雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)習(xí)報(bào)告題 目 雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 系 （部） 完成時(shí)間 目錄1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)：31.1 初始條件及要求41.2 設(shè)計(jì)任務(wù)42 方案確定42.1 方案選定42.1.2 橋式可逆PWM變換器的工作原理62.1.3 系統(tǒng)控制電路圖82.1.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析92.1.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖103 硬件電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇113.1 硬件電路設(shè)計(jì)113.1.1整流變壓器選擇：113.1.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR電路123.1.3 電流調(diào)節(jié)器ACR電路123.1.4 PWM脈寬控制電路133.2

2、系統(tǒng)參數(shù)的選取153.2.1 PWM變換器滯后時(shí)間常數(shù)Ts153.2.2 電流濾波時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)153.2.3 反饋系數(shù)的確定153.2.4 電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì)153.2.5 速度調(diào)節(jié)器ASR設(shè)計(jì)184 采用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真214.1 原理框圖設(shè)計(jì)214.1.1 電流環(huán)原理圖214.1.2 轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖214.1.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖224.2 仿真結(jié)果234.2.1電流環(huán)仿真結(jié)果234.2.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果244.2.3轉(zhuǎn)速環(huán)抗負(fù)載擾動(dòng)仿真結(jié)果244.3 仿真結(jié)果分析255 設(shè)計(jì)心得體會(huì)25參考文獻(xiàn)26附錄：系統(tǒng)總電路原理圖27摘要本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)

3、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)，以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)是否可行.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能好、使用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。本設(shè)計(jì)是以直流PWM控制調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速

4、，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、以及電流調(diào)節(jié)器ACR并用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正，對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行采集，處理起到無靜差效果。用二極管進(jìn)行整流，以及濾波，通過驅(qū)動(dòng)電路的作用得到可靠的導(dǎo)通和關(guān)斷，并用霍爾傳感器對(duì)電流取樣進(jìn)而反饋至電流調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)同時(shí)設(shè)有過流保護(hù)，為此達(dá)到雙閉環(huán)直流調(diào)速。關(guān)鍵詞： 雙閉環(huán) 直流調(diào)速 PWM MATLAB1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)：（1）雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)工作原理，進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。分析設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)框圖，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。（2） 雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)框圖和任務(wù)分解結(jié)果，進(jìn)行典型環(huán)節(jié)和模塊電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速電流環(huán)電路，觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)

5、控制電路的選型設(shè)計(jì)（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)器電路均可），控制主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器和保護(hù)電路等），檢測(cè)及給定電路。（3）控制系統(tǒng)各單元參數(shù)測(cè)試和計(jì)算 測(cè)出各環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)及時(shí)間常數(shù)，在確定調(diào)速范圍D=時(shí)比較開環(huán)、單環(huán)和雙環(huán)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。（4）PID控制算法的確定以仿真結(jié)果或?qū)嶒?yàn)結(jié)果為根本依據(jù)，結(jié)合理論，確定合理的PID控制策略和控制參數(shù)。（5）MATLAB仿真驗(yàn)證利用MATLAB下的SIMULINK軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，同時(shí)將結(jié)果在示波器上顯示出來，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。1.1 初始條件及要求由課程設(shè)計(jì)任務(wù)書給出的初始條件：直流電動(dòng)機(jī)：，

6、允許過載倍數(shù)；時(shí)間常數(shù)： PWM環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)：電樞回路總電阻：調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：在負(fù)載和電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)下穩(wěn)態(tài)無靜差動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)1）系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)2）電流環(huán)的設(shè)計(jì)3）速度環(huán)的設(shè)計(jì)4）繪制系統(tǒng)的主電路圖根據(jù)任務(wù)要求可知本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)的PWM調(diào)速系統(tǒng)。完成整個(gè)系統(tǒng)電路需要分為五大模塊電路設(shè)計(jì)，它們分別為：ASR及其反饋電路設(shè)計(jì)、ACR及其反饋電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、PWM產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)和反饋檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。2 方案確定2.1 方案選定直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(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

7、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?？傮w方案簡化圖如圖1所示。圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化圖用雙閉環(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)過程。在啟動(dòng)過程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(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)過載能力的條件下

8、獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。 圖2直流PWM傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖直流PWM控制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速控制系統(tǒng)的簡稱，和晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別在于用直流PWM變換器取代了晶閘管變流裝置，作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖2所示。其中屬于脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)主要由調(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和電力晶體管基極的驅(qū)動(dòng)器GD和脈寬調(diào)制（PWM）變換器組成，最關(guān)鍵的部件為脈寬調(diào)制器。如圖3所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。圖3調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形2.1.2 橋式可逆PWM變換

9、器的工作原理脈寬調(diào)制器的作用是：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，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。橋式可逆PWM變換器電路如圖4所示。這是電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。圖4 橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖5所示。圖5 PWM變換器的驅(qū)動(dòng)電壓波形他們的關(guān)系是：。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止，這時(shí)。當(dāng)時(shí)，、截止，但、不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時(shí)。在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)

10、電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，則的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比，電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為01相應(yīng)的。當(dāng)時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止。但電動(dòng)機(jī)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)交變電流的平均值等于零，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)仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤滑”

11、的作用。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(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)有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4）低速平穩(wěn)性好，每個(gè)開關(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。控制電路如下所示。主要組成部分有信號(hào)設(shè)定（頻率給定、給定積分器）、正弦參考信號(hào)幅值和頻率控制電路（絕對(duì)值運(yùn)算器、壓控振蕩器、函數(shù)發(fā)生器、極性鑒別器）、PWM波發(fā)生器（三相正弦波發(fā)生器、鎖相環(huán)、三相波載波發(fā)生器、比較器）及和主電路相隔離的電壓/電流檢測(cè)回路、驅(qū)動(dòng)回路及保護(hù)回路。2.1.3 系統(tǒng)控制電路圖控制電路如下所示。主要組成部分有信號(hào)設(shè)定（頻率給定、給定積分器）、正弦參考信號(hào)幅

12、值和頻率控制電路（絕對(duì)值運(yùn)算器、壓控振蕩器、函數(shù)發(fā)生器、極性鑒別器）、PWM波發(fā)生器（三相正弦波發(fā)生器、鎖相環(huán)、三相波載波發(fā)生器、比較器）及和主電路相隔離的電壓/電流檢測(cè)回路、驅(qū)動(dòng)回路及保護(hù)回路 通用型PWM變頻器原理圖框圖 2.1.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析由于采用了脈寬調(diào)制，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡單，電壓平衡方程如下 . 按電壓平衡方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式，電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的電壓都是，平均電流用表示，平均轉(zhuǎn)速，而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫成則機(jī)械特性方程式2.1.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)

13、結(jié)構(gòu)圖首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。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)和使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(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6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)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)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和和不飽和兩種情況。為了獲得近似理想的過度過程，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)速和輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別

14、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。圖7為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理.圖7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖3 硬件電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇3.1 硬件電路設(shè)計(jì)3.1.1整流變壓器選擇：a) 計(jì)算變壓器二次側(cè)電壓U2：其中A為理想情況下時(shí)整流電壓Ud0和二次側(cè)電壓U2的比值，這個(gè)值對(duì)于三相全波整流電路來說等于2.34；為考慮電源電壓波動(dòng)引入的系數(shù)，一般可取0.90.95；B為移相角為時(shí)輸出電壓Ud和Ud0之比，即B=cos，計(jì)算時(shí)可取b) 計(jì)算變壓器二次側(cè)電流I2：c) 計(jì)算變壓器視在功率SN=3U2I2d) 變壓器一次側(cè)電壓由供電電源決定，一般為U1=220V，

15、一次側(cè)電流I1=SN/U12. 晶閘管選擇（或二極管選擇）a) 晶閘管（二極管）額定電壓計(jì)算：承受的最大正、反向電壓為，晶閘管額定電壓可取為（2-3）UT。b) 晶閘管（二極管）額定電流計(jì)算晶閘管的通態(tài)平均電流，晶閘管額定電流取為（1.5-2）IT。c) 三相全橋晶閘管整流器放大倍數(shù)計(jì)算為電機(jī)最大電樞電壓。，Uctm為晶閘管觸發(fā)裝置控制電壓最大值。3.1.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR電路設(shè)計(jì)中采用運(yùn)算放大器TL082作為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路，如圖8所示，給定電壓由正負(fù)10V電源加在兩個(gè)電位器上構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)電位器R11、R22即可調(diào)節(jié)給定電壓的大小，在經(jīng)過電壓跟隨器加到速度調(diào)節(jié)器上。圖中穩(wěn)壓二極管D3、

16、D4配合構(gòu)成限幅器限制ASR輸出的最大電壓，保證了系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中電機(jī)能夠在最大轉(zhuǎn)矩下安全的恒流啟動(dòng)。實(shí)現(xiàn)飽和非線性控制。圖8 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR電路3.1.3 電流調(diào)節(jié)器ACR電路電流環(huán)調(diào)節(jié)器硬件電路是如圖9所示的PI調(diào)節(jié)器。同速度調(diào)節(jié)器，D1、D2構(gòu)成限幅電路，當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起到堵轉(zhuǎn)以及過流保護(hù)作用。ASR的輸出作為給定信號(hào)加在端，反饋的電流信號(hào)加在UiF端。圖9 電流調(diào)節(jié)器ACR電路 電流檢測(cè)部分采用霍爾傳感器檢測(cè)出主回路中的電流，送入電流調(diào)節(jié)器的電流反饋輸入端。通過調(diào)節(jié)電位器R20即可調(diào)節(jié)的值到適當(dāng)?shù)拇笮　ｋ娏鳈z測(cè)電路如圖10所示。圖10 電流檢測(cè)電路3.

17、1.4 PWM脈寬控制電路 如圖21所示為PWM脈寬控制電路，控制電壓Uc控制SG3524輸出兩路帶死區(qū)互補(bǔ)的PWM波，通過控制電壓Uc的大小控制占空比的大小。然后一路PWM波連接U5的HIN和U7的LIN，另一路PWM波其通過SN74LS04反相連接U7的LIN和U5的HIN，這樣就共同通過一片SG3524驅(qū)動(dòng)兩路半橋電路，實(shí)現(xiàn)全橋驅(qū)動(dòng)。 圖11 PWM脈寬控制電路SG3524介紹和電路參數(shù)設(shè)定如下：SG3524的基準(zhǔn)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比較器、T型觸發(fā)器等以及通過16腳向外均提供+5V的工作電壓，基準(zhǔn)電壓振蕩器先產(chǎn)生0.6V-3.5V的連續(xù)

18、不對(duì)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。本設(shè)計(jì)采用集成脈寬調(diào)制器SG3524作為脈沖信號(hào)發(fā)生的核心元件。根據(jù)主電路中MOSFET的開關(guān)頻率，選擇適當(dāng)?shù)腞T、CT值即可確定振蕩頻率。振蕩器頻率由SG3524的6腳、7腳外接電容器CT和外接電阻器RT決定,其為:f=1.15/RTCT。由初始條件知，開關(guān)頻率為10kHz，可以選擇RT=12k ，CT=0.01uF。兩路輸出單獨(dú)使用時(shí)，輸出脈沖占空比為0%45%，脈沖頻率為振蕩頻率的一半。兩路輸出并聯(lián)使用才能使輸出脈沖占空比為0%90%，脈沖頻率為振蕩頻率。IR2110介紹和電路參數(shù)設(shè)定如下：MOSFET驅(qū)動(dòng)采用了

19、集成芯片IR2110，IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入和標(biāo)準(zhǔn)的CMOS輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達(dá)500V，du/dt=±50V/ns，在15V下的靜態(tài)功耗僅有1.6mW；輸出的柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為1020V，邏輯電源電壓范圍為515V，邏輯電源地電壓偏移范圍為5V5V。IR2110采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。因SG3524振蕩頻率為10KHz，電容C35和C45大小取1uF。且為了防止IR2110驅(qū)動(dòng)的半橋直通，反相器需有一定的時(shí)間裕量，保證同一路IR2110兩互補(bǔ)信號(hào)有死區(qū)，在這里用

20、SN74LS14構(gòu)成的反相器可以滿足要求3.2 系統(tǒng)參數(shù)的選取3.2.1 PWM變換器滯后時(shí)間常數(shù)TsPWM控制和變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)和整流裝置基本一致。當(dāng)控制電壓改變時(shí)，PWM變換器輸出平均電壓按現(xiàn)行規(guī)律變化，但其響應(yīng)會(huì)有延遲，最大的時(shí)延是一周開關(guān)周期T。PWM裝置的延遲時(shí)間，一般選取 =0.0002s (3) 其中，-開關(guān)器件IGBT的頻率，取5K.3.2.2 電流濾波時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) PWM變換器電流濾波時(shí)間常數(shù)的選擇和晶閘管控制電路有所區(qū)別，這里選擇電流濾波時(shí)間常數(shù) (4) 根據(jù)所有發(fā)電機(jī)紋波情況 3.2.3 反饋系數(shù)的確定 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) (5) 電流反饋系數(shù) (

21、6)3.2.4 電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì) 3.2.4.1 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)計(jì)算 按小時(shí)間按常數(shù)近似處理，取 (7)3.2.4.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)時(shí)在電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)下系統(tǒng)無靜差，可以按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，因此可以采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可見式（8）。 (8) 檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，分析可知，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3.2.4.3 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。 電流環(huán)開環(huán)增益：要求，根據(jù)典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)和參數(shù)的關(guān)系可知，應(yīng)取，因此 (9)于是，ACR的比例系數(shù)為 (10)3.2.4.4 校驗(yàn)

22、近似條件 電流環(huán)截止頻率：227.3 （1）PWM變換裝置傳遞函數(shù)的近似條件 (11)滿足近似條件。 （2）校驗(yàn)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 (12)滿足近似條件。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 (13)滿足近似條件。3.2.4.5 調(diào)節(jié)器電容和電阻值計(jì)算按所用運(yùn)算放大器取，各個(gè)電阻和電容值的計(jì)算如下： 取60 取0.5 取0.2PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖12所示。 圖12 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器由以上計(jì)算可得電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為 (14) 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。 圖13 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.2.5 速度調(diào)節(jié)器ASR設(shè)計(jì)3.2.5.1

23、 時(shí)間常數(shù)的設(shè)定 在電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中為了達(dá)到電流超調(diào)的要求（），所以電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為： (15) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)處理處理，取 (16) 3.2.5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中。現(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)調(diào)節(jié)器應(yīng)該有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (17) 3.2.5.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算 電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)為： (18) 按跟隨性和抗擾性好的原則，取h=

24、5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為： (19) 轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益為： (20) 于是可得ASR的比例系數(shù)為： (21) 3.2.5.4 校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為： （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 (22) 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 (23) 滿足簡化條件。 （3）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng)h=5時(shí)，由典型II型系統(tǒng)的階躍輸入跟隨性能指標(biāo)的關(guān)系可知，不能滿足設(shè)計(jì)的要求。實(shí)際上，突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。 系統(tǒng)空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量： 滿足要求。3.2.5.5 調(diào)節(jié)器電容和電阻值計(jì)算按所用運(yùn)算放大器取，各電

25、阻和電容值計(jì)算如下： 取470 取0.3 取2 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖14所示。圖14 含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由以上計(jì)算可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 (24) 校正成典型II型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖15所示。 圖15 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4 采用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真 利用MATLAB-SIMULINK對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)框圖和仿真結(jié)果如下所示。4.1 原理框圖設(shè)計(jì)4.1.1 電流環(huán)原理圖圖16 電流環(huán)原理圖 電流環(huán)的原理圖如圖16所示，輸入為階躍信號(hào)，通過ACR輸出限幅，控制輸出電流幅值大小。電流反饋環(huán)節(jié)加上PI調(diào)節(jié)器，使穩(wěn)態(tài)輸出無靜差。4.1.2 轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖 轉(zhuǎn)

26、速環(huán)原理圖如圖17所示。階躍給定輸入信號(hào)經(jīng)過一個(gè)慣性環(huán)節(jié)輸出，和反饋環(huán)節(jié)的比較作為ASR的輸入，ASR輸出限幅，控制輸出直流電壓幅值大小。負(fù)載擾動(dòng)設(shè)定為階躍信號(hào)，系統(tǒng)空載啟動(dòng)。若仿真時(shí)間設(shè)為5s,可以設(shè)定在3s時(shí)加入負(fù)載的擾動(dòng)。 圖17 轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖 4.1.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖18 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真原理圖 圖中，step為一個(gè)電壓階躍信號(hào)，當(dāng)t=0時(shí)，跳變?yōu)殡A躍值為10的信號(hào)。 圖中subsystem是新建的一個(gè)系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)參數(shù)，其等效為ASR或者ACR，只是兩者的參數(shù)設(shè)置不一樣，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，包含比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，如圖19所示。圖19 ASR和A

27、CR內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4.2 仿真結(jié)果4.2.1電流環(huán)仿真結(jié)果 電流環(huán)的仿真結(jié)果如圖20所示。突加給定電壓，電流迅速上升至最大值，存在一定的超調(diào)，因給定輸入達(dá)到限幅值，強(qiáng)迫電樞電流上升階段結(jié)束，電流減小達(dá)到給定值并維持穩(wěn)定。設(shè)置給定值為760，在直流電動(dòng)機(jī)的恒流升速階段，電流值低于760A，其原因是電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的擾動(dòng)。選擇KT=0.5.當(dāng)KT的值越大時(shí)，超調(diào)越大，但上升時(shí)間越短。圖20 電流環(huán)仿真結(jié)果4.2.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果圖21 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖21所示，系統(tǒng)的起動(dòng)過程包含三個(gè)階段。電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)（退飽和）階段。4.2.3轉(zhuǎn)速環(huán)抗

28、負(fù)載擾動(dòng)仿真結(jié)果 利用轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型同樣可以對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾過程進(jìn)行仿真，它是在負(fù)載電流IdL(s)的輸入端加上負(fù)載電流。得到轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾波形圖如圖22所示。圖22 轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾仿真結(jié)果4.3 仿真結(jié)果分析雙閉環(huán)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞的電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī)電流增加，從而使電動(dòng)機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加速上升，電機(jī)啟動(dòng)性能良好，滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定性。5 設(shè)計(jì)心得體會(huì) 兩周的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)結(jié)束了，我們收獲頗多，下面就談一下這兩周來關(guān)于本次實(shí)訓(xùn)的心得體會(huì)。本次課題是直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我選擇了雙閉環(huán)直流