《電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)姓 名： 專 題： 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 電工電子實(shí)驗(yàn)中心 2012 年 4 月課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)年級(jí)任務(wù)下達(dá)日期：2012年5月15日設(shè)計(jì)日期： 2012年5月21日 至 2012年6月3日設(shè)計(jì)專題題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求：直流調(diào)速系統(tǒng)憑借其優(yōu)良的調(diào)速性能在現(xiàn)場(chǎng)中得到了廣泛使用，雖然交流電機(jī)得到了越來(lái)越多的使用，但直流調(diào)速系統(tǒng)的理論完全適用于交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)附錄中提供的直流電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。要求該直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、起制動(dòng)性能好、可四象限運(yùn)行，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。1. 根據(jù)直流

2、調(diào)速系統(tǒng)的要求，制定系統(tǒng)總體方案，主要包括如下方面：(1) 對(duì)現(xiàn)有的直流調(diào)速產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)查，并運(yùn)行所學(xué)知識(shí)加以分析。要求必須給出一種具有代表性的直流調(diào)速產(chǎn)品，并給出系統(tǒng)控制框圖；(2) 給出本設(shè)計(jì)中擬采用的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并給出選擇依據(jù)；(3) 采用數(shù)字處理器作為控制器，對(duì)目前調(diào)速系統(tǒng)中采用的數(shù)字處理器進(jìn)行調(diào)查，并選擇一款用于本系統(tǒng)的數(shù)字處理器。2. 直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)，針對(duì)總體方案中選定的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并結(jié)合附錄中提供的直流電機(jī)參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：(1) 功率器件的選型，要求給出依據(jù)；(2) 針對(duì)所選擇的功率器件，給出其觸發(fā)或驅(qū)動(dòng)電路的原理圖，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的原理簡(jiǎn)要說(shuō)明；(3) 根據(jù)系統(tǒng)

3、控制要求，選擇相應(yīng)的電壓、電流和溫度等傳感器，要求給出具體型號(hào)；(4) 要求在主回路設(shè)計(jì)中需給出相應(yīng)的保護(hù)電路。3. 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制理論(1) 給出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖；(2) 根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)和主回路參數(shù)，確定動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的具體參數(shù)；(3) 運(yùn)用工程化設(shè)計(jì)方法對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，要求必須給出限幅的具體參數(shù)及依據(jù)；(4) 根據(jù)設(shè)計(jì)的pi調(diào)節(jié)器參數(shù)，要求給出帶有內(nèi)外限幅的pi調(diào)節(jié)器的模擬量電路圖；(5) 給出直流調(diào)速系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)框圖。4. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的matlab仿真(1) 根據(jù)上述雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，建立matlab仿真模型，并對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)

4、設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證；(2) 運(yùn)用matlab/simulink下的電機(jī)模型，建立基于電機(jī)模型的仿真模型，并對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作出調(diào)整。5. 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)(1) 硬件設(shè)計(jì)：根據(jù)所選數(shù)字處理器，進(jìn)行相應(yīng)硬件電路的設(shè)計(jì)，要求包括pwm輸出、ad采樣及信號(hào)處理電路、編碼器接口等；(2) 軟件設(shè)計(jì)：給出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的整體控制流程圖，并給出增量式pi調(diào)節(jié)器、數(shù)字測(cè)速的程序流程框圖。指導(dǎo)教師簽字：日 期：摘 要直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。本文從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜

5、態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。然后按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過(guò)仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實(shí)現(xiàn)。對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。采用matlab軟件中的控制工具箱對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),并用simulink進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真,同時(shí)查看仿真波形,以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)是否可行.關(guān)鍵詞： 直流電機(jī) 直流

6、調(diào)速系統(tǒng) 速度調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 雙閉環(huán)系統(tǒng) 仿真abstractdc motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and dc motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth control in a wide range, besides its

7、 control performance is excellent. beginning with the theory of dc motor, this dissertation builts up the mathematic model of dc speed control system with double closed loops, detailedly discusses the static and dynamic state performance of the system. afterward, according to automation theroy this

8、papar calculates the parameters of the system. then, this dissertation simulates and analyzes the system by means of simulink. the results of simulation are consistent with theory calculation. some experience was acquired through simulation. based on the theory and simulation, this dissertation desi

9、gns a dc speed control system with double closed loops, discusses the realization of main circuit, feedback circuit, control circuit and trigger circuit. the results of experiment show that the static and dynamic state performance of this system are good, which indicate that the design can meet the

10、requirements.computer-aided analysis and design are carried out for speed-controlling system of the d-c motorby by using tool box and simulink.keywords: dc motor,dc governing system,speed governor,current governor,double loop control system,simulink目 錄第一章 系統(tǒng)總體方案01.1直流調(diào)速器01.2 現(xiàn)有調(diào)速產(chǎn)品調(diào)查： 6ra70調(diào)速系統(tǒng)01.3直

11、流調(diào)速系統(tǒng)21.3.1 主電路結(jié)構(gòu)及選擇依據(jù)21.3.2 數(shù)字處理器的選用2第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)42.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)42.2主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)52.3橋式可逆pwm變換器52.4 器件選擇82.4.1絕緣柵雙極晶體管的選擇82.4.2三相全波整流橋參數(shù)的計(jì)算82.4.3去耦電容92.4.4極性電容92.4.5限流電阻92.5 驅(qū)動(dòng)電路102.6 保護(hù)電路112.7 泵升電壓保護(hù)電路11第三章 直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)133.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖133.2電流環(huán)設(shè)計(jì)133.2.1確定時(shí)間常數(shù)143.2.2選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)163.2.3檢驗(yàn)近似條件163.2.4計(jì)

12、算acr的電阻和電容173.3轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)173.3.1 確定時(shí)間常數(shù)173.3.2 asr結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)183.3.3 選擇asr參數(shù)183.3.4 校驗(yàn)近似條件183.4.5 計(jì)算asr電阻和電容183.4.6 檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量193.4.7 校驗(yàn)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間193.4 帶限幅的pi調(diào)節(jié)器19第四章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的matlab 仿真21第五章 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)235.1 硬件設(shè)計(jì)235.1.1速度檢測(cè)電路235.1.2 a/d 轉(zhuǎn)換電路235.1.3pwm 波形產(chǎn)生電路245.1.4 整流電路255.2 軟件設(shè)計(jì)27附錄28附錄1：數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖28附錄2：主電路拓?fù)浣Y(jié)

13、構(gòu)圖28附錄3：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖29附錄4：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真波形29附錄5：器件選擇30附錄6：給定參數(shù)30參考文獻(xiàn)31課程設(shè)計(jì)總結(jié)32徐海學(xué)院09級(jí)電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)第一章 系統(tǒng)總體方案1.1直流調(diào)速器直流調(diào)速器是一種電機(jī)調(diào)速裝置，包括電機(jī)直流調(diào)速器、脈寬直流調(diào)速器、可控硅直流調(diào)速器等，一般為模塊式直流電機(jī)調(diào)速器，集電源、控制、驅(qū)動(dòng)電路于一體，采用立體結(jié)構(gòu)布局，控制電路采用微功耗元件，用光電耦合器實(shí)現(xiàn)電流、電壓的隔離變換，電路的比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)用pid適配器調(diào)整。具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，可單獨(dú)使用也可直接安裝在直流電機(jī)上構(gòu)成一體化直流調(diào)速電機(jī)，

14、可具有調(diào)速器所應(yīng)有的一切功能。本文僅對(duì)西門子simoreg k 6ra23/24 系列全數(shù)字直流調(diào)速產(chǎn)品進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。1.2 現(xiàn)有調(diào)速產(chǎn)品調(diào)查： 6ra70調(diào)速系統(tǒng)西門子simoreg k 6ra23/24 系列全數(shù)字直流調(diào)速產(chǎn)品，自在中國(guó)市場(chǎng)推出以來(lái)，得到了廣大用戶的認(rèn)同。最新推出的simoreg dc master 6ra70 系列全數(shù)字直流調(diào)速產(chǎn)品，在6ra24 產(chǎn)品的基礎(chǔ)上更具有以下特點(diǎn): 1. 單臺(tái)裝置輸出額定電樞電流: 15a3000a，額定勵(lì)磁電流: 3a85a。裝置并聯(lián)后輸出額定電樞電流可達(dá)12000a。2. 輸入電壓分為6 個(gè)等級(jí): 400v/460v/575v/690v/8

15、30v/950v。3. 強(qiáng)大的通訊能力。有simolink 高速直接的裝置-裝置通訊，還可支持profibus、can-bus、devicenet、uss 協(xié)議等。4. 所有工藝板，通訊板及op1s 操作面板都可與新一代的simovert masterdrives 矢量控制交流調(diào)速產(chǎn)品通用。6ra70的應(yīng)用：6ra70 simoreg dc master 系列整流器為全數(shù)字緊湊型整流器，輸入為三相電源，可向變速直流驅(qū)動(dòng)用的電樞和勵(lì)磁供電，額定電樞電流從15a 至3000a。緊湊型整流器可以并聯(lián)使用，提供高至12000a 的電流，勵(lì)磁電路可以提供最大85a 的電流(此電流取決于電樞額定電流)。6

16、ra70工作方式：所有的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制及通訊功能由兩臺(tái)功能強(qiáng)大的微處理器實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)控制功能可以通過(guò)參數(shù)，將軟件所提供的程序塊“連接”來(lái)實(shí)現(xiàn)。銘牌上規(guī)定的額定直流電流(連續(xù)直流電流)，在負(fù)載等級(jí)i，可以過(guò)載到180%，過(guò)載允許的持續(xù)時(shí)間由各個(gè)整流器而定。微處理器周期地計(jì)算功率部份電流的i2t 值，以確保晶閘管在過(guò)載運(yùn)行時(shí)不被損壞。整流器可自動(dòng)適應(yīng)電源頻率范圍為45hz65hz(電樞和勵(lì)磁互不相關(guān))。工作在擴(kuò)大的頻率范圍23hz110hz 需詢問(wèn)。設(shè)計(jì)v-m雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)數(shù)據(jù)：額定功率: 2.2kw 額定電壓:220v額定電流:ie=12.5a 額定轉(zhuǎn)速: ne=1500r/min

17、電樞回路總電阻r=2.5; 電磁時(shí)間常數(shù)tl=0.010s; 機(jī)電時(shí)間常數(shù)tm=0.073s；電動(dòng)勢(shì)系數(shù)c=0.1352v/（r.min-1 ) 圖1-1 6ra70調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.3直流調(diào)速系統(tǒng)1.3.1 主電路結(jié)構(gòu)及選擇依據(jù)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1-2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。用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對(duì)成本較高，但

18、保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對(duì)生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時(shí)也兼顧了啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在啟動(dòng)過(guò)程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最佳過(guò)渡過(guò)程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。 圖1-2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.3.2 數(shù)字處理器的選用早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，由運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活調(diào)試?yán)щy，受到器件性能溫度等因素的影響, 阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)

19、展和應(yīng)用范圍的推廣。以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低。軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜的運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律。此外還擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。spmc75f2413 單片機(jī)作為高性能的16 位mcu 平臺(tái)，擁有多種功能模塊，包括高性能的cpu 內(nèi)核、高效益的中斷系統(tǒng)、可編程i/o 口、模擬量測(cè)量用的adc、外部通信用的同步和異步串行接口、普通的定時(shí)計(jì)數(shù)器等常見(jiàn)硬件模塊，以及多功能捕獲比較模塊、bldc 電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用位置偵測(cè)接口、兩項(xiàng)增量編碼器接口、能產(chǎn)生各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形的pwm

20、 發(fā)生器等特殊硬件模塊。同時(shí)，spmc75f 系列單片機(jī)內(nèi)部還集成了32kwords 的flash 和2k words 的sram。 圖1-3數(shù)字處理器硬件系統(tǒng)第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)原理我們?cè)O(shè)計(jì)了數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖2-1所示，系統(tǒng)的特點(diǎn)：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機(jī)控制；全數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測(cè)；采用數(shù)字pi算法。由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)由主電路、檢測(cè)電路、控制電路、給定電路、顯示電路組成。主電路：三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過(guò)直流pwm變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動(dòng)機(jī)供電。

21、檢測(cè)回路：包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測(cè)。電壓、電流和溫度檢測(cè)由 a/d 轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)；轉(zhuǎn)速檢測(cè)用數(shù)字測(cè)速（光電碼盤）。故障綜合：利用微機(jī)擁有強(qiáng)大的邏輯判斷功能，對(duì)電壓、電流、溫度等信號(hào)進(jìn)行分析比較，若發(fā)生故障立即進(jìn)行故障診斷，以便及時(shí)處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。這也是采用微機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)所在。圖2-1 數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖2.2主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主電路由二極管整流器 ur、pwm 逆變器 ui 和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容 c 濾波，同時(shí)兼有無(wú)功功率交換的作用。可逆pwm變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱h形）電路，如圖3-2為橋式

22、可逆pwm變換器。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)電壓極性的變化而變化，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，本設(shè)計(jì)用的是雙極性控制的可逆pwm變換器。雙極性控制的橋式可逆pwm變換器有電流一定連續(xù)、可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行、電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流可消除靜摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)。 圖2-2主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.3橋式可逆pwm變換器可逆pwm變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱h型）電路，如圖2-3所示。圖2-3橋式可逆pwm變換器雙極式控制可逆pwm變換器的4個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖2-4所示。圖2-5雙極式控制可逆pwm變換器的驅(qū)動(dòng)電壓、輸出電壓和電流波形。 它們之間的

23、關(guān)系是：ug1=ug4=-ug2=-ug3。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0tton時(shí)，uab= us，電樞電流id沿回路1流通；當(dāng)tontt/2,則uab的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，則反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖相等，t=t/2,平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。圖36所示的波形是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的情況。雙極式控制可逆pwm變換器的輸出平均電壓為： 若占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器相同，則在雙極式是可逆變換器中：=2-1就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為01，相應(yīng)的，=（-1）（+1）。當(dāng)1/2時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)1/2時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)=1/2時(shí)，=0，電動(dòng)機(jī)停止。但電動(dòng)機(jī)

24、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)交變電流的平均值為零，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)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。圖2-4驅(qū)動(dòng)電壓波形 圖2-5驅(qū)動(dòng)電壓、輸出電壓和電流波形雙極式控制的橋式可逆pwm變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：1) 電流一定連續(xù)；2) 可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行；3) 電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；4) 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1：20000左右；5) 低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通

25、。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過(guò)程中，4個(gè)開(kāi)關(guān)器件可能都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。為了克服上述缺點(diǎn)，可采用單極式控制，使部分器件處于常通或常斷狀態(tài)，以減少開(kāi)關(guān)次數(shù)和開(kāi)關(guān)損耗，提高可靠性，但系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能會(huì)略有降低。2.4 器件選擇2.4.1絕緣柵雙極晶體管的選擇最大工作電流 imax2us/r=440/0.6=733(a)集電極發(fā)射極反向擊穿電壓（）(23)us=440660v所以在實(shí)際的應(yīng)用中選擇了日本三菱公司的cm 800 ha-24h（e）其額定電壓1200v 額定電流800a

26、可以滿足要求。2.4.2三相全波整流橋參數(shù)的計(jì)算整流部分采用不可控整流，整流二極管的電流額定為，直流側(cè)的最大電流為 ，根據(jù)電力電子學(xué)的相關(guān)知識(shí)，三相全控橋通過(guò)二極管的電流有效值 和直流側(cè)電流 的關(guān)系為 再根據(jù)二極管的通態(tài)平均電流與電流的有效值的關(guān)系為 所以綜上二極管的電流的額定電流即二極管的通態(tài)平均電流為（考慮到安全裕度）， 考慮到濾波電容充電電流的影響，需要有更大的電流裕量 取 電壓額定：二極管兩端斷態(tài)重復(fù)峰值電壓為，交流電源的線電壓。所以電壓額定為： 選用 為了減小主電路的體積，使之易于安裝，選用 zp系列普通整流二極管(200a/2002000v) 的二極管兩單元模塊三個(gè)構(gòu)成整流橋。2.

27、4.3去耦電容由于通過(guò)整流橋后的直流是含有脈動(dòng)的直流，必須通過(guò)電容加以濾波。根據(jù)三菱公司ipm的要求需要在直流側(cè)加以個(gè)無(wú)極性的去耦電容（decoupling capacitor），這里選擇 1200v/0.47的無(wú)極性電容。2.4.4極性電容在設(shè)計(jì)主電路時(shí)，濾波電容是根據(jù)負(fù)載的情況來(lái)選擇電容c值，使rc(35)t/2,且有udmax=0.92200.95=188(v)2c1.50.02, 即c15000uf故此，選用型號(hào)為cd15的鋁電解電容，其額定直流電壓為400v，標(biāo)稱容量為22000 。2.4.5限流電阻為了避免大電容c在通電瞬間產(chǎn)生過(guò)大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限

28、流電阻（或電抗），通上電源時(shí)，先限制充電電流，再延時(shí)用開(kāi)關(guān)k將短路，以免長(zhǎng)期接入時(shí)影響整流電路的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。2.5 驅(qū)動(dòng)電路ir2110是美國(guó)國(guó)際整流器公司利用自身獨(dú)有的高壓集成電路以及無(wú)閂鎖cmos技術(shù)，于1990年前后開(kāi)發(fā)并且投放市場(chǎng)的，ir2110是一種雙通道高壓、高速的功率器件柵極驅(qū)動(dòng)的單片式集成驅(qū)動(dòng)器。它把驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè)mosfet或igbt所需的絕大部分功能集成在一個(gè)高性能的封裝內(nèi)，外接很少的分立元件就能提供極快的功耗，它的特點(diǎn)在于，將輸入邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)同一橋臂的兩路輸出，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，工作電壓比較高，可以達(dá)到600v，其內(nèi)

29、設(shè)欠壓封鎖，成本低、易于調(diào)試。高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電，與其他驅(qū)動(dòng)電路相比，它在設(shè)計(jì)上大大減少了驅(qū)動(dòng)變壓器和電容的數(shù)目，使得mosfet和igbt的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，而且它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)mosfet和igbt的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，還具有快速完整的保護(hù)功能。與此同時(shí)，ir2110的研制成功并且投入應(yīng)用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。降低了產(chǎn)品成本和減少體積。 圖2- 3 pwm 控制h橋雙極性主電路2.6 保護(hù)電路電路中主要的保護(hù)器件是快速熔斷器fu，壓敏電阻過(guò)電壓抑制器rv，閥器件換相過(guò)電壓抑制用rc電路，直流側(cè)rc抑制電路，閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制電路，閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用rc電路等。2.7 泵升電壓

30、保護(hù)電路當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)減速或停車時(shí),儲(chǔ)存在電機(jī)和負(fù)載傳動(dòng)部分的動(dòng)能將變成電能，并通過(guò) pwm 變壓器回饋給直流電源。一般直流電源由不可控的整流器供電，不可能回饋電能，只好對(duì)濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓”。如果要讓電容器全部吸收回饋能量，將需要很大的電容量，或者迫使泵升電壓很高而損壞元器件。在不希望使用大量電容器（在容量為幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)中，電容至少要幾千微法）從而大大增加調(diào)速裝置的體積和重量時(shí)，可以采用由分流電阻 r 和開(kāi)關(guān)管 vt 組成的泵升電壓限制電路，如圖3-3。用r 來(lái)消耗掉部分動(dòng)能。r 的分流電路靠開(kāi)個(gè)器件 vt 在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通。第三章 直流調(diào)

31、速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示。一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值；不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，pi作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是為零。 圖3-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖實(shí)際上，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(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。為了獲得近似理想的過(guò)度過(guò)程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開(kāi)加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分

32、別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。所以本文選擇方案二作為設(shè)計(jì)的最終方案。3.2電流環(huán)設(shè)計(jì)h型單極式pwm變換器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)。額定力矩為4.9nm，電樞電阻ra=1.64，電樞回路總電感l(wèi)=10.2mh，額定電流=55a，額定電壓=220v。調(diào)速系統(tǒng)的最小負(fù)載電流=1a，電源電壓=122v，電力晶體管集電極電阻=2.5，設(shè)=2。nn=1000r/min，電樞回路總電阻r=0.6,電流過(guò)載倍數(shù)=2。 3.2.1確定時(shí)間常數(shù)（1）脈寬調(diào)制器和pwm變換器的滯后時(shí)間常數(shù)與傳遞函數(shù)的計(jì)算電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流為 啟動(dòng)電流與額定電流比為 晶體管放大區(qū)的時(shí)間常數(shù)為 電流上

33、升時(shí)間的計(jì)算公式為 式中晶體管導(dǎo)通時(shí)的過(guò)飽和驅(qū)動(dòng)系數(shù)，取=2則 電流下降時(shí)間的計(jì)算公式為 式中晶體管截止時(shí)的負(fù)向過(guò)驅(qū)動(dòng)系數(shù)，取=2則 最佳開(kāi)關(guān)頻率為 開(kāi)關(guān)頻率f選為4.4khz，此開(kāi)關(guān)頻率已能滿足電流連續(xù)的要求。于是開(kāi)關(guān)周期脈寬調(diào)制器和pwm變換器的放大系數(shù)為 于是可得脈寬調(diào)制器和pwm變換器的傳遞函數(shù)為（2）電流濾波時(shí)間常數(shù) 取0.5ms（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) 3.2.2選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 要求時(shí)，應(yīng)取，因此 又 于是 3.2.3檢驗(yàn)近似條件 （1）要求，現(xiàn)。（2）要求，現(xiàn)。（3）要求，現(xiàn)。可見(jiàn)均滿足要求。3.2.4計(jì)算acr的電阻和電容取=40k，則 ，取 3.3轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)圖3-3轉(zhuǎn)速環(huán)

34、結(jié)構(gòu)框圖3.3.1 確定時(shí)間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為（2）取轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)（3）3.3.2 asr結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差及其他動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求，按典型ii型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)，asr選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 3.3.3 選擇asr參數(shù)取h=5，則則 3.3.4 校驗(yàn)近似條件 （1）要求，現(xiàn)。（2）要求，現(xiàn)可見(jiàn)均能滿足要求。3.4.5 計(jì)算asr電阻和電容取，則 ，取70 。 ，取0.5 3.4.6 檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng)h=5時(shí)，而，因此可見(jiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足要求。3.4.7 校驗(yàn)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間可見(jiàn)能滿足設(shè)計(jì)要求。3.4 帶限幅的pi調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差的比例（p）、積分（

35、i）、微分（d）進(jìn)行控制（簡(jiǎn)稱pid控制），是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。本系統(tǒng)的控制對(duì)象是直流電機(jī)。對(duì)直流電機(jī)的控制可以有多種方式。最常見(jiàn)的即是pid調(diào)節(jié)方式。pid控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種控制算法，其實(shí)質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值e(t)按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果用于控制輸出。在實(shí)際的應(yīng)用中，可以根據(jù)控制對(duì)象的特性和控制要求，靈活地改變pid結(jié)構(gòu)。如純比例調(diào)節(jié)（p）、比例積分調(diào)節(jié)（pi）、比例積分微分調(diào)節(jié)（pid）等。為了進(jìn)一步改善控制效果，在pid算法的基礎(chǔ)上做一些改進(jìn)，產(chǎn)生了積分分離pid算法、不完全微分pid算法和變速積分pid算法等。

36、其控制規(guī)律為 第四章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的matlab 仿真4.1 根據(jù)上述雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，建立matlab仿真模型，并對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證4.2 運(yùn)用matlab/simulink下的電機(jī)模型，建立基于電機(jī)模型的仿真模型，并對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作出調(diào)整。電器系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖的matlab仿真；面向傳遞函數(shù)的matlab的仿真第五章 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)5.1 硬件設(shè)計(jì)dcs800 - i/o 配置 包括模擬測(cè)速發(fā)電機(jī)，脈沖編碼器和 ptc接口 與 dcs500/600的端子布置相同 n 擴(kuò)展 i/o:rdio 和 raio，最多: 8 ai, 7 ao, 14 di, 12

37、 do n 隔離 i/o:n 通過(guò) rxxx 現(xiàn)場(chǎng)總線適配器的串行通訊:5.1.2 a/d 轉(zhuǎn)換電路spmc75x 系列微控制器內(nèi)嵌一個(gè)100ksps 轉(zhuǎn)換速率的高性能10 位通用adc 模塊，采用sar（逐次逼近）結(jié)構(gòu)。它與ioa7:0 復(fù)用引腳作為輸入通道，最多能提供8 路模擬輸入能力。同時(shí)，adc 模塊有多種工作模式可選，它的轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號(hào)可以是軟件產(chǎn)生也可以通過(guò)來(lái)自外部（ioa15）、pdc位置偵測(cè)、mcp 等定時(shí)器的信號(hào)。利用此adc 模塊，可以同電機(jī)驅(qū)動(dòng)定時(shí)器聯(lián)合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中電參量的同步測(cè)量，滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)的需要。此外，adc 模塊也可以實(shí)現(xiàn)一些普通的模擬測(cè)量動(dòng)作，如電壓測(cè)

38、量、溫度信號(hào)測(cè)量、低頻信號(hào)的采集等4。spmc75x 系列微控制器內(nèi)嵌的adc 模塊共有4 個(gè)控制寄存器。通過(guò)這4 個(gè)控制寄存器可以完成adc 模塊所有功能的控制。 表5-1 adc控制寄存器5.1.3pwm 波形產(chǎn)生電路spmc75x 系列微控制器提供了兩個(gè)pdc(phasedetection control) 定時(shí)器，pdc 定時(shí)器0 和pdc 定時(shí)器1，用于捕獲功能和產(chǎn)生pwm 波形輸出，同時(shí)具有偵測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)位置改變的特性。pdc 定時(shí)器能夠處理總計(jì)6 路( 每個(gè)定時(shí)器3 路) 捕獲或霍爾信號(hào)輸入。pdc 定時(shí)器非常適用于機(jī)械速度的計(jì)算。spmc75x 系列微控制器提供了兩個(gè)mcp(motor controlpwm) 定時(shí)器，定時(shí)器3 和定時(shí)器4。mcp 定時(shí)器有兩套獨(dú)立的三相