運動控制系統(tǒng)課程設計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　直流系統(tǒng)調(diào)速是由功率晶閘管、移相控制電路、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速電路、積分電路、電流反饋電路、以及缺相和過流保護電路，通常指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機械的要求。機械特性上通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性，從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點，使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。

2、</p><p>　　通過對轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關內(nèi)容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。</p><p>　　PWM 控制技術(shù)是一中廣泛應用于控制領域的技術(shù)，其原理是利用沖量相等而形狀相通的窄脈沖加在具有慣的環(huán)節(jié)時候，效果基本

3、相通。在電力拖動系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)電樞電壓的直流調(diào)速是應用最廣泛的一種調(diào)速方法。本文設計了一個基于PWM控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，并且設計了完善的保護措施，既保障了系統(tǒng)的可靠運行，又使系統(tǒng)具有較高的動、靜態(tài)性能。</p><p>　　關鍵詞：PWM控制技術(shù) 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制 直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設計</p><

4、;p><b>　　1概述</b></p><p>　　PWM控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需的波形。采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關控制方式，形成脈寬調(diào)制變換器—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　PWM 控制技術(shù)是一中廣泛應用于控制領域的技術(shù)，其原理是利用沖量相等而

5、形狀相通的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)時候，效果基本相通。在電力拖動系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)電樞電壓的直流調(diào)速是應用最廣泛的一種調(diào)速方法，除了利用晶閘管整流器獲得可調(diào)直流電壓外，還可利用其它電力電子元件的可控性能，采用脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成極性可變，大小可調(diào)的直流電壓，用以實現(xiàn)直流電動機電樞兩端電壓的平滑調(diào)節(jié)，構(gòu)成直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，采用門極可關斷晶體管 GTO、全控電力晶體管 GTR、P-MOSFET、絕緣

6、柵晶體管 IGBT）等一些大功率全控型器件組成的晶體管脈沖調(diào)寬型開關放大器（Pulse Width Modulated），已逐步發(fā)展成熟，用途越來越廣。</p><p>　　調(diào)速通常通過給定環(huán)節(jié)，中間放大環(huán)節(jié)，校正環(huán)節(jié)，反饋環(huán)節(jié)和保護環(huán)節(jié)等來實現(xiàn)。電動機的轉(zhuǎn)速不能自動校正與給定轉(zhuǎn)速的偏差的調(diào)速系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。這種調(diào)速系統(tǒng)的電動機的轉(zhuǎn)速要受到負載波動及電源電壓波動等外界擾動的影響。電動機的轉(zhuǎn)速能自動的校正與給

7、定轉(zhuǎn)速的偏差，不受負載及電網(wǎng)電壓波動等外界擾動的影響，使電動機的轉(zhuǎn)速始終與給定轉(zhuǎn)速保持一致的調(diào)速系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。這是由于閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)。本設計采用PWM技術(shù)來對直流電機進行調(diào)速，與一般直流調(diào)速相比，既減少了對電源的污染，而且使控制過程更簡單方便，減少了對人力資源的使用，又因為線路的簡單化、功率器件需用的減少，使系統(tǒng)的維護、維修變得更加簡單了，但動、靜態(tài)性能卻提高了。</p><p><b&g

8、t;　　2 設計任務及要求</b></p><p><b>　　2.1 設計任務</b></p><p>　　(1) 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖 。</p><p>　　(2) 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路

9、等）。 </p><p>　　(3) 動態(tài)設計計算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。</p><p>　　(4) 繪制PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計算機繪圖）。 </p><p>　　(5) 整理設計數(shù)據(jù)資料，課程設計總結(jié)，撰寫設計計算說明書。<

10、;/p><p><b>　　2.2 設計要求</b></p><p>　　(1) 該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑的速度調(diào)節(jié)，負載電機可逆運行，具有較寬的調(diào)速范圍（D≥10），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。 </p><p>　　(2) 系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率s≤2）。 </p><p>　　(3) 動態(tài)性能指標：轉(zhuǎn)速超調(diào)量δn＜

11、8%，電流超調(diào)量δi＜5%，動態(tài)速降Δn≤10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）ts≤1s 。</p><p>　　(4) 系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù) 。</p><p>　　(5) 調(diào)速系統(tǒng)中設置有過電壓、過電流等保護，并且有制動措施。</p><p><b>　　3 理論設計</b></p><p&g

12、t;　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負反饋和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)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控

13、制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實際工作中，我們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這時，啟動

14、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)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。</p><p><b>　　3.1 方案論證</b></p><p>　　開環(huán)系統(tǒng)能實現(xiàn)一定范圍的無極調(diào)速，但是無法保證靜差率，所以本次設計必須采取閉環(huán)系統(tǒng)。</p><p>　　如果采用單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，我們需要測堵轉(zhuǎn)電流時的系統(tǒng)參數(shù)時，這樣當我們啟

15、動或者突加給定啟動時會有較大的沖擊電流，使系統(tǒng)出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，雖然電樞串電阻和加積分給定環(huán)節(jié)可以解決，但是也無法滿足系統(tǒng)設計要：電流超調(diào)量，空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量的條件，所以必須引入電流負反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　轉(zhuǎn)速—電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，傳統(tǒng)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)一般采用PI調(diào)節(jié)器，采用PI調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)就實現(xiàn)了無靜差調(diào)速。</p><

16、;p>　　主電路采用橋式可逆直流脈寬調(diào)速，由于橋式電路可以實現(xiàn)四象限運行，因此可以實現(xiàn)電機的可逆運行。既電機既可以正轉(zhuǎn)又可以反轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　3.1.1方案設計</b></p><p>　　方案一：單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個轉(zhuǎn)速負反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動機軸上裝一臺測速發(fā)

17、電機SF ,引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓Uf 與給定電壓Ud 比較后,得偏差電壓ΔU ,經(jīng)放大器FD ,產(chǎn)生觸發(fā)裝置CF 的控制電壓Uk ,用以控制電動機的轉(zhuǎn)速,如下圖所示。</p><p>　　圖3-1 方案一原理框圖 </p><p>　　方案二：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　該方案主要由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測環(huán)節(jié)以及電流檢

18、測環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統(tǒng)設置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當做ACR的輸入，再由ACR得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸

19、出限幅功能的PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負反饋閉環(huán)。該方案的原理框圖如下圖所示。</p><p>　　圖3-2 方案二原理框圖</p><p><b>　　3.1.2方案比較</b></p><p>　　方案一采用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)時整流電路的脈波數(shù)m = 2 ,3 ,6 ,12 , ?,其數(shù)目總是有限的,比直流電機每對極下?lián)Q向片的數(shù)目要少

20、得多。因此,除非主電路電感L = ∞,否則晶閘管電動機系統(tǒng)的電流脈動總會帶來各種影響,主要有:(1) 脈動電流產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩,對生產(chǎn)機械不利; (2)脈動電流(斜波電流) 流入電源,對電網(wǎng)不利,同時也增加電機的發(fā)熱。并且晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直流分量外,還含有交流分量。把交流分量引到運算放大器輸入端,不僅不起正常的調(diào)節(jié)作用,反而會產(chǎn)生干擾,嚴重時會造成放大器局部飽和,從而破壞系統(tǒng)的正常工作。</p><p>

21、;　　方案二采用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態(tài)過程。在啟動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。</p><p><b>

22、　　3.1.3方案選擇</b></p><p>　　在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響，難于進行調(diào)節(jié)器動態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠好。</p><p>　　系統(tǒng)中采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)來限制啟動電流，不能充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態(tài)響應，即最佳過渡過程。</p><p>　　為了獲得近似理想的過度過程，并克服幾個

23、信號綜合于一個調(diào)節(jié)器輸入端的缺點，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個調(diào)節(jié)器分別調(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計的最終方案。</p><p><b>　　3.2 系統(tǒng)設計</b></p><p>　　系統(tǒng)設計主要包括兩個方面的設計：電流調(diào)節(jié)器的設計、速度調(diào)節(jié)器的設計。這兩個部分構(gòu)成了調(diào)速系統(tǒng)，完成了所需

24、設計的任務要求。</p><p>　　為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套連接，如圖所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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)。</p><p>

25、　　為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如上圖所示。圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定后了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制電壓 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。<

26、;/p><p>　　3.2.1 電流調(diào)節(jié)器設計</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。</p>

27、<p>　　由于電流檢測信號中常常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，氣濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準。為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加上一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。</p><p>　　3.2.1.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡</p><p>　　在圖1虛線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋

28、的作用相互交叉，這將給設計工作帶來麻煩。實際上，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化比較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即.其中忽略反電動勢對電流環(huán)的近似條件是</p><p><b>　?。?—1）</b></p><p>　　式中 ——電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。</p><p>　　如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都

29、等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改 ，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖所示，從這里可以看出兩個濾波時間常數(shù)取值相同的方便之處。</p><p>　　最后，由于和一般都比 小得多，可以當作小慣性群而近似看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為</p><p><b>　?。?—2）</b></p><p>　　則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖所示。簡化

30、的近似條件為</p><p><b>　　（3—3）</b></p><p>　　圖3—3電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化</p><p>　　(a)忽略反電動勢的動態(tài)影響 (b)等效成單位負反饋 (c)小慣性環(huán)節(jié)近似處理</p><p>　　3.2.1.2確定時間常數(shù)</p><p>　　由電流

31、調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)有：Ki 和。為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇，剩下的只有比例系數(shù) Ki， 可根據(jù)所需要的動態(tài)性能指標選取。 </p><p>　　其中，選取時間常數(shù),為了基本濾平電流，取電流濾波時間常數(shù)，，則有， </p><p>　　3.2.1.3選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　由可得

32、：</b></p><p><b>　　則可求得</b></p><p>　　則有電流環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　可按典型型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。電流控制對象是雙慣性型的，因此可用型電流調(diào)節(jié)器。</p><p>　　3.2.1.4 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)

33、超前時間常數(shù)：。</p><p>　　電流環(huán)開涮增益：要求時，KI Ti =0.5，=0.707，此</p><p><b>　　再利用式可得</b></p><p>　　3.2.1.5 校驗近似條件</p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　　

34、晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件</p><p><b&

35、gt;　　滿足近似條件。</b></p><p>　　3.2.1.6 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　按所用運算放大器取，各電阻和電容值為</p><p><b>　　，取</b></p><p><b>　　，取</b></p><p><b&g

36、t;　　，取</b></p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到動態(tài)跟隨性能指標為4.3%，小于5%，滿足要求。</p><p>　　3.2.2 速度調(diào)節(jié)器設計</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)主要作用是將測速發(fā)電機輸出的電壓進行濾波，濾除交流分量并變換為能滿足系統(tǒng)需要的與電動機轉(zhuǎn)速成正比的電壓作為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速反饋信號，另外還備有轉(zhuǎn)速的檢測信號。&l

37、t;/p><p>　　3.2.2.1 確定時間常數(shù)</p><p><b>　　電流環(huán)等效時間常數(shù)</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取。</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取</p><p>　　3.2.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)&l

38、t;/p><p>　　按跟隨和抗干擾性能都較良好的原則，取，則ASR超前時間常數(shù)</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益</b></p><p>　　于是ASR的比例系數(shù)為</p><p><b>　　其中，</b></p><p>　　3.2.2.3檢驗近似條件</p

39、><p><b>　　轉(zhuǎn)速截止頻率為</b></p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件</p><p><b>　　，滿足條件。</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為</p><p><b>　　，滿足條件。</b></p>

40、;<p>　　3.2.2.4計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　則，?。?lt;/b></p><p><b>　　，??；</b></p><p><b>　　，取。</b></p>

41、<p>　　3.2.2.5校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　當h=5時，查表得，δn=37.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于這是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。</p><p>　　設理想空載起動時，負載系數(shù)z=0，已知直流電機參數(shù)：，，nN＝1800 r/min，Ra＝0.088Ω， ，，。

42、</p><p><b>　　當時，；而，因此</b></p><p><b>　　均滿足設計要求。</b></p><p><b>　　4 系統(tǒng)主電路設計</b></p><p>　　脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波

43、的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。簡而言之，就是用改變電機電樞(定子)電壓的接通和斷開的時間比(占空比)來控制馬達的速

44、度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當電機通電時，其速度增加；電機斷電時，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持一穩(wěn)定值</p><p>　　4.1主電路原理圖及說明</p><p>　　圖4-1 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路</p><p>　　橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如上圖所示。在系統(tǒng)主電路部分，采用的是以大功率GTR為開關元

45、件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。圖中，四只GTR分為兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為另一組。同一組中的兩只GTR同時導通，同時關斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導通和關斷。欲使電動機M向正方向轉(zhuǎn)動，則要求控制電壓Uk為正。欲使電動機反轉(zhuǎn)，則使控制電壓Uk為負即可。</p><p>　　4.2主電路參數(shù)計算及選型</p><p>　　主電路主要包括整流元件晶閘管、整流

46、變壓器和電抗器。在主電路參數(shù)的選擇上要考慮到一定的裕量，這樣才能保證系統(tǒng)在有擾動的時候能夠正常工作。</p><p>　　4.2.1整流元件晶閘管的選型</p><p>　　正確選擇晶閘管能夠使晶閘管裝置在保證可靠運行的前提下降低成本。選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 和額定電流</p><p>　　首先確定晶閘管額定電壓，晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實際

47、承受的最大電壓，考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬2～3倍的安全系數(shù)，則計算公式：</p><p><b>　　（4-1）</b></p><p>　　對于本設計采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按1至6的順序?qū)?，在阻感負載中晶閘管承受的最大電壓，故計算的晶閘管額定電壓為：</p><p><b>　?。?-2）<

48、/b></p><p>　　取。再確定晶閘管額定電流，額定電流有效值大于流過元件實際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計算結(jié)果的1.5～2倍。</p><p>　?。?-3）

49、 </p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　由此可求出晶閘管的額定電流，其公式為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　可以取額定電流為200A。</p><p>　　4.2.2整流變壓器容量的計算和

50、選擇</p><p>　　在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓往往不一致；此外，為了盡量減小電網(wǎng)與晶閘管裝置的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常要配用整流變壓器，這里選項用的變壓器的一次側(cè)繞組采用△聯(lián)接，二次側(cè)繞組采用Y聯(lián)接。</p><p>　　為整流變壓器的總?cè)萘?，為變壓器一次?cè)的容量，為一次側(cè)電壓, 為一次側(cè)電流, 為變壓器二次側(cè)的容量，為二次側(cè)電壓，為二次側(cè)的電流

51、，、為相數(shù)，以下就是各量的推導和計算過程。</p><p>　　為了保證負載能正常工作，當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側(cè)的電壓只能在一個較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓。</p><p><b>　　影響值的因素有：</b></p><p>　　(1)值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大電流值的

52、。</p><p>　　(2)晶閘管并非是理想的可控開關元件，導通時有一定的管壓降，用表示。</p><p>　　(3)變壓器漏抗的存在會產(chǎn)生換相壓降。</p><p>　　(4)平波電抗器有一定的直流電阻，當電流流經(jīng)該電阻時就要產(chǎn)生一定的電壓降。</p><p>　　(5)電樞電阻的壓降。</p><p>　　綜合以

53、上因素得到的精確表達式為：</p><p>　?。?-6） </p><p>　　式中表示當控制角時，整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值之比；表示控制角為時和時整流電壓平均值之比；C是與整流主電路形式有關的系數(shù)；為變壓器的短路電壓百分比，100千伏安以下的變壓器取，100～1000千伏安的變壓器??；為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。通常取,供電質(zhì)量較差，電壓波

54、動較大的情況應取較小值； 表示電動機電樞電路總電阻的標幺值，對容量為的電動機，通常。表示主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降。為負載電流最大值；所以,（表示允許過載倍數(shù)）。</p><p>　　對于本設計：為了保證電動機負載能在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn),計算所得應有一定的裕量,根據(jù)經(jīng)驗所知,公式中的控制角應取300為宜。</p><p>　　，，，,，（其中A、B、C可</p>&l

55、t;p>　　以查表4.1中三相全控橋）</p><p>　　表4-1 變流變壓器的計算系數(shù)</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　以下為計算過程和結(jié)果：</p><p>　　這里可以取。實際選取為標準變壓器時可以通過改變線圈匝數(shù)來實現(xiàn)。根據(jù)主電路的不同的接線方式，由表4.1查得即得

56、出二次側(cè)電流的有效值,從而求的、出變壓器二次側(cè)容量。而一次相電流有效值，所以一次側(cè)容量。一次相電壓有效值取決于電網(wǎng)電壓。所以變流變壓器的平均容量為。 為各種接線形式時變壓器次級電流有效值和負載電流平均值之比。</p><p>　　對于本設計取0.816,且忽略變壓器一二次側(cè)之間的能量損耗，故</p><p><b>　　（4-8）</b></p><

57、;p>　　根據(jù)整流變壓器的特性，即</p><p>　　取3，所以，所以整流變壓器的容量為：</p><p><b>　　（4-9）</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　設計時留取一定的裕量，可以取容量為整流變壓器。</p><p&

58、gt;　　4.2.3電抗器設計</p><p>　　直流側(cè)串接一個只有空氣隙的鐵心平波電抗器，以限制電流的波動分量，維持電流連續(xù),提高整流裝置對負載供電的性能及運行的安全可靠性。直流側(cè)電抗器的主要作用為了限制直流電流脈動；輕載或空載時維持電流連續(xù)；在有環(huán)流可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流；限制直流側(cè)短路電流上升率。</p><p>　　（1）用于限制輸出電流的脈動的臨界電感（單位為mH）</p&g

59、t;<p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中為電流脈動系數(shù)，?。粸殡妷好}動系數(shù)，三相全控橋；為輸出電流的基波頻率，單位為，對于三相全控橋。</p><p>　　即 （4-12）</p><p>　?。?）用于保證輸出電流連續(xù)的臨界電感（單位為mH）</p><p&

60、gt;<b>　?。?-13）</b></p><p>　　式中，為要求的最小負載電流平均值，單位為，本設計中；為計算系數(shù)，三相全控橋。</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　（3）直流電動機的漏電感（單位為mH）</p><p><b>　?。?-15）&

61、lt;/b></p><p>　　式中，K為計算系數(shù)，對于一般無補償繞組電動機K=8～12，對于快速無補償繞組</p><p>　　電動機K=6～8，對于有補償繞組電動機K=5～6，其余系數(shù)均為電動機額定值。n為極對數(shù)，取n=2。</p><p>　　即 （4-16）</p><p>　　（4）折合到

62、交流側(cè)的漏電抗L（單位為mH）</p><p>　　L= （4-17）</p><p>　　式中，%為變壓器短路比，一般取為；為計算系數(shù)，三相全控橋。</p><p>　　即 （4-18）</p><p>　　（5）實際要接

63、入的平波電抗器電感</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p><b>　　可取</b></p><p>　?。?）電樞回路總電感 （4-20）</p><p>　　4.3保護電路的元件選型</p><p>　　4.3.1過電壓保護和du/dt限

64、制</p><p>　　凡是超過晶閘管正常工作是承受的最大峰值電壓的都算過電壓。產(chǎn)生過壓的原因是電路中電感元件聚集的能量驟然釋放或是外界侵入電路的大量電荷累積。按過壓保護的部位來分，有交流側(cè)保護，直流側(cè)保護和元件保護。元件保護主要是通過阻容吸收電路，連線如圖4-2所示。阻容吸收電路的參數(shù)計算式根據(jù)變壓器鐵芯磁場釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為電容器電場的能量存儲起來為依據(jù)的。由于電容兩端的電壓不能突變，所以可以有效的抑制尖峰

65、過電壓。串阻的目的是為了在能量轉(zhuǎn)化過程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振蕩。</p><p>　　假設電壓由提高到，則電容儲能由增加到，儲能的增加基本上等于運動系統(tǒng)在制動時釋放的全部動能，于是</p><p>　　制動儲能要求選擇的電容容量應為</p><p>　　電力電子器件的耐壓限制這最高泵升電壓，因此電容就不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達到

66、數(shù)千微法。在大容量或負載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容來限制泵升電壓，這時可采用鎮(zhèn)流電阻來消耗部分動能。</p><p>　　4.3.2過電流保護和di/dt限制</p><p>　　由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，溫度就會急劇上升可能燒壞PN結(jié)，造成元件內(nèi)部短路或開路。晶閘管發(fā)生過電流的原因主要有：負載端過載或短路；某個晶閘管被擊穿短路，造成其他元件的過電流；觸發(fā)電路工作不

67、正?；蚴芨蓴_，使晶閘管誤觸發(fā)，引起過電流。晶閘管允許在短時間內(nèi)承受一定的過電流，所以過電流保護作用就在于當過電流發(fā)生時，在允許的時間內(nèi)將過電流切斷，以防止元件損壞。</p><p>　?。?）快速熔斷器 普通熔斷絲由于熔斷時間長，用來保護晶閘管很可能在晶閘管燒壞之后熔斷器還沒有熔斷，這樣就起不了保護作用。因此必須采用專用于保護晶閘管的快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔玫氖倾y質(zhì)熔絲，在同樣的過電流倍數(shù)下，它可以在晶閘管損壞

68、之前熔斷，這是晶閘管過電流保護的主要措施。橋臂快速熔斷器的額定電流</p><p>　　實選橋臂快速熔斷器為。</p><p>　　5 控制及驅(qū)動電路設計</p><p>　　5.1控制原理圖及說明</p><p>　　圖5-1 PWM驅(qū)動裝置控制電路框圖</p><p>　　上圖為PWM驅(qū)動裝置控制電路框圖。該控制電

69、路包括恒頻波形發(fā)生器、脈寬調(diào)制器、脈沖分配電路等脈寬調(diào)速系統(tǒng)所特有的電路。</p><p><b>　　5.2控制電路設計</b></p><p>　?。?）恒頻波形發(fā)生器</p><p>　　它的作用是產(chǎn)生頻率恒定的振蕩信號作為時間比較的基準，其波形可以是三角形波或鋸齒波。PWM波由具有輸出的PWM控制器產(chǎn)生。雙極式控制可逆PWM變換器的四個

70、驅(qū)動電壓波形如圖所示。</p><p>　　圖5-2 PWM變換器的驅(qū)動電壓波形及其電路圖</p><p>　　他們的關系是：。在一個開關周期內(nèi)，當時，晶體管、飽和導通而、截止，這時。當時，、截止，但、不能立即導通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時。在一個周期內(nèi)正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。電動機的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，，則的平

71、均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，當正脈沖較窄時，則反轉(zhuǎn)；如果正負脈沖相等，，平均輸出電壓為零，則電動機停止。</p><p>　　雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為</p><p>　　如果定義占空比，電壓系數(shù)</p><p>　　則在雙極式可逆變換器中</p><p>　　調(diào)速時，的可調(diào)范圍為0～1相應的。當時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當時，為負，

72、電動機反轉(zhuǎn)；當時，，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停止時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。</p><p><b>　?。?）脈寬調(diào)制器</b></p>&l

73、t;p>　　它的作用是實現(xiàn)電壓、脈寬的轉(zhuǎn)換（V/M），即形成PWM信號。</p><p><b>　　（3）脈沖分配電路</b></p><p>　　在可逆PWM變換器中，上、下兩個晶體管經(jīng)常交替工作。由于晶體管存在關斷時間，因此有可能能造成在一個晶體管未完全關斷時，另一個晶體管已導通，從而使電源短路。為了避免這種情況發(fā)生，根據(jù)功率轉(zhuǎn)換電路的工作要求，設置了大功

74、率晶體管的導通次序，即脈沖分配電路；使得功率晶體管能按照指定的順序?qū)ā?lt;/p><p>　　在下圖中，晶體管V1、V4是同時關斷的，V2、V3也是同時導通同時關斷的，但V1與V2、V3與V4都不允許同時導通，否則電源Ud直通短路。設V1、V4先同時導通T1秒后同時關斷，間隔一定時間之后，再使V2、V3同時導通T2秒后同時關斷。</p><p>　　圖5-3脈沖分配電路</p>

75、<p>　　電動機電樞端電壓的平均值為：</p><p><b>　　= =</b></p><p>　　由于，值的范圍是-～，因而電動機可以在正反兩個方向調(diào)速運轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　(4)基極驅(qū)動電路</b></p><p>　　系統(tǒng)采用的功率驅(qū)動電路取決于主開關管V的器

76、件類別。用不同類別的主開關其功率驅(qū)動電路也不同。本系統(tǒng)采用BJT功率晶體管的驅(qū)動電路。驅(qū)動 BJT功率晶體管的一種用的雙電源光電耦合驅(qū)動電路，其工作原理如下: +為邏輯低電平時，T4晶體管止．集電極輸出高電平至T3基極，穩(wěn)壓管W與T3均導通 ，使集電極為低電平。一般可設計T3集電極低電平為負值，例如，設計Vca=Vw+VCESa-VCC=—2.6V，受VC3負位制約；BJT基極 電位(A點)為 VC3+VEB2=-2V(此時T1管V

77、BE1-VEB2=O．6V反偏電壓截止)。BJT發(fā)射極連于電容 C的聯(lián)交點 B，可獲得直流懸浮零電位VB (VCC—Vc)=0．( Vc=2Vcc)。該直流懸浮零電位使 BJT基極發(fā)射極間有2V的反向偏置電壓，以保證 BJT的可靠關斷。因BJT發(fā)極與電感 L相連，電容C還有效隔斷驅(qū)動路和L強電電路的直流電聯(lián)系。Vo1 +Vo2為高電平時，T4導通 ，T3和穩(wěn)壓管關斷，Vcc經(jīng)R3和T1管基極 、發(fā)射極向BJT提供基極開通電流，T2管承

78、受VBE1=-VEB2反壓截止。R1限制 BJT導通基流的大小。R2在BJT關</p><p>　　圖5-4基極驅(qū)動電路</p><p><b>　　5.3驅(qū)動電路設計</b></p><p>　　直流電機驅(qū)動控制電路分為光電隔離電路、電機驅(qū)動邏輯電路、驅(qū)動信號放大電路、電荷泵電路、H橋功率驅(qū)動電路等四部分。本文著重分析H橋功率驅(qū)動電路。<

79、;/p><p>　　5.3.1 H橋功率驅(qū)動原理</p><p>　　直流電機驅(qū)動使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅(qū)動電路方便地實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。H橋功率驅(qū)動原理圖如圖5-5所示。</p><p>　　H型全橋式驅(qū)動電路的4只開關管都工作在斬波狀態(tài)。S1、S2為一組，S3、S4為一組，這兩組狀態(tài)互補，當一組導通時，另一

80、組必須關斷。當S1、S2導通時，S3、S4關斷，電機兩端加正向電壓實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當S3、S4導通時，S1、S2關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。</p><p>　　實際控制中，需要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在S1、S2導通且S3、S4關斷到S1、S2關斷且S3、S4導通這兩種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。這種情況理論上要求兩組控制信號完全互補，但是由于實際的開關器件都存

81、在導通和關斷時間，絕對的互補控制邏輯會導致上下橋臂直通短路。為了避免直通短路且保證各個開關管動作的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號理論上要求互為倒相，而實際必須相差一個足夠長的死區(qū)時間，這個校正過程既可通過硬件實現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時，也可通過軟件實現(xiàn)。</p><p>　　圖5-5 H橋驅(qū)動原理圖</p><p>　　5.3.2 H橋驅(qū)動電路設計</p>&

82、lt;p>　　在直流電機控制中常用H橋電路作為驅(qū)動器的功率驅(qū)動電路。由于功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點，滿足高速開關動作需求，因此常用功率MOSFET構(gòu)成H橋電路的橋臂。H橋電路中的4個功率MOSFET分別采用N溝道型和P溝道型，而P溝道功率MOSFET一般不用于下橋臂驅(qū)動電機，這樣就有兩種可行方案：一種是上下橋臂分別用2個P溝道功率MOSFET和2個N溝道功率MOSFET；另一種是上

83、下橋臂均用N溝道功率MOSFET。</p><p>　　相對來說，利用2個N溝道功率MOSFET和2個P溝道功率MOSFET驅(qū)動電機的方案，控制電路簡單、成本低。但由于加工工藝的原因，P溝道功率MOSFET的性能要比N溝道功率MOSFET的差，且驅(qū)動電流小，多用于功率較小的驅(qū)動電路中。而N溝道功率MOSFET，一方面載流子的遷移率較高、頻率響應較好、跨導較大；另一方面能增大導通電流、減小導通電阻、降低成本，減小面

84、積。綜合考慮系統(tǒng)功率、可靠性要求，以及N溝道功率MOSFET的優(yōu)點，本設計采用4個相同的N溝道功率MOSFET的H橋電路，具備較好的性能和較高的可靠性，并具有較大的驅(qū)動電流。其電路圖如圖3所示。圖中Vm為電機電源電壓，4個二極管為續(xù)流二極管，輸出端并聯(lián)一只小電容C6，用于降低感性元件電機產(chǎn)生的尖峰電壓。</p><p><b>　　6 總結(jié)與體會</b></p><p&g

85、t;　　通過親身體驗做課程設計的目的，在于通過理論與實際的結(jié)合，進一步提高我們觀察、分析和解決問題的實際工作能力。馬上就要面對社會開始工作，理論的學習我們或許已經(jīng)掌握的很好，但實際的工作能力就是有待提高的了，通過本次設計以便積累一些經(jīng)驗對我們來說肯定是很有利的。</p><p>　　PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點：主電路所需的功率元件很少，控制線路簡單，PWM放大器的開關頻率比晶閘管三相全控整流橋的開關頻率約高一個數(shù)量級，

86、晶體管脈寬調(diào)制放大器的電壓放大系數(shù)不隨輸出電壓的改變而改變，低速性能好。</p><p>　　雙閉環(huán)系統(tǒng)能滿足設計指標的要求，完成了設計任務。實驗結(jié)果表明經(jīng)過該設計系統(tǒng)改進，與其為單閉環(huán)系統(tǒng)相比：機械特性偏硬，快速起制動，突加負載動態(tài)速將小。</p><p>　　因為本系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)系統(tǒng)，所以系統(tǒng)能夠通過兩個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進行自動調(diào)節(jié)作用減少穩(wěn)態(tài)速降，但是有超調(diào)。為使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能更好，該系

87、統(tǒng)采用無靜差調(diào)節(jié)，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器），使系統(tǒng)保證恒速運行，以保證滿足更嚴格的生產(chǎn)要求。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2003.7</p><p>　　[2] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).第4版.北京：機械工業(yè)出版社

88、，2007.7</p><p>　　[3] 張東力,陳麗蘭,仲偉峰.直流拖動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，1999</p><p>　　[4] 楊蔭福，段善旭，朝澤云.電力電子裝置及系統(tǒng).北京：清華大學出版社，2006</p><p>　　[5] 李榮生.電氣傳動控制系統(tǒng)設計指導.北京:機械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[6]