转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计(专业课程设计报告格式).doc

专业课程设计报告（级本科） 题 目：转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计 学 院： 学院 专 业： 班 级：姓 名： 学 号：同组同学： 设计时间：评定成绩： 指导教师： 年 月大学专业课程设计任务书课程名称专业课程设计课程代码 设计题目转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计（可以采用晶闸管整流器-电动机系统，也可以采用直流PWM变换器-电动机系统）设计时间年 月 日年 月 日学院学院专业班级一、 课程设计任务、具体技术参数 课程设计任务：1. 确定控制系统方案 主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案2. 确定每一级的具体技术指标（如放大倍数、输入输出电阻、电源电压等） 在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。 2.1电流环的设计(1)确定时间常数 整流装置之后时间常数Ts。三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。电流滤波时间常数Toi。为了基本滤平波头。因此取Toi=2ms=0.02s。电流环小时间常数之和T。按小时间常数近似处理，取T=Ts+Toi=0.0037s。(2) 选择电流调节器的结构 根据设计要求并保证稳态电流无差，可按照典型I型系统设计电流调节器，因此可用PI型电流调节器。 其传递函数为。含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器 (3)选择电流调节器参数要求时，应取，因此于是，。 (4)校验近似条件 要求，现。 要求，现。 要求，现(5)计算电流调节器电阻和电容 取，则 取 取 取 按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为，故满足设计要求。 2.2转速环的设计 (1)确定时间常数 电流环等效时间常数为。根据所用发电机纹波情况，取转速滤波时间常数。转速小时间常数近似处理，取。 (2)选择转速调节器结构 按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器 (3)计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则则 (4)检验近似条件 。要求，现。满足简化条件要求，现。满足近似条件 (5)计算调节器电阻和电容 取，则 取 取 取 (6)校核转速超调量当时，而,因此 (7)校验过渡过程时间空载起动到额定转速的过渡过程时间可见能满足设计要求。3. 静态设计该系统是属于双闭环调速系统，其中具有转速环，称为外环，还有就是电流环，这里称为内环，外环由测速机采集信号经过反馈系数得到电压信号反馈给ASR，内环我们这里采用直流PWM控制系统相结合，其中脉宽调速系统由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD以及绝缘栅双极性晶体管的GD和脉宽调制变换器组成。直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速系统控制系统，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管交流装置，作为系统的功率驱动器。脉宽调制器是有一个运算放大器和几个输入信号构成电压比较器。运算放大器工作在开环状态，在电流调节器输出的控制信号的控制下，产生一个等幅、宽度受Uc控制的方波脉冲序列，为PWM提供所需要的脉冲信号。逻辑延时环节DLD保证在一个管子发出关断脉冲时，经延时后再发出对另一个管子的开通脉冲，在延时环节中引入瞬时动作限流保护FA信号，一旦桥臂电流超过允许最大电流值时，使工作管子同时封锁，以保护电力晶体管。 双闭环直流调速系统的稳态结构图 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE 转速调节器不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此.，式中，分别为转速和电流反馈系数，由第一个关系式得当ASR达到限幅值,双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统，稳态时。 在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况 双闭环直流调速系统的静特性如上图所示，式中a，b 转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得，从而得到上图静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，U*i < U*im，从上述第二个关系式可知: Id < Idm。 这就是说， CA段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一直延续到 Id = Idm ，而 Idm一般都是大于额定电流 IdN 的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。这时，ASR输出达到限幅值U*im ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时式中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式中所描述的静特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于 n < n0 的情况，因为如果 n > n0 ，则Un > U*n ，ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。4. 动态设计 在动态系统中为了改善系统的动静态性能，我们设置调节器，包括给定信号的跟随性指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。在跟随性能指标包括上升时间 ，超调量与峰值时间，并且有式子，调节时间。抗扰性能指标包括动态降落 和恢复时间 。 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E该系统是属于双闭环调速系统，其中具有转速环，称为外环，还有就是电流环，这里称为内环，外环由测速机采集信号经过反馈系数得到电压信号反馈给ASR，内环我们这里采用直流PWM控制系统相结合，其中脉宽调速系统由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD以及绝缘栅双极性晶体管的GD和脉宽调制变换器组成。直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速系统控制系统，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管交流装置，作为系统的功率驱动器。脉宽调制器是有一个运算放大器和几个输入信号构成电压比较器。运算放大器工作在开环状态，在电流调节器输出的控制信号的控制下，产生一个等幅、宽度受Uc控制的方波脉冲序列，为PWM提供所需要的脉冲信号。逻辑延时环节DLD保证在一个管子发出关断脉冲时，经延时后再发出对另一个管子的开通脉冲，在延时环节中引入瞬时动作限流保护FA信号，一旦桥臂电流超过允许最大电流值时，使工作管子同时封锁，以保护电力晶体管。5. 仿真研究 使用Matlab中的simulink来绘制转速电流双闭环可逆直流调速系统，对其进行仿真，通过计算选择ASR和ACR两个调节器PI参数，来使设计的系统达到完善，进而通过示波器模块的图像显示出来的波形来确定系统的设计。6. 实验研究 通过实验来验证双闭环可逆直流调速系统，并掌握其组成原理及主要单元部件的工作原理，实验中应用PWM变换器和集成电路SG3525，调试控制单元，经过一系列的努力以及各个模块的搭建，最终使得当调节不同占空比时，电动机运动方向不同。时，为正，电动机正转，时，为负，电动机反转，时，=0，电动机停止。7. 撰写报告 通过这次双闭环直流脉宽调速系统的课程设计，对自己学习运动控制系统有了较深刻的认识。我认识到不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可! 课程设计给我很多专业知识以及专业技能上的提升，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。直流电动机参数：功率：100W，额定电压：200V，额定电流：0.5A，额定转速：1600rpm二、 对课程设计成果的要求（包括课程设计说明书、图纸、图表、实物等软硬件要求）1. 设计报告 主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。2. 系统总方案图 主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延时环节DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD和PWM变换器。系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流原理图。3. 系统动、静态参数直流电动机参数： 功率：100W，额定电压：200V，额定电流：0.5A，额定转速：1600rpm 动态参数：由于选择典型I型系统，而要求，故查表可知上升时间为4.7T，峰值时间为6.2T，KT=0.5 静态参数：=0.05V/A，=0.007V/A4. 仿真设计图和结果 转速电流双闭环直流可逆调速系统仿真图 仿真输出波形图5. 实验研究照片和实验研究结果 实验总体接线图 主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延时环节DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD和PWM变换器。 实验研究结果：通过掌握双闭环直流可逆调速系统的组成、原理及各主要单元部件的工作原理，理解直流PWM专用集成电路SG3525的组成功能及PWM变换器的各种方式的原理及特点，连接好电路，经过不断调试，观察了不同位置产生的波形，调节不同的占空比，最终实现了电动机的正反转运行。三、 课程设计工作进度计划： 日 系统总体方案设计 日 系统静态、动态设计 日 系统仿真 日 实验研究 日 撰写报告四、 主要参考资料1.电力拖动自动控制系统，阮毅，陈伯时，机械工业出版社。2.电力电子技术，王兆安，刘进军，机械工业出版社。3.自动化学报杂志。4.电气传动自动化杂志。指导教师（签名）： 专业负责人（签名）：