《轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)H形雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-副本》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)H形雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-副本（14頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)H形雙極式PWM：流 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 題 目： 習(xí)題2—17設(shè)計(jì) 姓 名：許云東 學(xué) 號(hào)： 20110103020 任課教師： 同志梅 1 .設(shè)計(jì)要求 3 2 .設(shè)計(jì)分析 4 (1) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 4 (2) .雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖 5 (3) .雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 5 3 .轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的設(shè)計(jì)： 5 (1)確定時(shí)間常數(shù)： 5 (2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 6 (3)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)： 6 (4)校驗(yàn)近似條件： 6 (5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容： 7 (6)驗(yàn)證空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量： 7

2、4 .電流環(huán)參數(shù)的設(shè)計(jì)： 8 (1)確定時(shí)間常數(shù) 8 (2)選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 8 (3)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 8 (4)校驗(yàn)近似條件 9 (5)計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻電容： 9 5 .直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的完整硬件實(shí)現(xiàn)原理圖如下： 10 6 .原理圖上實(shí)現(xiàn)所要求的直流調(diào)速系統(tǒng)的原理如下： 10 7.原理圖上每個(gè)元件選定的依據(jù)及其分析： 11 (1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 11 (2) 電流調(diào)節(jié)器 11 (3) SG3524K 片 11 (4) H型雙極式可逆 PW版式電路 12 (5) ,三相整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置 12 (6) 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路 12 總結(jié) 1

3、2 參考文獻(xiàn) 13 摘要：伺服系統(tǒng)對(duì)數(shù)控技術(shù)、自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、機(jī)電一體化等專 業(yè)是一門很重要的專業(yè)技術(shù)課。伺服系統(tǒng)的作用是聯(lián)系數(shù)控裝置與被控設(shè)備的中 問(wèn)環(huán)節(jié)，起著傳遞指令信息和反饋設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的橋梁作用。 在當(dāng)代工業(yè)上 PWMI制調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，具優(yōu)點(diǎn)還是日益突現(xiàn)，而帶有雙閉環(huán)的調(diào) 速系統(tǒng)更是受到廣泛歡迎。在本次設(shè)計(jì)中，為了使調(diào)速達(dá)到高精度、高準(zhǔn)度的要 求，我使用了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，以此來(lái)組成雙閉環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn) 速環(huán)為外環(huán)。這樣的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到任務(wù)要求的靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。特別是把此 兩環(huán)校正為典型I型和典型II型后的性能指標(biāo)更是達(dá)到了要求。 本次設(shè)

4、計(jì)中的電 流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器都是使用 pi調(diào)節(jié)器，pi調(diào)節(jié)器是由運(yùn)放和各種電子元器 件組成的，由于本次設(shè)計(jì)時(shí)間有限所以就沒有把相應(yīng)的參數(shù)給調(diào)出來(lái)了。 關(guān)鍵字：PWM調(diào)速系統(tǒng)；電流調(diào)節(jié)器；直流調(diào)速；雙閉環(huán)；雙極式； SG3524 1 .設(shè)計(jì)要求 有一轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的H形雙極式PWMT流調(diào)速系統(tǒng)已知電動(dòng)機(jī)參數(shù) 為：PN=200W,UN=48V,IN=3.7A,N=20O rmin,電樞電阻 Ra=6.5Q ,電樞回路總 電阻=8Q,允許電流過(guò)載倍數(shù) =2,電勢(shì)系數(shù) Ce=0.12V.min/r,電磁時(shí)間常數(shù) Tl=0.15s ,機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.2s,電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) To

5、i=0.001s ,轉(zhuǎn)速反 饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.005s,調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓 U*nm=U*im=Ucm=10VM節(jié)器 輸入電阻R0=40。已計(jì)算出電力晶體管 D202勺開關(guān)頻率f=1kHz, PWW節(jié)的 放大倍數(shù)Ks=4.8. 試對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，電流超調(diào)量5 <=5% 空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 。<=2儂；過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts<=0.1s。 2 .設(shè)計(jì)分析 (1)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖i所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器用級(jí)連 接，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 PW喋置。其脈寬調(diào)制變

6、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。 圖1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 (2).雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖 (3).雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 3 .轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的設(shè)計(jì): (1)確定時(shí)間常數(shù) D電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)— Ki 1 「 一 二2" =0.004 S Ki 2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton 由已知條件知 Ton=0.005s 3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T” T〈n =2T「 Ton = 0.009s (2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)

7、構(gòu) 由于設(shè)計(jì)要求無(wú)靜差，且要求設(shè)計(jì)為典 II系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)必須含有積分環(huán) 節(jié)；故轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 WaSR (s) = K n nS 1 nS (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， 取h=5,則ASR勺超前時(shí)間常數(shù)為 . n=hTn=5 0.009 = 0.045s 所以轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 ：Kn = h2 2 = 6 2= 1481.5s” 2h2T：n 2 25 0.0092 10 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) :由Unm =口％0m可知：豆= =0.05 nnom 于是，可以算出ASR的比例系數(shù)為: h 1 :CeTm 6 1

8、.35 0.12 0.2 廣， Kn = = =5.4 2hR： K n 10 0.05 8 0.009 (4)校驗(yàn)近似條件: 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率： b"。==1481.5 0.045-66.7s4 1)校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：切cn <^- 5Ti 1 = 1 =100S」>8cn，滿足簡(jiǎn)化條件。 5TV i 5 0.002 2)校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件: 1 1 cn 3 2T- iTon = 74.5sJ1>ocn ,滿足條件。 cn 3i 2T.iTon -3\ 2 0.002 0.005 (5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容: 已

9、知R=40KQ,各電阻和電容值計(jì)算如下： Rn =KnR0 =5.4m40 = 216KC ,可近似取 220KC . n 0.045 6 Cn = n = 3 M10 NF =0.20年，取 0.20件 Rn 220 10 4Ton 4 0.005 6 , , m , Con=」n= rx10 NF =0.5忤，取 0.5NF R0 40 103 (6)驗(yàn)證空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量： 當(dāng)h=5時(shí)，查表得，n=37.6%,不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于這是按 線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該 按ASR!飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。

10、設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)z=0,已知直流電機(jī)參數(shù)：Pnom =0.2 KW Unom =48 V, 1nom =3.7 A, No^ 200 r/min , Ra = 6.5 Q , R=8Q ; PWMg 置放大系數(shù) K=4.8;時(shí)間常數(shù) Tm=0.2s , T產(chǎn)0.015s； 當(dāng) h=5 時(shí)：^CmaL% =81.2% ；而 Annom = IdnomR = 3.7>C8 = 246.7r/.，又因 品 Ce 0.12 /min, 為 cn% =(-Cmax%) *2( -z)-2nom ?上 Cb n Tm 因止匕6n%=81.2%M2M2M純7 M 0.009 = 18

11、.0% < 20% ,滿足空載起動(dòng)到額 200 0.2 定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量的設(shè)計(jì)要求 4.電流環(huán)參數(shù)的設(shè)計(jì): (1)確定時(shí)間常數(shù) 1)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Tso 因?yàn)?f=1khz ,所以 Ts=0.001s 2)電流濾波時(shí)間常數(shù)七。 由題中已知條件知Toi =0.001s 3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和TTio T i =Toi +Ts=0.001+0.001=0.002s (2)選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求6iE5%,并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，因此可按典 I系統(tǒng)設(shè)計(jì)電 流調(diào)節(jié)器ACR電流調(diào)節(jié)器AC他用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)如下式： WACR S - Ki is

12、 (3)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù): i =Tl = 0.015s, 電流環(huán)開環(huán)增益：要求電35%時(shí)，按課本上表3-1 ,應(yīng)取Ti K》=0.5,因 Ti 0.002 .35 電流反饋系數(shù)P：因?yàn)閁*m =10V=P*Jnom所以：P = ^0- = 1 21nom 又根據(jù)已知條件知Ks=4.8 于是，ACR勺比例系數(shù)為 Ki K ,握 1k 二 250 0.015 8 1.35 4.8 = 4.63 (4)校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率：-ci=Ki = 250s」 1)校驗(yàn)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件:

13、 1 1 3Ts -3 0.001 1 =333.3s ,1 ： ci 滿足近似條件 2)校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件: 0.2 0.015 =54.7s」＜ ^滿足近似條件。 3)校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件: 1 1 3 \ TsToi 1 1 3 - 0.001 0.001 1 =333.3s 滿足近似條件 (5)計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻電容: 已知R0 =40KC ,各電阻和電容值計(jì)算如下： Ri =KiR =4.63父40心=185.20 , 近似取 R =185K。 Ci =1= O.0 1 5 06忤=0.081 忤 取

14、 0.08年 Ri 185 103 Coi =4T0i =4、0.0031 M106 Hz =0.1 坪。取 0.他F R 40 103 5 .直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的完整硬件實(shí)現(xiàn)原理圖 如下： 6 .原理圖上實(shí)現(xiàn)所要求的直流調(diào)速系統(tǒng)的 原理如下： 主電路系統(tǒng)是由10V直流電源，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR電流調(diào)節(jié)器ACR SG3524 芯片,H型雙極式可逆PW斷式電路，三相整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置、 測(cè)速發(fā)電機(jī)和霍爾電流互感器組成。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器用極聯(lián)結(jié)， 轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 PW喋置，然 后通過(guò)脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定

15、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。與此同 時(shí)，由測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，并用霍爾電流互感器對(duì)電樞電流進(jìn)行實(shí) 時(shí)跟蹤，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 7 .原理圖上每個(gè)元件選定的依據(jù)及其分析： (1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)而言，最關(guān)鍵的是控制器的設(shè)計(jì)，控制器設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系 到控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣?？刂破饕髮?shí)時(shí)性強(qiáng)，通用性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的智能，在 滿足性能指標(biāo)的前提下應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單。 轉(zhuǎn)速反饋電路各個(gè)參數(shù)在已經(jīng)算出，并標(biāo)注在圖中。這里選用 PI控制器， 因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求無(wú)靜差，且要求設(shè)計(jì)為典 II系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)必須含有積分

16、環(huán)節(jié)， 同時(shí)，PI控制器還能在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡可能的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (2)電流調(diào)節(jié)器 電流反饋電路各個(gè)參數(shù)在已算出，并標(biāo)注在圖中。由于要求 6i < 5% ,并 保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，所以電流調(diào)節(jié)器也選擇 PI調(diào)節(jié)器。 (3) SG3524芯片 采用集成脈寬調(diào)制器SG352在為脈沖信號(hào)發(fā)生的核心元件。它的主要作用 是用它來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的PWM1號(hào)。 根據(jù)主電路中IGBT的開關(guān)頻率，選擇適當(dāng)?shù)腞,Ct值即可確定振蕩頻率。由 初始條件知開關(guān)頻率為1kHz,可以選擇Rt=2kQ, Ct=0.001uf。 SG352派用是 定頻PWMfe路,DIP-16型封裝。 由SG352

17、物成的基本電路如原理圖所示，由15腳輸入+10V電壓。9腳是誤差放 大器的輸出端，在1、9引腳之間接入外部阻容元件構(gòu)成 PI調(diào)節(jié)器，可提高穩(wěn)態(tài) 精度。12、13引腳通過(guò)電阻與+10V電壓源相連，供內(nèi)部晶體管工作，由電流調(diào) 節(jié)器輸出的控制電壓作為2弓|腳輸入，通過(guò)其電壓大小調(diào)節(jié)11、14引腳的輸出脈 沖寬度，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制變換器的功能實(shí)現(xiàn)。 (4) H型雙極式可逆 PW斷式電路 “H’型是雙極性驅(qū)動(dòng)電路的一種，也稱為橋式電路。其電路是由四個(gè)晶閘 管和四個(gè)續(xù)流二極管組成，。四個(gè)晶閘管分為兩組，VT儕口 VT的一組，VT/口 VT3 為另一組。同一組的晶閘管同步導(dǎo)通或關(guān)斷，不同組的晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)

18、斷正好 相反。在每個(gè)PWMB期里，當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，晶閘管 VT儕口 VT而通，止匕 時(shí)另一組晶閘管輸入信號(hào)為低電平，因此 VT刖VT3B止。電樞繞組承受從 A到 B的正向電壓；當(dāng)控制信號(hào)輸入為低電平時(shí)，晶閘管 VT儕口 VT做止，此時(shí)另一 組晶閘管輸入為高電平，因此 VT2WVT3t通，電樞繞組承受從B到A的反向電 壓，這就是所謂的“雙極”。 (5),三相整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置 整流變壓器和晶閘管整流調(diào)速裝置的功能是將輸入的交流電整流后變成直 流電。 (6)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)， 從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成 正比的負(fù)反饋電壓nU,與給定電壓

19、*nU相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 nU輸送 給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓不僅表示轉(zhuǎn)速的大小， 還包含轉(zhuǎn)速的方向， 通過(guò)調(diào)節(jié)電位器即可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。 總結(jié) 脈沖寬度調(diào)制PWMS是指保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間t對(duì)脈 沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。PWM空制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu) 點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)等領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的控制方式。利用 SG352磔成PWMI 制器設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PWM6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(shè)計(jì)了完善的保護(hù)措施，既保障了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，又使系統(tǒng)具有較高 的動(dòng)、靜態(tài)性能。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接

20、近理想快速起動(dòng)過(guò)程波形 的。按照ASR&起動(dòng)過(guò)程中的飽和情況，可將起動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段，即電流上 升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。 從起動(dòng)時(shí)間上看，n階段恒流升速是主 要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了電流受限制下的快速起動(dòng)， 利用了飽和 非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有 一個(gè)特點(diǎn)，就是轉(zhuǎn)速必超調(diào)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中， ASR勺作用是對(duì)轉(zhuǎn)速的抗擾 調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時(shí)無(wú)靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。 ACR勺作用是電 流跟隨，過(guò)流自動(dòng)保護(hù)和及時(shí)抑制電壓波動(dòng)。 參考文獻(xiàn) [1]電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)一一運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（3版），阮毅、陳伯時(shí)，機(jī)械工 業(yè)出版社 [2]電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（2版），陳伯時(shí)，機(jī)械工業(yè)出版社 [3]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù).第5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009. [4]百度文庫(kù).