1、運動控制系統課程設計轉速電流雙閉環可逆直流調速系統的仿真與設計專業：*年級：*學號：*姓名：*指導老師：*轉速電流雙閉環可逆直流調速系統的仿真與設計 一、設計目的1、 應用所學的交、直流調速系統的基本知識與工程設計方法，結合生產實際，確定系統的性能指標與實現方案，進行運動控制系統的初步設計。2、 應用計算機仿真技術，通過在MATLAB軟件上建立運動控制系統的數學模型，對控制系統進行性能仿真研究，掌握系統參數對系統性能的影響。3、 在原理設計與仿真研究的基礎上，應用PROTEL進行控制系統的印制板的設計，為畢業設計的綜合運用奠定堅實的基礎。2、 系統設計參數直流電動機控制系統設計參數：（ 直流電

2、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1S 電樞允許過載系數=1.5額定轉速 970rpm直流電動機控制系統設計參數環境條件：電網額定電壓:380/220V; 電網電壓波動:10%;環境溫度:-40+40攝氏度; 環境濕度:1090%. 控制系統性能指標：電流超調量小于等于5%; 空載起動到額定轉速時的轉速超調量小于等于30%;調速范圍D20;靜差率小于等于0.03.1、設計內容和數據資料某直流電動機拖動的機械裝置系統。主電動機技術數據為：

3、,，電樞回路總電阻，機電時間常數，電動勢轉速比，Ks=40，Ts=0.0017ms，電流反饋系數，轉速反饋系數，試對該系統進行初步設計。2、 技術指標要求電動機能夠實現可逆運行。要求靜態無靜差。動態過渡過程時間，電流超調量，空載起動到額定轉速時的轉速超調量。3、 主電路方案和控制系統確定主電路選用直流脈寬調速系統，控制系統選用轉速、電流雙閉環控制方案。主電路采用25JPF40電力二極管不可控整流，逆變器采用帶續流二極管的功率開關管IGBT構成H型雙極式控制可逆PWM變換器。其中屬于脈寬調速系統特有的部分主要是UPM、邏輯延時環節DLD、全控型絕緣柵雙極性晶體管驅動器GD和PWM變換器。系統中設

4、置了電流檢測環節、電流調節器以及轉速檢測環節、轉速調節器，構成了電流環和轉速環，前者通過電流元件的反饋作用穩定電流，后者通過轉速檢測元件的反饋作用保持轉速穩定，最終消除轉速偏差， 從而使系統達到調節電流和轉速的目的。該系統起動時，轉速外環飽和不起作用，電流內環起主要作用，調節起動電流保持最大值，使轉速線性變化，迅速達到給定值；穩態運行時，轉速負反饋外環起主要作用，使轉速隨轉速給定電壓的變化而變化，電流內環跟隨轉速外環調節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

5、，故本設計選用帶續流的絕緣柵雙極晶體管IGBT構成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。功率管開關管應承受2Us的電壓，為此選用FGA25N120AN絕緣柵雙極晶體管IGBT并接在功率開關管兩端二級管用在IGBT關斷時為電樞回路提供釋放電感儲能的續流。FGA25N的參數：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=2

6、5A，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。另外，當脈寬調速系統的電動機減速或停車時，貯存在電動機和負載轉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HNC-025A，HNC-025A傳感器所能測量的額定電流為 5A、6A、8A、 12A、25A，當原邊導線經過電流傳感器時，原邊電流 IP會產生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯氣隙周圍，內置在磁芯氣隙中的霍爾電片可產生和原邊磁力線成正比的，大小僅為幾毫

7、伏的感應電壓，通過后續電子電路可把這個微小的信號轉變成副邊電流 IS，并存在以下關系式： IS* NS= IP*NP。在外環中，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、驅動電路選用驅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可靠導通或關斷的程度。同時具有實現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MAST5-2C-U12型IGBT驅動板 ，AST96X 為單路光電耦合隔離帶短路、欠壓和過壓保護功能的 IGBT 驅動模塊； MAST 系列為 1 7 路、帶隔離電源的 IGBT

8、驅動板，易于使用，對供電電源要求低，適用 600V 1700V 的各種不同類型 IGBT 驅動；兩者均提供 電流源或電壓源電阻兩種驅動方式，具有單電源供電、輸入電壓范圍寬、內置正負電壓發生器以及電壓濾波器、內置短路保護電路、內置驅動欠壓和過壓保護電路、內置 VCE 檢測的快恢復高壓二極管、內置光電耦合器以傳輸驅動保護故障信號、內置柵極過壓箝位元件等特點。MAST5-2C-U12是為控制和驅動電機設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。該產品為大規模集成基極驅動電路，可對IGBT實現較理想的基極電流優化驅動和自身保護。4、調

9、節器的選擇 根據題目要求我們嘗試用P調節器進行動態校正，但是存在靜差，PI調節器可以進一步提高穩態性能，達到消除穩態速差的地步。在單閉環調速系統中，電網電壓擾動的作用點離被調量較遠，調節作用受到多個環節的延滯，因此單閉環調速系統抵抗電壓擾動的性能要差一些。雙閉環系統中，由于增設了電流內環，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節，不必等它影響到轉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、動態性能，轉速和電流兩個調節器，并且這里我們采用PI調節器。5、 脈寬調制器選用脈寬調制器用于產生控制PWM變換器的功率器件通斷的PWM信號。常用種類有：模擬式、數字式和專用集成電路。這里選用美

10、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是屬于雙閉環調速系統，其中具有轉速環，稱為外環，還有就是電流環，這里稱為內環，外環由測速機采集信號經過反饋系數得到電壓信號反饋給ASR，內環我們這里采用直流PWM控制系統相結合，其中脈寬調速系統由調制波發生器GM、脈寬調制器UPM、邏輯延時環節DLD以及絕緣柵雙極性晶體管的GD和脈寬調制變換器組成。直流PWM控制系統是直流脈寬調制式調速系統控制系統，與晶閘管直流調速系統的區別在于用直流PWM變換器取代了晶閘管交流裝置，作為系統的功率驅動器。脈寬調制器是有一個

11、運算放大器和幾個輸入信號構成電壓比較器。運算放大器工作在開環狀態，在電流調節器輸出的控制信號的控制下，產生一個等幅、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。邏輯延時環節DLD保證在一個管子發出關斷脈沖時，經延時后再發出對另一個管子的開通脈沖，在延時環節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。 雙閉環直流調速系統的穩態結構圖 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE在正常運行時，電流調節器是不會達到飽和狀態的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不飽和兩

12、種情況 雙閉環直流調速系統的靜特性如上圖所示，式中a，b 轉速和電流反饋系數。由第一個關系式可得，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，從上述第二個關系式可知: Id Idm。 這就是說， CA段靜特性從理想空載狀態的 Id = 0 一直延續到 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 ，轉速外環呈開環狀態，轉速的變化對系統不再產生影響。雙閉環系統變成一個電流無靜差的單電流閉環調節系統。穩態時式中，最大電流Idm是由設計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統

13、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 ，則Un U*n ，ASR將退出飽和狀態。雙閉環調速系統的靜特性在負載電流小于Idm時表現為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調節作用。當負載電流達到 Idm 后，轉速調節器飽和，電流調節器起主要調節作用，系統表現為電流無靜差，得到過電流的自動保護。系統穩態結構圖以及動態結構圖雙閉環調速系統的靜態結構圖U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E五、雙閉環調節器的設計5.1、電流環的設計1. 確

14、定時間常數脈寬調制器和PWM變換器的滯后時間常數開關周期。 脈寬調制器和PWM變換器的放大系數為于是可得脈寬調制器和PWM變換器的傳遞函數為電流濾波時間常數取。電流環小時間常數。2. 選擇電流調節器結構根據設計要求，而且，因此可按典型系統設計。電流調節器選用PI型，其傳遞函數為3. 選擇電流調節器參數要求時，應取，因此于是，4. 校驗近似條件要求，現。要求，現。要求，現。可見均滿足要求。5. 計算ACR的電阻和電容取，則 取 取 取按照上述參數，電流環可以達到的動態指標為，故滿足設計要求。5.2、 轉速環的設計1.確定時間常數電流環等效時間常數為。取轉速濾波時間常數。2. ASR結構設計根據穩

15、態無靜態及其他動態指標要求，按典型系統設計轉速環，ASR選用PI調節器，其傳遞函數為3. 選擇ASR參數取，則則 4. 校驗近似條件要求，現。要求，現。5. 計算ASR電阻和電容取，則 取 取 取6. 校驗轉速超調量當時，而,因此 可見轉速超調量滿足要求。7. 校驗過渡過程時間空載起動到額定轉速的過渡過程時間可見能滿足設計要求。5.3、負反饋單元1. 轉速檢測裝置選擇測速發電機參數永磁式ZYS231/110型，額定數據為,。測速反饋電位器的選擇考慮測速發電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的，這樣，測速發電機電樞壓降對檢測信號的線性度影響較小。測速發電機工作最高電壓測速反饋電位器阻值此時所消耗

16、的功率為為了使電位器溫度不要提高，實選瓦數應為消耗功率的一倍以上，故選為，取。6、 系統的MATLAB仿真 6.1、系統仿真模型 6.2、仿真輸出波形曲線圖六、系統部分電氣原理圖：七、設計總結通過這次雙閉環直流脈寬調速系統的課程設計，對自己學習電力拖動自動控制系統有了較深刻的認識。在學習本科目時首先感覺內容很多，而且有些理解很抽象，所以在做作業以及設計的時候遇到比較大的阻礙。因為剛剛結束直流的考試，在之前的復習下來，總算對直流調速有個系統的概念。在老師發給我們設計材料的時候，看到了原理圖簡直就蒙住了，這個設計比以往的作業還是實驗都復雜，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

17、眉頭后，通過請教老師和師兄把部分不懂的細節弄清了。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，計算線路參數作出原理框圖，這一步相對進行的比較順利。接下來就是理清思路認真做潮流計算，在做潮流計算的時候由于計算量比較大，線路參數比較多，所花的時間很多，而且要保證正確率。完成整個計算后，面臨這一個更艱巨的任務，就是仿真：這一步進行的異常艱難，寸步難行，因為我們沒有開設matable軟件，從來沒有接觸這軟件。后面通過自學軟件實行仿真，終于完成調試。在本次的雙閉環調速系統課程設計，我重新了認識到，我們對掌握的知識還不扎實。在考完之后或是經過一段時間我們就對前面學過的知識沒有印像了，這主要是因為沒有理解性學習。所以，在以后的學習中，一定要學的扎實，學的牢靠，并