pwm脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　PWM脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　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

2、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。<

3、;/p><p>　　關(guān)鍵詞 直流電機(jī) 直流調(diào)速系統(tǒng) 速度調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 PWM調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)系統(tǒng) 仿真</p><p>　　Abstract DC motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and

4、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 control performance is excellent. Beginning with the theory of D

5、C motor, this dissertation builts up the mathematic model of DC speed control system with double closed loops, detailedly discusses the static and dynamic sta</p><p>　　Keywords DC motor, DC governing system

6、, speed governor, current governor, double loop control system, simulink</p><p>　　一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過(guò)程和原理：電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的

7、輸入端存在一個(gè)偏差信號(hào)，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào),直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流)可以通過(guò)整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來(lái)改變。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號(hào)減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀

8、態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開(kāi)始起作用。對(duì)負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng),速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號(hào)將隨時(shí)通過(guò)速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來(lái)修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化,從而校正和補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù), 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié),可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來(lái)得及發(fā)生改變時(shí),迅速使電流恢復(fù)到原來(lái)值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。</p><p>　　2、雙閉環(huán)

9、直流調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　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。兩者之間實(shí)行嵌套連接，如圖1—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，電流環(huán)在里面，稱(chēng)作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱(chēng)作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><

10、;p>　　圖1—1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　其中：ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR-電流調(diào)節(jié)器 TG-測(cè)速發(fā)電機(jī) TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器 -轉(zhuǎn)速給定電壓 Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓 -電流給定電壓 -電流反饋電壓</p><p>　　實(shí)際上在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器始終為不飽和狀態(tài)，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器則處于飽和和不飽和兩種狀態(tài)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)

11、圖如圖2所示。</p><p>　　圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。</p><p>　　圖3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖上必須把電流標(biāo)示出來(lái)。電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速

12、調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和、飽和、退保和三種狀態(tài)，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程可分為圖4中的三個(gè)階段。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形如圖4所示。</p><p>　　圖4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形</p><p>　　圖4中所示的啟動(dòng)過(guò)程，階段Ⅰ是電流上升階段，電流從0到達(dá)最大允許值Idm，ASR飽和、ACR不飽和；階段Ⅱ時(shí)恒流升速階段，Id基本保持在Idm，電動(dòng)機(jī)加速到了給定值n*

13、，ASR飽和、ACR不飽和；階段Ⅲ時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（退飽和階段），ASR不飽和、ACR不飽和。</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程利用飽和非線性控制，獲得了準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制，但卻帶來(lái)了轉(zhuǎn)速超調(diào)。</p><p>　　2.2 H橋PWM變換器</p><p>　　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

14、列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　由于題目中給定為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的H型雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，即占空比，可以達(dá)到對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的目的。H型雙極性PWM變換器如圖5所示。</p><p>　　圖5 橋式可逆PWM變換器電路</p><

15、p>　　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6所示。</p><p>　　圖6 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</p><p>　　它們的關(guān)系是：。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，晶體管VT1、VT4飽和導(dǎo)通而VT2、VT3截止，這時(shí)。當(dāng)時(shí)，VT1、VT4截止，但VT2、VT3不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)VD2、VD3續(xù)流，這時(shí)。在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙

16、極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖6所示。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)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)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為</p><p><b>　　(1)</b></p><p&g

17、t;　　如果定義占空比，電壓系數(shù)，則在雙極式可逆變換器中</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為0~1，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)，=0，電動(dòng)機(jī)停止。但是電動(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。</p><p><b

18、>　　3 系統(tǒng)參數(shù)的選取</b></p><p>　　3.1 PWM變換器滯后時(shí)間常數(shù)Ts</p><p>　　PWM控制與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。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(kāi)關(guān)周期T。</p><p>　　PWM裝置的延遲時(shí)間，一般選取</p>

19、;<p>　　=0.001s (3)</p><p>　　其中，------開(kāi)關(guān)器件IGBT的頻率。</p><p>　　3.2 電流濾波時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)</p><p>　　PWM變換器電流濾波時(shí)間常數(shù)的選擇與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)

20、 </p><p>　　==0.132 V·min／r</p><p><b>　　===0.18s</b></p><p><b>　　===0.03s</b></p><p>　　4 電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì) </p><p>　　4.1 電流

21、環(huán)小時(shí)間常數(shù)計(jì)算</p><p>　　按小時(shí)間按常數(shù)近似處理，取</p><p>　　=+=0.002+0.001=0.003 (7)</p><p>　　4.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇 </p><p>　　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(wú)靜差，可以按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)

22、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(jiàn)式（8）。</p><p><b>　　(8)</b></p><p>　　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。</p><p>　　4.3 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。</p>

23、<p>　　電流環(huán)開(kāi)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)與參數(shù)的關(guān)系可知，應(yīng)取，因此</p><p><b>　　(9)</b></p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為</p><p>　　4.4 校驗(yàn)近似條件 </p><p>　　電流環(huán)截止頻率：166.7</p>

24、<p>　　（1）PWM變換裝置傳遞函數(shù)的近似條件</p><p><b>　　(11)</b></p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　?。?）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</p><p><b>　　(12)</b>&

25、lt;/p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　?。?）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件</p><p><b>　　(13)</b></p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　4.5 調(diào)節(jié)器電容和電阻值計(jì)

26、算</p><p>　　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：</p><p><b>　　取50</b></p><p><b>　　取0.6</b></p><p><b>　　取0.2</b></p><p>　　PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如

27、圖7所示。</p><p>　　圖7 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　由以上計(jì)算可得電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(14) </b></p><p>　　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8所示。</p><p>　　圖8 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖&

28、lt;/p><p>　　5 速度調(diào)節(jié)器ASR設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 時(shí)間常數(shù)的設(shè)定</p><p>　　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：</p><p>　　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</p><p><b>　　(16) </b>

29、;</p><p>　　5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)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?，F(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(kāi)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(jiàn)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p>&

30、lt;p><b>　　(17) </b></p><p>　　5.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算</p><p>　　按跟隨性和抗擾性好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：</p><p><b>　　(19) </b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)增益為：</p><

31、p><b>　　(20) </b></p><p>　　于是可得ASR的比例系數(shù)為：</p><p><b>　　(21) </b></p><p>　　5.4 校驗(yàn)近似條件</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為：</p><p>　?。?）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件&l

32、t;/p><p><b>　　(22) </b></p><p><b>　　滿足簡(jiǎn)化條件。</b></p><p>　　（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件</p><p><b>　　(23) </b></p><p><b>　　滿足簡(jiǎn)化條

33、件。</b></p><p>　?。?）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　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。</p><p>　　系統(tǒng)空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量： </p><p

34、><b>　　滿足要求。</b></p><p>　　5.5 調(diào)節(jié)器電容和電阻值計(jì)算</p><p>　　按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值計(jì)算如下：</p><p><b>　　取510</b></p><p><b>　　取0.2</b></p><

35、;p><b>　　取1</b></p><p>　　PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖9所示。</p><p>　　圖9 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　由以上計(jì)算可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(24)</b></p><p&g

36、t;　　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10所示。</p><p>　　圖10 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　6 采用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真</p><p>　　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。</p><p>　　6.1 原理框圖設(shè)計(jì)</p><p&

37、gt;　　6.1.1 電流環(huán)原理圖</p><p>　　圖11 電流環(huán)原理圖</p><p>　　電流環(huán)的原理圖如圖11所示，輸入為階躍信號(hào)，通過(guò)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(wú)靜差。</p><p>　　6.1.2 轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖如圖12所示。階躍給定輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)

38、一個(gè)慣性環(huán)節(jié)輸出，與反饋環(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)。 </p><p>　　圖12 轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖 </p><p>　　6.1.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　圖13 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真原理

39、圖</p><p>　　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)。</p><p>　　圖中subsystem是新建的一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)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14所示。</p><p>　　圖14 ASR和ACR內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p&

40、gt;<b>　　6.2 仿真結(jié)果</b></p><p>　　6.2.1電流環(huán)仿真結(jié)果</p><p>　　電流環(huán)的仿真結(jié)果如圖15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200，在直流電動(dòng)機(jī)的恒流升速階段，電流值低于200A，其原因是電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動(dòng)機(jī)反

41、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。</p><p>　　圖15 電流環(huán)仿真結(jié)果</p><p>　　6.2.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果</p><p>　　圖16 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖16所示，系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)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

42、）階段。在圖16中，黃色曲線表示轉(zhuǎn)速變化，紫色曲線表示電樞電流的變化。</p><p>　　6.2.3轉(zhuǎn)速環(huán)抗負(fù)載擾動(dòng)仿真結(jié)果</p><p>　　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(guò)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17所示。</p><p>　　圖17 轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾仿真結(jié)果</p><p&

43、gt;　　6.3 仿真結(jié)果分析</p><p>　　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(guò)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。</p><

44、;p>　　7 雙閉環(huán)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)</p><p>　　7.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR電路</p><p>　　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18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(guò)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(guò)電壓跟隨器加到速度調(diào)節(jié)器上。圖中穩(wěn)壓二極管D3、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)

45、過(guò)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。</p><p>　　圖18 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR電路</p><p>　　7.2 電流調(diào)節(jié)器ACR電路</p><p>　　電流環(huán)調(diào)節(jié)器硬件電路是如圖19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(guò)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(guò)流保護(hù)作用。ASR的輸出作為給定信號(hào)加

46、在端，反饋的電流信號(hào)加在UiF端。</p><p>　　圖19 電流調(diào)節(jié)器ACR電路</p><p>　　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(guò)調(diào)節(jié)電位器R20即可調(diào)節(jié)的值到適當(dāng)?shù)拇笮?。電流檢測(cè)電路如圖20所示。</p><p>　　圖20 電流檢測(cè)電路</p><p>　　7.3 PWM脈寬控制

47、電路</p><p>　　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(guò)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(guò)SN74LS04反相連接U7的LIN和U5的HIN，這樣就共同通過(guò)一片SG3524驅(qū)動(dòng)兩路半橋電路，實(shí)現(xiàn)全橋驅(qū)動(dòng)。 </p><p>　　圖21 PWM脈寬控制電

48、路</p><p>　　SG3524介紹和電路參數(shù)設(shè)定如下：</p><p>　　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(guò)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)不對(duì)稱(chēng)鋸齒波電壓Vj,再變換成矩形波電壓,送至觸發(fā)器、或非門(mén),并由3腳輸出。</p><p>

49、;　　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(kāi)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。</p><p>　　由初始條件知，開(kāi)關(guān)頻率為10kHz，可以選擇RT=12kΩ ，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

50、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。</p><p>　　IR2110介紹與電路參數(shù)設(shè)定如下：</p><p>　　MOSFET驅(qū)動(dòng)采用了集成芯片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；邏輯輸入與標(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=

51、7;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10～20V，邏輯電源電壓范圍為5～15V，邏輯電源地電壓偏移范圍為－5V～＋5V。IR2110采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。</p><p>　　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)

52、，在這里用SN74LS14構(gòu)成的反相器可以滿足要求。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)心得體會(huì)</b></p><p>　　通過(guò)對(duì)PWM脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是我更深刻的理解課本所學(xué)知識(shí)，對(duì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)過(guò)程有了更深入的了解。</p><p>　　通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，加深了對(duì)所學(xué)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程知識(shí)的理解，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)

53、速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì),以及PWM在調(diào)速中的運(yùn)用和作用。設(shè)計(jì)時(shí)借助MATLAB軟件進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)分析，進(jìn)一步熟悉了MATLAB中SIMULINK的仿真，讓我真切的感受到SIMULINK在仿真中的重要性，同時(shí)也意識(shí)到它對(duì)我們自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，必須掌握的一門(mén)技術(shù)。</p><p>　　在此次課程設(shè)計(jì)中，我覺(jué)得查閱各類(lèi)書(shū)籍是很重要的，通過(guò)查閱圖書(shū)館的書(shū)籍可以開(kāi)拓我們的視野，使我們的思維不僅僅局限在一

54、個(gè)很小的圈子里，對(duì)同一個(gè)問(wèn)題有多種分析思路、解決方法。另外，我認(rèn)為光靠自己一個(gè)人的力量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，當(dāng)自己遇到問(wèn)題實(shí)在解決不了時(shí)，可以和同學(xué)共同探討，尋找解決辦法。正所謂“三人行，則必有我?guī)煛薄?lt;/p><p>　　總之，這次課程設(shè)計(jì)不僅增加了我的知識(shí)積累，為將來(lái)的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)，還讓我懂得自主學(xué)習(xí)的重要性，還有做什么事情都要有恒心，有信心，動(dòng)腦子去想，就一定有所收獲，同時(shí)，還要勤于動(dòng)手，只有這樣我們的勞動(dòng)成

55、果才能更加豐碩。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng). 機(jī)械工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[2] 鄒伯敏. 自動(dòng)控制理論. 機(jī)械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[3] 徐月華，汪仁煌. Matlab在直流調(diào)速設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.廣東工業(yè)