logo资料库

电力拖动自动控制系统课程设计.docx

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.15M 资料格式：docx 举报 版权申诉
第1页 / 共29页
第2页 / 共29页
第3页 / 共29页
第4页 / 共29页
第5页 / 共29页
第6页 / 共29页
第7页 / 共29页
第8页 / 共29页
资料共29页，剩余部分请下载后查看
    《电力拖动自动控制系统》课程设计
    ——数字式直流双闭环PWM调速系统设计
    一、设计目的及要求
    二、系统总体方案设计
    三、主电路设计
    四、控制回路
    《电力拖动自动控制系统》课程设计 《电力拖动自动控制系统》课程设计 ——数字式直流双闭环 PWM 调速系统设计 一、设计目的及要求 1.1 课程设计的目的 计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它不仅需要微型机控制理论、程 序设计方面的基础知识，而且还需要具备一定的生产工艺知识。设计包括确定控制任务、系统 总体方案设计、硬件系统设计、控制软件的设计等，以便使学生掌握微型计算机控制系统设计 的总体思路和方法。 1.2 课程设计的预备知识 熟悉计算机控制技术基本知识及直流控制系统的有关知识。 1.3 课程设计要求 完成直流电机转速、电流控制系统设计。 1.设计控制系统主机、过程通道模板电路，包括元器件选择。 2.画出系统控制图。 3.控制系统软件设计。转速、电流控制采用 PI 控制算法，设计增量式 PI 控制算法。绘出 程序流程图，设计算法程序。 1.4 设计内容及要求 为某生产机械设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流双闭环系统，且拟定该系统由大 功率晶体管调制放大器给电动机供电。已知系统中直流电动机主要数据如下： 1）直流电机型号：Z2-41 型 额定功率 Pe=18kW；额定电压 Ue=220V 额定电流 Ie=94A；额定转速 ne=1000r/min 电枢回路总电阻 R=0.45Ω; 电磁时间常数 Tl=0.0297s; 机电时间常数 Tm=0.427s； 电动势系数 C=0.2059/（r.min-1 ) 晶体管 PWM 功率放大器： 工作频率：2kHz；工作方式：H 型双极性； 直流电源电压：264V 2）主要技术指标： 1 中国矿业大学信电学院电气06-1 班 第二小组
    《电力拖动自动控制系统》课程设计 调速范围 0-1000 r/min 电流过载倍数：1.5 倍 速度控制精度 0.1%（额定转速时） 3）主要要求： 电动机控制电源采用晶体管 PWM 功率放大器，其占空比变化为 0～0.5～1 时，对应输出电 压为-264V～0～264V，为电机最大提供 25A 电流。速度检测采用光电编码器（光电脉冲信号发 生器），且其输出的 A、B 两相脉冲经光电隔离辩相后获得每转 1024 个脉冲角度分辨力和方向 信号。电流传感器采用霍尔电流传感器，其原副边电流比为 1000：1，额定电流 50A。采用双 闭环（电流环和速度环）控制方式。 二、系统总体方案设计 2.1 数字控制双闭环直流调速系统原理 图 1 数字式直流双闭环 PWM 调速系统原理图 根据设计任务要求整个系统原理如图 1 所示。采用了转速、电流双闭环控制结构，在系统 中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作 为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为 PWM 的控制电压。从闭环反馈结构上看，电 流调节环在里面，是内环，按典型Ⅰ型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型Ⅱ型 系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用 PI 调节器并对系统进行了校正。检 测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置（TA）对电流环进行检测，转速环则是采用了光电码 2 中国矿业大学信电学院电气06-1 班 第二小组
    《电力拖动自动控制系统》课程设计 盘进行检测，达到了比较理想的检测效果。PWM 采用 8051 单片机以及 4858、4040 共同实现， 驱动电路采用了 IR2110 集成芯片，具有较强的驱动能力和保护功能。 2.2 数字控制双闭环直流调速系统硬件结构 根据系统原理我们设计了数字控制双闭环直流调速系统硬件结构，如图 2 所示，系统的特 点：双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采用数 字 PI 算法。由软件实现转速、电流调节系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显 示电路组成。 主电路：三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流 PWM 变换 器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。 检测回路：包括电压、电流、温度和转速检测。电压、电流和温度检测由 A/D 转换通道变 为数字量送入微机；转速检测用数字测速（光电码盘）。 故障综合：利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较， 若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的 优势所在。 图 2 微机数字控制双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图 中国矿业大学信电学院电气06-1 班 第二小组 3
    《电力拖动自动控制系统》课程设计 三、主电路设计 3.1主电路 主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的， 采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。 3.1.1限流电阻 为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串 入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入 时影响整流电路的正常工作，并产生附加损耗。 3.1.2泵升电压限制 4 中国矿业大学信电学院电气06-1 班 第二小组
    《电力拖动自动控制系统》课程设计 3.2主电路参数计算和元件选择 主电路参数计算包括整流二极管计算，滤波电容计算、功率开关管IGBT的选择及各种保护装 置的计算和选择等。 3.2.1整流二极管的选择 根据二极管的最大整流平均IF 和最高反向工作电压UR分别应满足： IF >1.1×IO(AV) ÷2≈1.1*99/2=54.5 (A) UR>1.1× 2×U2=1.1× 2×220=340.2 (V) 选用2ZC系列的大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示： 型号 额定正向平 均电流IF(A) 额定反向峰 值电压URM(V) 正向平均压 降 UF(V) 反向平均漏 电流IR(MA) 散热器型号 ZP100 SL18 在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容C值，使RC≥(3～5)T/2,且有 100～1600 100 0.5～0.7 6 Udmax=0.9×220×0.95=188(V) 2×C≥1.5×0.02, 即C≥15000uF 故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400v，标称容量为22000 uF 3.2.2绝缘栅双极晶体管的选择 最大工作电流 Imax≈2Us/R=440/0.45=978(A) 集电极－发射极反向击穿电压（BVCEO） BVCEO≥(2～3)Us=440～660v 3.3调节器参数设计 3.3.1 系统设计的一般原则 5 中国矿业大学信电学院电气06-1 班 第二小组
    《电力拖动自动控制系统》课程设计 按照“先内环后外环” 的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。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 直流双闭环调速原理图 3.3.2电流环的参数设计 电流环结构图 电枢电流范围为±141A，A/D 转换为 8 位二进制数码，电流反馈回路反馈系数为β，则： β=255/(141-(-141))=255/282=0.904/A 最大允许电流 Idm=1.5×94=141(A) 已知晶体管 PWM 功率放大器的工作频率为 2kHz，工作方式为 H 型双极性，直流电源电压 为 264V,设定用来直接生成 PWM 信号的计数器的时钟脉冲频率为 4MHz，则转换得到的 PWM 信号 的分辨率为 1/2000，即计数值为 2000 时，对应的 PWM 信号占空比为 1，PWM 功率放大器的输 出电压为 200V；计数值为 1000 时，对应 PWM 信号的占空比为 0.5，PWM 功率放大器的输出电 压为０Ｖ；计数值为０时，对应 PWM 信号占空比为０，PWM 功率放大器的输出电压为-200V,则 PWM 控制信号和 PWM 波形生成之间的数字控制量到模拟电压输出量之间的增益为： 中国矿业大学信电学院电气06-1 班 第二小组 Ks=264−（−264） 2000 Toi=0.0005s 6 =0.264V/单位数字量 TL=Ti=0.0297s
    《电力拖动自动控制系统》课程设计 TSmax=1/2000=0.0005s TS=TSmax=0.0005 KI=0.5/ T∑i =0.5/0.001=500 Ki=KITiR/(Ksβ)=500*0.0297*0.45/(0.264*0.904)=28 校验近似条件 T∑i=0.001s 电流环截止频率：wci＝KI=500 脉宽调制变换器传递函数近似条件 wci≤1/(3Ts) 1/(3Ts)＝1/(3×0.00025)=666.67>500= wci 可见，满足近似条件。 小时间常数近似条件 wci≤ 满足近似条件。 1  3 1 TsToi ＝ 1 3  1  0.0005 .0 0005 ＝654.03>500 忽略反电势对电流环影响的条件：wci≥ 1  3 1 TmT 1 ＝ 1 3  1 .0  0297 0. 427 ＝2.96<500 满足近似条件。 3.3.3 转速环的参数设计 转速环结构图 速度反馈回路的滞后时间Ton约为Ton=1ms 机电时间常数Tm=0.427s 速度环的小时间常数为T∑n =1/KI+Ton=1/500+0.001=0.003s 按跟随性能和抗干扰性能要求，取中频宽 h=5，则积分时间常数为Tn=hT n∑ =0.015s； KN=(h+1)/2h²T n∑ ²=(5+1)/(2*5*5*0.003²)=13333.333 中国矿业大学信电学院电气06-1 班 第二小组 7
    《电力拖动自动控制系统》课程设计 速度调节器比例系数Kn=KNTnCeTmR β=13333.333×0.015×0.2059×0.4270.45∗0.904=35.324 检验近似条件 转速环截止频率 Wcn＝KNTn=13333.333*0.015=200 < Wci 转速环传递函数简化条件 Wcn≤ 1 3  IK T i  =235.7 满足近似条件。 小时间常数近似处理条件 Wcn≤ 1  3 IK onT =235.7 满足近似条件。 当 h=5，查表可知，σn=37.6℅,不满足设计要求。实际上，由于表中是按线性系 统计算的，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，应该按照退 饱和时的情况重新计算超调量。 由公式 代入数据计算得σn=0.35℅，能够满足设计要求 3.4 调节器的离散化 经过前面的调节器参数计算得到模拟式的电流、转速调节器，在微机数字控制系统中，当 采样频率足够高时，可以先按模拟系统设计方法设计调节器，然后在离散化，就可以得到数字 控制器的散发，这就是模拟调节器的数字化。 数字控制器采用 PI 调节算法，不仅可以对系统偏差进行比例调节，而且可对偏差进行积 分，因而提高了系统的控制精度和抗外界干扰能力。模拟调节的 PI 算式为: 式中 )(tu ---t 时刻调节器输出信号; 1 T i )( te dt ] ---时刻偏差，为测量值和给定值之差; p   )( tu )([ teK  pK ---比例系数;‘ )(te 8 中国矿业大学信电学院电气06-1 班 第二小组
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    课程资源

    共收录17145份资料，累计13个分类，关注成员有19位，主要包括：PHP,网络管理,网页制作,Java,.Net,数据库,3G/移动开发,C/C++,游戏开发,嵌入式,讲义,软件测试,专业指导

    热门标签

    PHP 网络管理 网页制作 Java .Net 数据库 3G/移动开发 C/C++ 游戏开发 嵌入式 讲义 软件测试 专业指导

    最新资料