电力拖动运动控制系统课程设计正文

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武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书1设计任务及要求1.1设计任务初始条件：1.直流电机参数：PN＝3KW，UN＝220V，IN＝17A，nN＝1500r/min，Ra＝0.2Ω，励磁：它励，励磁电压220V2.进线交流电源：三相380V3.性能指标：系统可逆，转速、电流调节无静差要求完成的主要任务：1.转速调节器及其反馈电路设计2.电流调节器及其反馈电路设计3.集成脉宽调制电路设计（如3524）4.驱动电路设计（如IR2110）5.PWM主电路设计1.2设计要求课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。满足如下要求：1.对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。2.画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。3.画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。4.可逆运行，转速和电流稳态无差转速超调量小于10％、电流超调量不超过5％。17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书2任务分析2.1概述转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能好、应用最广的直流调速系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。本设计是以直流PWM控制调速系统进行调速，采用转速调节器ASR、以及电流调节器ACR并用PI调节器进行校正，对反馈信号进行采集，处理起到无静差效果。用25LJPF40电力二极管进行整流，以及滤波，通过驱动电路的作用将控制电路输出的PWM信号得到IGBT可靠的导通和关断，并用霍尔传感器对电流取样进而反馈至电流调节器，系统同时设有过流保护，为此达到双闭环可逆调速。2.2方案设计该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如下图所示。17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书图1原理框图2.3系统设计系统设计主要包括两个方面的设计：电流调节器的设计、速度调节器的设计。这两个部分构成了调速系统，完成了所需设计的任务要求。为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。2.4调速系统原理分析从静特性方面分析：双闭环调速系统的静特性在负载小于Idm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时，对应于转速调节器的饱和输出，这时电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差。17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书从动态性能方面分析：启动阶段充分利用电动机的过载能力，保证了启动的快速性。进入正常运行后，两个调节器相互配合，使系统具有很好的抗负载扰动和抗电网电压扰动。综上所述，电流调节器和转速调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下：电流调节器作用：(1)作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。(2)对电网电压的波动起及时抗扰的作用。(3)在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。(4)当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。转速调节器作用：(1)转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化,稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。(2)对负载变化起抗扰作用。(3)其输出限幅值决定电机允许的最大电流。3电路设计3.1电流调节器及反馈电路的设计电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书由于电流检测信号中常常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，气滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加上一个同等时间常数的惯性环节。图2电流反馈电路3.2转速调节器及其反馈电路的设计转速反馈电路如3所示，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，由初始条件知滤波时间常数。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。图3转速反馈电路转速反馈环节主要作用是将测速发电机输出的电压进行滤波，滤除交流分量并变换为能满足系统需要的与电动机转速成正比的电压作为系统的转速反馈信号，另外还备有转速的检测信号。17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书3.3集成脉宽调制电路PWM生成电路如图4所示，SG3524生成的PWM信号经过一个非门转为两路相反的PWM信号，为了确保上下两桥臂不会直通发生事故，中间加入电容、进行逻辑延时，后面再加上非门和与门构成的板胡电路。图4PWM生成电路本设计采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。根据主电路中IGBT的开关频率，选择适当的、值即可确定振荡频率。由初始条件知开关频率为10kHz，可以选择、。电路中的PWM信号由集成芯片SG3524产生，SG3524可为脉宽调制式推挽、桥式、单端及串联型SMPS(固定频率开关电源)提供全部控制电路系统的控制单元。由它构成的PWM型开关电源的工作频率可达100kHz,适宜构100-500W中功率推挽输出式开关电源。SG3524采用是定频PWM电路,DIP-16型封装。由SG3524构成的基本电路如图5所示，由15脚输入+15V电压，用于产生+5V基准电压。9脚是误差放大器的输出端，在1、9引脚之间接入外部阻容元件构成PI调节器，可提高稳态精度。12、13引脚通过电阻与+15V电压源相连，供内部晶体管工作，由电流调节器输出的控制电压作为2引脚输入，通过其电压大小调节11、14引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书图5SG4532管脚构成的电路图SG3524的基准源属于常规的串联式线性直流稳压电源,它向集成块内部的斜波发生器、PWM比较器、T型触发器等以及通过16脚向外均提供+5V的工作电压和基准电压,振荡器先产生0.6V-3.5V的连续不对称锯齿波电压Vj,再变换成矩形波电压,送至触发器、或非门,并由3脚输出。振荡器频率由SG3524的6脚、7脚外接电容器CT和外接电阻器RT决定,其值为:f=1.15/RTCT。考虑到对CT的充电电流为(1.2-3.6/RT一般为30μA-2mA),因此RT的取值范围为1.8kΩ~100kΩ,CT为0.001μF~0.1μF,其最高振荡频率为300kHz。开关电源输出电压经取样后接至误差放大器的反相输入端,与同相端的基准电压进行比较后,产生误差电压Vr,送至PWM比较器的一个输入端,另一个则接锯齿波电压,由此可控制PWM比较器输出的脉宽调制信号。3.4驱动电路的设计IGBT驱动采用了集成芯片IR2110，IR2110采用14端DIP封装，引出端排列如图6所示。图6IR2110管脚图17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书它的各引脚功能如下：脚1（LO）是低端通道输出；脚2（COM）是公共端；脚3（Vss）是低端固定电源电压；脚5（Us）是高端浮置电源偏移电压；脚6(UB)是高端浮置电源电压；脚7（HO）是高端输出；脚9（VDD）是逻辑电路电源电压；脚10（HIN）、脚11（SD）、脚12（LIN）均是逻辑输入；脚13（Vss）是逻辑电路地电位端外加电源电压，其值可以为0V；脚4、脚8、脚14均为空端。IGBT驱动电路如图7所示。IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS工艺制作，具有独立的高端和低端输出通道；逻辑输入与标准的CMOS输出兼容；浮置电源采用自举电路，其工作电压可达500V，du/dt=±50V/ns，在15V下的静态功耗仅有1.6mW；输出的栅极驱动电压范围为10～20V，逻辑电源电压范围为5～15V，逻辑电源地电压偏移范围为－5V～＋5V。IR2110采用CMOS施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。推挽式驱动输出峰值电流≥2A，负载为1000pF时，开关时间典型值为25ns。两路匹配传输导通延时为120ns，关断延时为94ns。IR2110的脚10可以承受2A的反向电流。图7IGBT驱动电路17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书3.5PWM主电路设计桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图8所示。PWM变换器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容滤波，以获得恒定的直流电压。由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间传入电阻Rz，合上电源后，用延时开关将Rz短路，以免在运行中造成附加损耗。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这式电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rx消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通。图8桥式可逆直流脉宽调速系统主电路17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书4.调节器参数的整定4.1电流调节器参数的计算根据电动机的额定参数计算电动势系数，额定状态运行时于是可得电流反馈系数电流调节器按典型Ⅰ型系统设计，根据无净差要求，选用PI调节器。先确定电流环时间常数电流滤波时间常数PWM调压系统的滞后时间电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取调节器传递函数式中——电流调节器的比例系数；——电流调节器的超前时间常数。ACR超前时间常数电流开环增益:因要求，故应取，因此于是ACR的比例系数为17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书计算电流调节器的电路参数调节器原理图如图13所示按所用运算放大器，取各电阻和电容值计算如下：4.2电流参数的校验校验近似条件：电流环截止频率校验PWM调压系统传递函数的近似条件是否满足。因为，所以满足近似条件。校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足。现在，满足近似条件。校验小时间常数近似处理是否满足条件。现在，满足近似条件。按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。4.3转速调节器参数的计算转速反馈系数首先确定转速环时间常数17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书电流环等效时间常数转速滤波时间常数，根据测速发电机的纹波情况取；转速环小时间常数，按小时间常数尽速处理取根据设计要求，转速环应该设计为典型Ⅱ型系统，调节器也采用PI型，其传递函数为根据跟随性和抗干扰性能都较好的原则取则ASR超前时间常数转速环开环增益于是ASR的比例系数为调节器原理图如图13所示，按所用运算放大器，取各电阻和电容值计算如下：4.4转速参数的校验校验近似条件：转速环截止频率17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书校验电流环传递函数简化条件是否满足。现在，满足简化条件。校验小时间常数近似处理是否满足。现在，满足近似条件。17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书5总结与体会这次课程设计历时一周，在整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。经过这次课程设计我感受颇多。在正式进行设计之前，我参考了一些网上的资料，通过对这些设计方案来开拓自己的思路，最后终于有了自己的思路。课程设计是实践课的一种，在很大程度上实现了动手与动脑，理论与实际的相互结合，既是对工业环境的一个简单缩影，又是对理论知识的一种检验，很好地实现了从书本到实际操作的一个过渡。课程设计不仅是对前面所学电力电子技术和运动控制理论的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺，自己要学习的东西还太多。以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。通过这次课设，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，这也算是课设给我的一点小小的感悟。最后，我深感要注重理论联系实际。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系。这大大激发了我学习书本知识的兴趣。再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的的工作，还应该考虑到实际情况。理论计算的结果可能与实际稍有差别，要以实际情况为准。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书参考文献[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社,2007第3版[2]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社，2007[3]王兆安等.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2007第4版[4]黄家善等.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2007.[5]孙立志.PWM与数字化电动机控制技术应用.北京：中国电力出版社，2008.17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书附录：17 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计说明书图9总电路17