雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論文

1、電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 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)： 2014 年 4 月課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)年級(jí) 學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 任務(wù)下達(dá)日期：2014年4月16日設(shè)計(jì)日期： 2014年4月16日 至 2014年4月30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)

2、容如下：1. 緒論介紹直流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及直流調(diào)速理論的發(fā)展，通過調(diào)查市場(chǎng)上的直流調(diào)速產(chǎn)品，了解目前直流調(diào)速產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與功能。2. 直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)(1) 根據(jù)提供的直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)，選擇相應(yīng)的主電路形式，主電路主要采用兩種形式：基于h橋的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)、晶閘管電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)。(2) 根據(jù)附錄中所提供的直流電機(jī)參數(shù)和選擇的主電路形式，對(duì)主電路中的功率器件進(jìn)行型號(hào)選擇，并要求給出選擇依據(jù)；(3) 根據(jù)選擇的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所采用的電力電子器件，設(shè)計(jì)或選擇電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。要求給出所設(shè)計(jì)或選擇的晶閘管觸發(fā)電路、全控型器件igbt驅(qū)動(dòng)電路的原理圖，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的原理簡要說明。

3、(4) 根據(jù)系統(tǒng)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)；(5) 要求在主回路設(shè)計(jì)中需給出相應(yīng)的保護(hù)及緩沖電路；(6) 列出所選用主電路的器件清單(包括：名稱、型號(hào)、廠商、數(shù)量、參考價(jià)格)。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，掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程與特點(diǎn)；(2) 根據(jù)提供的直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)和所設(shè)計(jì)的電力電子變換環(huán)節(jié)參數(shù)，確定動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖各環(huán)節(jié)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)，以表格的形式總結(jié)所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)；(4) 利用protel軟

4、件繪制帶有內(nèi)外限幅的pi調(diào)節(jié)器的模擬電路圖，要求根據(jù)設(shè)計(jì)的pi調(diào)節(jié)器參數(shù)確定調(diào)節(jié)器中電阻和電容的參數(shù)；(5) 給出確定各環(huán)節(jié)參數(shù)后的直流調(diào)速系統(tǒng)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)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

5、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。選用參數(shù)組別：直流電機(jī)3：額定功率pe=1.5kw；額定電壓ue=156v額定電流ie=11.5a；額定轉(zhuǎn)速ne=1000r/min電樞回路總電阻r=2.4;電磁時(shí)間常數(shù)tl=0.004s;機(jī)電時(shí)間常數(shù)tm=0.07s；電動(dòng)勢(shì)系數(shù)ce=0.144v/（r.min-1 ) 成績： 指導(dǎo)教師簽字： 日 期：摘 要電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，它被廣泛地應(yīng)用于一般生產(chǎn)機(jī)械需要?jiǎng)恿Φ膱?chǎng)合，也被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械等需要高性能電氣傳動(dòng)的設(shè)備中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉(zhuǎn)矩等。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)

6、性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)報(bào)告首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定調(diào)速方案和主電路的結(jié)構(gòu)型式，主電路和閉環(huán)系統(tǒng)確定下來后，重在對(duì)電路各元件參數(shù)的計(jì)算和器件的選型，包括整流變壓器、整流元件、平波電抗器、保護(hù)電路以及電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算。并通過simulink進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真，分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性。最后給出參考資料和設(shè)計(jì)體會(huì)。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速 雙閉環(huán) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 電流調(diào)節(jié) 自動(dòng)控制目 錄1.緒論11.1 直流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及直流調(diào)速理論的發(fā)展11.2

7、 現(xiàn)有直流調(diào)速產(chǎn)品調(diào)查11.2.1 西門子6ra70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置11.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成與工作原理31.3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成31.3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理42.直流調(diào)速系統(tǒng)中主電路的設(shè)計(jì)42.1 本設(shè)計(jì)中選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其依據(jù)42.1.1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇與依據(jù)42.1.2 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)52.2電力半導(dǎo)體器件的選型及其依據(jù)62.2.1 逆變器功率元件（ipm）的選擇62.2.2 整流部分元件的選擇62.3 直流濾波電解電容及其依據(jù)72.4 驅(qū)動(dòng)電路的原理圖及其原理說明72.5 電壓、電流和溫度等傳感器的具體型號(hào)82.6 主回路中的保護(hù)電

8、路82.6.1 交流側(cè)過壓過流保護(hù)92.6.2 直流側(cè)的過壓過流保護(hù)92.6.3 快速熔斷器短路保護(hù)102.6.4 過電流保護(hù)103.直流調(diào)速系統(tǒng)的控制理論113.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖113.1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖113.1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程分析113.2 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的具體參數(shù)123.2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)123.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)143.3 電路的內(nèi)外限伏163.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成173.4.1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)183.4.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性184.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的matlab仿真194.1 建立matla

9、b仿真模型及其調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證195.數(shù)字控制器的設(shè)置205.1 硬件設(shè)計(jì)205.2 軟件設(shè)計(jì)225.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制流程圖225.2.2 增量式 pi 調(diào)節(jié)器程序流程框圖226.課程設(shè)計(jì)體會(huì)23參考文獻(xiàn)24附錄25徐海學(xué)院11級(jí)電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)1.緒論1.1 直流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及直流調(diào)速理論的發(fā)展電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械，鋼鐵，礦山，冶金，化工，石油，紡織，軍工等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機(jī)械都采用電動(dòng)機(jī)作原動(dòng)機(jī)。有效地控制電機(jī)，提高其運(yùn)行性能，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。20世紀(jì)90年代前的大約50年的時(shí)間里，直流電動(dòng)機(jī)幾乎是唯一的一種

10、能實(shí)現(xiàn)高性能拖動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互獨(dú)立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)，制動(dòng)和調(diào)速性能。盡管近年來直流電動(dòng)機(jī)不斷受到交流電動(dòng)機(jī)及其它電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但至今直流電動(dòng)機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因?yàn)樗哂辛己玫木€性特性，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點(diǎn)。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。1.2 現(xiàn)有直流調(diào)速產(chǎn)品調(diào)查1.2.1 西門子6ra70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置西門子simoregk6ra23/24系列全數(shù)字直流調(diào)速產(chǎn)品，自在中國市場(chǎng)推出以來，得到了廣大用戶的認(rèn)同。最新推出的simoregdcmaster6ra7

11、0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/830v/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simovertmasterdrives矢量控制交流調(diào)速產(chǎn)品通用。主電路特點(diǎn)：1.單象限工作裝置的功率部分為三相全控橋。 2.四象限工作

12、裝置的功率部分為兩個(gè)反并聯(lián)的三相全控橋。3.勵(lì)磁回路采用三相半控橋。4.功率部分為151200a為絕緣式scr模塊，1500a的電樞回路采用平板式晶閘管。散熱器是帶的。5.額定電流125a 自然風(fēng)冷。圖 1.2.1-1 數(shù)字式直流雙閉環(huán) pwm 調(diào)速系統(tǒng)原理圖 圖1.2.1-2 西門子6ra70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成與工作原理1.3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成圖1.3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖1.3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)上的，實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)除要求對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外,很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動(dòng)和制

13、動(dòng)過程的要求,這就需要一個(gè)電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，如圖1.3.1所示，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器upe。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器一般都采用pi調(diào)節(jié)器。2.直流調(diào)速系統(tǒng)中主電路的設(shè)計(jì)2.1 本設(shè)計(jì)中選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其依據(jù)2.1.1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇與依據(jù) 模擬系統(tǒng)具有物理概念清晰、控

14、制信號(hào)流向直觀等優(yōu)點(diǎn)，便于學(xué)習(xí)入門，但其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。 單片機(jī)作為工業(yè)用機(jī)它以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高、速度疑、并且體積小，價(jià)格便宜被廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制中。 系統(tǒng)引入微機(jī)控制后，用軟件取代硬件電路，減少了所用設(shè)備的數(shù)量，降低了系統(tǒng)在使用過程中由于元件老化和接觸不良等因素造成的故障率，從而使系統(tǒng)的可靠性大大提高又由于用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)規(guī)律，在不改動(dòng)硬件設(shè)備的情況下可任意改變系統(tǒng)參數(shù)和控制程序，易于系統(tǒng)的優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)，微機(jī)在調(diào)速系統(tǒng)上的應(yīng)用必將越來越廣泛所以本次設(shè)計(jì)采用雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)。 主電路

15、采用直流 pwm 變換器，與 v-m 系統(tǒng)相比，直流 pwm 調(diào)速系統(tǒng)在許多方面有較大的優(yōu)越性： 1.主電路線路簡單，需用的功率器件少； 2.開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??； 3.低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬； 4.系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)； 5.功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不 大，因而裝置效率較高； 6.直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 綜上所述，本設(shè)計(jì)選用 pwm 調(diào)速系統(tǒng)。2.1.2 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.1.2數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)2.2電力半導(dǎo)體器件的選型及其依據(jù)2.2.

16、1 逆變器功率元件（ipm）的選擇（1）額定電流的選擇 在選用智能功率模塊時(shí)，需要考慮到電機(jī)的過載要求，安全裕度等要求，從逆變部分的主電路可以看出，流過一只 igbt 管子的最大電流應(yīng)當(dāng)?shù)扔陔妱?dòng)機(jī)定子一相的最大電流，所以功率元件的電流額定為：i ipmn = (1.2 2) im = (1.2 2) lsi m 其中 l:為電流的過載倍數(shù),這里取 l=1.2 ism:額定電流這里為 11.5a （1.22）：為安全裕量所以帶入試驗(yàn)用電機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)得到，電流額定為：ipmn= (1.2 2)1.211.5 = 16.56 27.6(2)額定電壓的選擇直流電源由 380v 的三相交流電直接整流得到

17、，所以直流側(cè)電壓為 u d = 2.34 1.2 u 2 =2.341.2156 = 438.05(v )其中 u 2 為交流電相電壓的有效值， 1.2 為考慮到大電容濾波后的電感升高系數(shù)。功率元件的電壓額定為 un 1.5u d = 1.5438.05 = 657.08 (v )所以在實(shí)際的應(yīng)用中選擇 igbt 的型號(hào)為 1mbh60d-100額定電流 60a 額定功率為 260w 有續(xù)流二極管,可以滿足要求。2.2.2 整流部分元件的選擇 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 ivt ,直流側(cè)的最大電流為im,根據(jù)電力電子學(xué)的相關(guān)知識(shí)，三相全控橋通過二極

18、管的電流有效值 ivt 和直流側(cè)電流 im 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ind =25a 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： u nd = (2 3)u m = (2 3) 2 380 = 1072 1596 (v ) 選用 und = 1600v 為了減小主電路的體積，使之易于安裝，選用 25a /1600v 的二極管兩單元模塊三個(gè)構(gòu)成整流橋。2.3 直流濾波電解電容及其依據(jù)由于通過整流橋后的

19、直流是含有脈動(dòng)的直流，必須通過電容加以濾波。根據(jù)二極管的最大整流平均 if 和最高反向工作電壓 ur 分別應(yīng)滿足： if 1.1io(av) 21.131.772=17.48 (a) ur1.12u2=1.12160=352 (v)選用 2zc 系列的大功率硅整流二極管，型號(hào)和參數(shù)如下所示：在設(shè)計(jì)主電路時(shí)，濾波電容是根據(jù)負(fù)載的情況來選擇電容c值，使rc(35)t/2,且有 udmax=0.91560.95=133.38(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，22000 uf2.4 驅(qū)動(dòng)電路的原理圖及其原理說明具有制動(dòng)作用的

20、不可逆pwm變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)電樞回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)二象限運(yùn)行，有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能。可逆pwm變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有t型和h型兩種，其基本電路如圖2-3所示，圖中（a）為t型pwm變換器電路，（b）為h型pwm變換器電路。圖2.4 可逆pwm變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式t型電路由兩個(gè)可控電力電子器件和與兩個(gè)續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡單，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)便于引出反饋，適用于作為電壓低于50v的電動(dòng)機(jī)的可控電壓源；但是t型電路需要正負(fù)對(duì)稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為h型

21、電路的一半。h型電路是實(shí)際上廣泛應(yīng)用的可逆pwm變換器電路，它由四個(gè)可控電力電子器件（以下以電力晶體管為例）和四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路，這種電路只需要單極性電源，所需電力電子器件的耐壓相對(duì)較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)電樞兩端浮地。在本次設(shè)計(jì)中我們選擇的是h型。2.5 電壓、電流和溫度等傳感器的具體型號(hào)為有效的監(jiān)控直流電機(jī)的運(yùn)行情況，需要用于與電路相匹配的傳感器如（電流傳感器，電壓傳感器，溫度傳感器等） 電流傳感器：供應(yīng)電流互感器 型號(hào)為jc600w32電壓傳感器： 型號(hào)為 pt02v-450/7.07溫度傳感器： 型號(hào)為 fdy-h2008ws2.6 主回路中的保護(hù)電路發(fā)生故障時(shí)，必須進(jìn)

22、行保護(hù)，以避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。故障保護(hù)一般分為硬件和軟件兩級(jí)保護(hù)。（1） 硬件保護(hù) 快速封鎖功率變換器 upe 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將 upe 與供電電源斷開。（2） 軟件保護(hù) 進(jìn)入故障保護(hù)中斷程序，鎖存故障信號(hào)，禁止 upe 驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，通過外圍電路顯 示故障類型，并同時(shí)產(chǎn)生聲、光等報(bào)警信號(hào)。 硬件保護(hù)起作用后，故障隨之消失，如果沒有軟件保護(hù)，系統(tǒng)將重新投入運(yùn)行，再次導(dǎo)致故障出現(xiàn)。因此，只有硬件保護(hù)是不夠的，必須設(shè)置軟件保護(hù)。2.6.1 交流側(cè)過壓過流保護(hù)在變壓器副邊并聯(lián)電阻和電容，可以把變壓器鐵芯釋放的磁場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能量并儲(chǔ)存再電容中，因?yàn)殡娙莶豢梢允箖啥穗妷和蛔?，所以可以達(dá)到抑制過電壓

23、的目的，而串入電阻的目的是為了在能量轉(zhuǎn)換的過程中消耗一部分能量，從而防止因變壓器漏感和并聯(lián)電容構(gòu)成的震蕩回路再閉合時(shí)產(chǎn)生的過電壓，抑制了lc回路出現(xiàn)震蕩，電路圖如下所示：圖2.6.1 交流側(cè)過壓過流保護(hù)其中，c和r的計(jì)算公式為c6i%s/ ；r2.3* /s*在公式中：s 變壓器每相平均電壓計(jì)算容量，單位va uk 變壓器二次側(cè)相電壓有效值，單位 v i%變壓器激磁電流百分?jǐn)?shù) % 變壓器的短路比2.6.2 直流側(cè)的過壓過流保護(hù)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 濾波，以獲得恒定的直流電壓 。由于電容容量較大，突加電源時(shí)相當(dāng)于短路，勢(shì)必產(chǎn)生很大的充電電流，容易

24、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間傳入電阻rz，合上電源后，用延時(shí)開關(guān)將rz短路，以免在運(yùn)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(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)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(dá)到允許值時(shí)接通 。2.6.3 快速熔斷器短路保護(hù)熔斷器的作用：當(dāng)電路發(fā)生故障或異常時(shí)，伴隨著電流不斷升高，可能損壞電路中的某些重要器件，也有可能燒毀電路甚至造成火災(zāi)。若安裝熔斷器，則熔斷器就會(huì)在電流異常升高到一定高度的時(shí)候，自身熔斷，切斷電流，從而起到保護(hù)電路的作用。為了防止由于電流過大而

25、燒毀電力二極管，在二極管回路上加快速熔斷器，在主回路中應(yīng)加入熔斷器。 2.6.4 過電流保護(hù) 在電路中串接的器件是快速熔斷器，這是一種最簡單有效而應(yīng)用最普遍的過電流保護(hù)元件，其斷流時(shí)間一般小于10ms，按圖四接法熔斷器與每一個(gè)晶閘管元件相串聯(lián)，可靠的保護(hù)每一個(gè)晶閘管元件。熔斷器的額定電壓、電流可按下式計(jì)算額定電壓urn：不小于線路正常工作電壓的方均根值額定電流： ：電流裕度系數(shù)，取值1.11.5 ：環(huán)境溫度系數(shù)，取值11.2 ：實(shí)際流過快熔的電流有效值3.直流調(diào)速系統(tǒng)的控制理論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3.1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 圖中 wasr(s)和 wacr

26、(s)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用 pi 調(diào)節(jié)器，則有 3.1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程分析 對(duì)調(diào)速系統(tǒng)而言，被控制的對(duì)象是轉(zhuǎn)速。跟隨性能可以用階躍給定下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)描述。能否實(shí)現(xiàn)所期望的恒加速過程，最終以時(shí)間最優(yōu)的形式達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，是設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要的追求目標(biāo)。 起動(dòng)過程分析： 電流 id 從零增長到 idm，然后在一段時(shí)間內(nèi)維持其值等于 idm 不變，以后又下降并經(jīng)調(diào)節(jié)后到達(dá)穩(wěn)態(tài)值 idl。轉(zhuǎn)速波形先是緩慢升速，然后以恒加速上升，產(chǎn)生超調(diào)后，到達(dá)給定值 n*。 起動(dòng)過程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在此三個(gè)階段中經(jīng)歷了不飽

27、和、飽和以及退飽和三種情況。 第階段：電流上升階段（0t1） 在 t=0 時(shí)，系統(tǒng)突加階躍給定信號(hào) un*，在 asr 和 acr 兩個(gè) pi 調(diào)節(jié)器的作用下， id 很快上升，在 id 上升到 idl 之前，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速為零。 當(dāng) id idl后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長，asr 輸入偏差電壓仍較大，asr很快進(jìn)入飽和狀態(tài)，而acr一般不飽和。直到id = idm，ui = uim 。 第階段:恒流升速階段（t1t2）asr 調(diào)節(jié)器始終保持在飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)仍相當(dāng)于開環(huán)工作。系統(tǒng)表現(xiàn)為使用pi 調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的給定值就是 asr 調(diào)節(jié)

28、器的飽和值 u*im，基本上保持電流 id = idm不變，電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的擾動(dòng)是電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，它是一個(gè)線性漸增的斜坡擾動(dòng)量，系統(tǒng)做不到無靜差，而是 id 略低于 idm。 第階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2 以后）n 上升到了給定值 n*，un=0。因?yàn)?ididm，電動(dòng)機(jī)仍處于加速過程，使 n超過了 n* ，稱之為起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速的超調(diào)造成了un0，asr 退出飽和狀態(tài)，ui 和 id 很快下降。轉(zhuǎn)速仍在上升，直到 t=t3 時(shí)，id= idl ，轉(zhuǎn)速才到達(dá)峰值。在 t3t4 時(shí)間內(nèi)，id wci 滿足近似條件。（2）忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 44.23 wci 滿足近似條

29、件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 由圖1.1，按所用運(yùn)算放大器取r0=40k ，各電阻和電容值為 ri=ki*r0，取40 ci=ki/ri，取0.75 取0.006 按照上述參數(shù)設(shè)計(jì)要求。圖3.2.1 含濾波環(huán)節(jié)的pi型電流調(diào)節(jié)器3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1.確定時(shí)間（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/ki。由前述已知， ，則（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) ，根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取 .（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) 。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 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)式為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，先取h=5，則asr的超前時(shí)間常數(shù)為 則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)

30、增益可得asr的比例系數(shù)為4.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為 （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 滿足簡化條件。（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 滿足近似條件。 5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖2.1.2 所示，取 ，則 . , 取0.3uf 圖3.2.2 含濾波環(huán)節(jié)的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.3 電路的內(nèi)外限伏圖3.3.1 外限幅電路 圖3.3.2 內(nèi)限伏電路3.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。 圖3.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速結(jié)構(gòu)圖asr-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器acr-電流調(diào)節(jié)器tg -

31、測(cè)速發(fā)電機(jī)ta -電流互感器upe-電力電子變換器圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器upe。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán).這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 3.4.1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)3.4.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖2-4所示。電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均為具有限幅輸出的pi調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸出達(dá)到飽和值時(shí)，輸出量的變化不再影響輸出，除非產(chǎn)生反向的輸入才能使調(diào)節(jié)器退出飽和。當(dāng)輸出未達(dá)到飽和時(shí)，穩(wěn)態(tài)的輸入偏差電壓總是為零。正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成總是不

32、會(huì)飽和的，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有時(shí)運(yùn)行在飽和輸出狀態(tài)，有時(shí)運(yùn)行在不飽和狀態(tài)。圖3.4.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的matlab仿真4.1 建立matlab仿真模型及其調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證 根據(jù)結(jié)構(gòu)圖 和計(jì)算出的相關(guān)參數(shù), 建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的matlab/simulink 動(dòng)態(tài)仿真模型,如圖所示.圖4.1 雙閉環(huán)pwm直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型經(jīng)驗(yàn)證參數(shù)合格。圖4.2 雙閉環(huán)pwm 直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果5.數(shù)字控制器的設(shè)置5.1 硬件設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)主要包括智能控制芯片at89c51、轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速顯示、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、電流檢測(cè)、觸發(fā)電路和主電路等部分。圖5.1 直流調(diào)速系統(tǒng)

33、硬件設(shè)計(jì) pwm波可以由具有pwm輸出的單片機(jī)通過編程來得以產(chǎn)生，也可以采用pwm專用要求過高，當(dāng)他頻率太低時(shí)，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大，在實(shí)際用用當(dāng)中，當(dāng)pwm頻率在180khz左右時(shí)，效果最好。在本系統(tǒng)內(nèi)，采用兩片四位數(shù)值比較器4585和一片12位串行計(jì)數(shù)器4040組成了pwm信號(hào)發(fā)生電路。 兩片數(shù)值比較器4585，即如圖生u2、u3、的a組接12位串行4040計(jì)數(shù)輸出端q2-q9，而u2、u3的b組接到單片機(jī)的p1端口。只要改變p1端口的輸出值，就可以使得pwm信號(hào)的占空比發(fā)生變化，從而進(jìn)行調(diào)控控制。12位串行計(jì)數(shù)器4040的計(jì)數(shù)輸入端clk接到單片機(jī)c5晶振的震蕩輸出xtal2。計(jì)數(shù)器4040每來8個(gè)脈沖，其輸出q2-q9加1，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于或者等于單片機(jī)p1值x時(shí)，圖中u2的（ab)輸出端保持低電平，而當(dāng)計(jì)數(shù)值大于單片機(jī)p1端口輸出值x時(shí)，圖中的u2的(ab)輸出端保持高電平。隨著計(jì)數(shù)值的增加，q2-q9由全1變?yōu)槿?”時(shí)，圖中u2的（ab)端