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(jì)(專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式)

專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告（級(jí)本科）題目：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(jì)學(xué)院：學(xué)院專業(yè)：班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：同組同學(xué)：設(shè)計(jì)時(shí)間：評(píng)定成績：指導(dǎo)教師：年月大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱專業(yè)課程設(shè)計(jì)課程代碼設(shè)計(jì)題目轉(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(jì)（可以米用晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，也可以采用直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng))設(shè)計(jì)時(shí)間年月日?年月日學(xué)院學(xué)院專業(yè)班級(jí)課程設(shè)計(jì)任務(wù)、具體技術(shù)參數(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)：確定控制系統(tǒng)方案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)控制肪案確定每一級(jí)的具體技術(shù)指標(biāo)(如放大倍數(shù)、輸入輸出電阻、電源電壓等)在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器,然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié),再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。由于電流檢測信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時(shí)間常數(shù)T按需要選定，oi以濾平電流檢測信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(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,濾波時(shí)間常數(shù)用T表示，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)on為T的給定濾波環(huán)節(jié)。on2.1電流環(huán)的設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)整流裝置之后時(shí)間常數(shù)Ts。三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s。電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。為了基本濾平波頭。因此取Toi=2ms=0.02s。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T工。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T￡=Ts+Toi=0.0037s。選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求b%<5%并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按照典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)i器，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。 其傳遞函數(shù)為W(s)=K二凹二1.013°代+1。ACR its 0.03si

含給定濾波與反饋濾波的PI含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)要求b%<5%時(shí)，應(yīng)取KT^=0.5，因此K=T二0.50.0037二135.1S-10.05x40=1.013。于是，K=K洛」35"°03X°50.05x40=1.013。1 1卩Ks校驗(yàn)近似條件要求oV丄,要求oV丄,ci3Tsci1現(xiàn)—二3T 3x0.00171——S-1二196.1S-1>Oci要求O要求Oci1=ES一1=4243S一1<Oci要求oci1要求oci1■1

<i3\TTsoi現(xiàn) TF=1'soi1310.0017x0.002s_1=180.8s_1>Oci計(jì)算電流調(diào)節(jié)器電阻和電容取R=4Ok0，則0R=KR=1.013x40R=KR=1.013x40kG=40.52kGn n00.03廠F=0.75pF40x103取R二40k0nT―iRi取0.75卩F4x4x0002x106M=0.2M取0.2卩FCoi4T oiR 40x1030按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為b%二4.3%<5%，故滿足設(shè)計(jì)要求。i2.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)(1)確定時(shí)間常數(shù)

電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為2乞=0.0074s。根據(jù)所用發(fā)電機(jī)紋波情況’取轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)T=0.01s。轉(zhuǎn)速小時(shí)間常數(shù)近似處理，取心=2T+T=0.0174s。on n iion電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為2乞=0.0074s。根據(jù)所用發(fā)電機(jī)紋波情況’取轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)T=0.01s。轉(zhuǎn)速小時(shí)間常數(shù)近似處理，取心=2T+T=0.0174s。on n iion(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為W (s)=KASR ,TS+1—H TSn-onanCn L__111 〉c/if *A十+LL1-Oil含給定濾波與反饋濾波的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(3)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h—5，則t—hT》—5x0.0174s—0.087s2h2T2 2x25x0.01742宀=396.45-2(h+1)pCT 6x0.05x0.132x0.18=口？10x0.007x0.5x0.174= .2haRT^(4)檢驗(yàn)近似條件①—Kt—396.4x0.087st—34.5st。cn Nn1 、K 1 1K要求°＜網(wǎng)応，現(xiàn)3忑cn1=3血0037s一1?63?7s一1皿。滿足簡化條件cncn<1呂現(xiàn)1工—二.3丫Ton 3T3V-lb1=38““。滿足近似條件cnon⑸計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取R0=4Ok0，則二KR二11.7x40kG=468kG取R二468kG0 nT0087”二 x106^F沁0.185pF取0.2卩FR 470x103n4T 4x0.01Con”二 x106pF二1pF取1pFConR 40x1030校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量b%=ACmaxx2（X-z）^N?nC nTTOC\o"1-5"\h\zb N m當(dāng)h=5時(shí)，升二81.2%，而叫二爭='min二515.2"min，因此b\o"CurrentDocument"b%=81.2%x2xl.5x5152x0.0174=7.66%<10%n 1600 0.18⑺校驗(yàn)過渡過程時(shí)間空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過渡過程時(shí)間\o"CurrentDocument"CTn0.18x0.2x200 …t二t+tUt二 N二 S二0.12Ss2v2 r九I 8x2.03x3.7N可見能滿足設(shè)計(jì)要求。靜態(tài)設(shè)計(jì)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(jī)采集信號(hào)經(jīng)過反饋系數(shù)得到電壓信號(hào)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(shí)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(dòng)器。脈寬調(diào)制器是有一個(gè)運(yùn)算放大器和幾個(gè)輸入信號(hào)構(gòu)成電壓比較器。運(yùn)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(hào)的控制下，產(chǎn)生一個(gè)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(hào)。邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD保證在一個(gè)管子發(fā)出關(guān)斷脈沖時(shí)，經(jīng)延時(shí)后再發(fā)出對(duì)另一個(gè)管子的開通脈沖，在延時(shí)環(huán)節(jié)中引入瞬時(shí)動(dòng)作限流保護(hù)FA信號(hào)，一旦橋臂電流超過允許最大電流值時(shí)，使工作管子同時(shí)封鎖，以保護(hù)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)圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此U*=U=an=an0.i n 0u*U*=U.=BId，式中a，B分別為轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)，由第一個(gè)關(guān)系式得n=亠=n01 1 a當(dāng)ASR達(dá)到限幅值U*，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，穩(wěn)dm在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)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,U*=U=an=an，U*=U=BI式中a，P 轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。由第一個(gè)n n 0 i i dU* 關(guān)系式可得n二Hr二n，從而得到上圖靜特性的CA段。與此同時(shí)，由于ASR不飽a0和，U*i<U*im，從上述第二個(gè)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(yùn)行段，它是水平的特性。這時(shí)，ASR輸出達(dá)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(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無U*靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)I=im=I式中，最大電流Idm是由設(shè)計(jì)者d B dm選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)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?yàn)槿绻鹡>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(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)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(dòng)保護(hù)。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中為了改善系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能，我們?cè)O(shè)置調(diào)節(jié)器，包括給定信號(hào)的跟隨性指標(biāo)和對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)。在跟隨性能指標(biāo)包括上升時(shí)間t，超調(diào)量b與rC一C峰值時(shí)間t，并且有式子b=—max——dX100%，調(diào)節(jié)時(shí)間t。抗擾性能指標(biāo)包括動(dòng)態(tài)降p—s落A— 和恢復(fù)時(shí)間t。lllaX V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(jī)采集信號(hào)經(jīng)過反饋系數(shù)得到電壓信號(hào)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(shí)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(dòng)器。脈寬調(diào)制器是有一個(gè)運(yùn)算放大器和幾個(gè)輸入信號(hào)構(gòu)成電壓比較器。運(yùn)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(hào)的控制下，產(chǎn)生一個(gè)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(hào)。邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD保證在一個(gè)管子發(fā)出關(guān)斷脈沖時(shí)，經(jīng)延時(shí)后再發(fā)出對(duì)另一個(gè)管子的開通脈沖，在延時(shí)環(huán)節(jié)中引入瞬時(shí)動(dòng)作限流保護(hù)FA信號(hào)，一旦橋臂電流超過允許最大電流值時(shí)，使工作管子同時(shí)封鎖，以保護(hù)電力晶體管。仿真研究使用Matlab中的simulink來繪制轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行仿真，通過計(jì)算選擇ASR和ACR兩個(gè)調(diào)節(jié)器PI參數(shù)，來使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到完善，進(jìn)而通過示波器模塊的圖像顯示出來的波形來確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)研究通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，并掌握其組成原理及主要單元部件的工作原理，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用PWM變換器和集成電路SG3525，調(diào)試控制單元，經(jīng)過一系列的努力以及各個(gè)模塊的搭建，最終使得當(dāng)調(diào)節(jié)不同占空比時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方向不同。p>1時(shí)，2Y為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，P<-時(shí)，Y為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，P=-時(shí)，Y=0,電動(dòng)機(jī)停止。^2 ^27.撰寫報(bào)告通過這次雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)，對(duì)自己學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有了較深刻的認(rèn)識(shí)。我認(rèn)識(shí)到不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠(yuǎn)不可能得到社會(huì)及他人對(duì)你的認(rèn)可！課程設(shè)計(jì)給我很多專業(yè)知識(shí)以及專業(yè)技能上的提升，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時(shí)，設(shè)計(jì)讓我感觸很深。使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。我認(rèn)為,在這學(xué)期的實(shí)驗(yàn)中，不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動(dòng)手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實(shí)驗(yàn)課上，我們學(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實(shí)用的,真的是受益匪淺。要面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對(duì)于我們的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)：功率：100W，額定電壓：200V,額定電流：0.5A,額定轉(zhuǎn)速：1600rpm二 對(duì)課程設(shè)計(jì)成果的要求（包括課程設(shè)計(jì)說明書、圖紙、圖表、實(shí)物等軟硬件要求）設(shè)計(jì)報(bào)告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。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)總方案圖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。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)特有的部分主要是UPM、邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD、全控型絕緣柵雙極性晶體管驅(qū)動(dòng)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?zhàn)饔梅€(wěn)定電流，后者通過轉(zhuǎn)速檢測元件的反饋?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差，從而使系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的。該系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，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(dòng)電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)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(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流原理圖。系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)：功率：100W，額定電壓：200V,額定電流：0.5A,額定轉(zhuǎn)速：1600rp