原理圖如圖13所示按所用運算放大器，取Ro=40k各電阻和電容值計算如下：R=Kj民=0.0940=3.6k；：3G/R=(0.03/3.6)10=8.33F3Coi=4Toi/農(nóng)=(40.002/40)10=0.20F4.2電流參數(shù)的校驗計算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)調(diào)節(jié)器原理圖如圖13所示按所用運算放大器，取Ro=40k各電阻和電容值計算如下：R=Kj民=0.0940=3.6k；：3G/R=(0.03/3.6)10=8.33F3Coi=4Toi/農(nóng)=(40.002/40)1

18、0=0.20F4.2電流參數(shù)的校驗校驗近似條件：電流環(huán)截止頻率-cKi=238.1sJ校驗PW調(diào)壓系統(tǒng)傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足匕乞3TS因為33333.33ci，所以滿足近似條件校驗忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是否滿足現(xiàn)在，滿足近似條件校驗小時間常數(shù)近似處理是否滿足條件-c11。TsTOi現(xiàn)在11=1、1=745.36s)ci，滿足近似條件3*硏30.00019002按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動態(tài)設計指標要求和近似條件4.3轉速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算轉速反饋系數(shù):=107/nN=0.0067Vmin/r首先確定轉速環(huán)時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)2T.j=0.0042s轉速濾波時間常數(shù)Ton，根據(jù)

19、測速發(fā)電機的紋波情況取To0.01s；轉速環(huán)小時間常數(shù)T.n，按小時間常數(shù)盡速處理取=2TX.Ton仁0.0142s根據(jù)設計要求，轉速環(huán)應該設計為典型U型系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器也采用PI型，其傳遞函數(shù)為WASR(S)=KnnS1nS根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取h=5則ASRg前時間常數(shù)=hTn=590142=0.071s轉速環(huán)開環(huán)增益KnKn62=595.122250.0142于是ASM比例系數(shù)為KnKn(h1)GTm2hRaKn=177.1調(diào)節(jié)器原理圖如圖13所示，按所用運算放大器，取尺=40各電阻和電容值計算如下：尺二心尺=177.140=7084k3Cn=n/Rn=(0.071/7084)

20、10=0.0VlF3Con=4T°n/Ro=(40.01/40)10=F4.4轉速參數(shù)的校驗校驗近似條件：轉速環(huán)截止頻率&二Knn=42.25s，校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足現(xiàn)在5T程侮活.、，滿足簡化條件校驗小時間常數(shù)近似處理是否滿足-'cn0現(xiàn)在11302T°nT實i11320.010.0021=51.43,cn，滿足近似條件5總結與體會這次課程設計歷時一周，在整整一個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。經(jīng)過這次課程設計我感受頗多。在正式進行設計之前，我參考了一些網(wǎng)上的資料，通過對這些設計方案來開拓自己的思路，最后終于有了自己的思路。課程設計是實踐課的一種，在很大程度上實現(xiàn)了動手與動腦，理論與實際的相互結合，既是對工業(yè)環(huán)境的一個簡單縮影，又是對理論知識的一種檢驗，很好地實現(xiàn)了從書本到實際操作的一個過渡。課程設計不僅是對前面所學電力電