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转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计.doc

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.56M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    《 运 动 控 制 系 统 》 课 程 设 计 转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计 专业：**** 年级：**** 学号：*** 姓名：*** 指导老师：*** 1
    转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计 一、设计目的 1、应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系 统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。 2、应用计算机仿真技术，通过在 MATLAB 软件上建立运动控制系统的数学模型，对 控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 3、在原理设计与仿真研究的基础上，应用 PROTEL 进行控制系统的印制板的设计，为 毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。 二、系统设计参数 直流电动机控制系统设计参数：（ 直流电动机(3) ） 输出功率为:5.5Kw 电枢额定电压 220V 电枢额定电流 30A 额定励磁电流 1A 额定励磁电压 110V 功率因数 0.85 直流电动机控制系统设计参数 电枢电阻 0.2 欧姆 电枢回路电感 100mH 电机机电时间常数 1S 电枢允许过载系数=1.5 额定转速 970rpm 环境条件： 控制系统性能指标： 电网额定电压:380/220V; 电流超调量小于等于 5%; 电网电压波动:10%; 环境温度:-40~+40 摄氏度; 环境湿度:10~90%. 空载起动到额定转速时的转速超调 量小于等于 30%; 调速范围 D＝20; 静差率小于等于 0.03. 2
    1、设计内容和数据资料 某直流电动机拖动的机械装置系统。 主电动机技术数据为： U N  220 V , I N 30 A ， nN  970 r min ，电枢回路总电阻  2.0R ，机电时间常数 Tm 1 ，电动势转速比 s Ce  .0 221 V  min r ，Ks=40， T l 5.0 ms ，Ts=0.0017ms，电流 反馈系数 AV85.0 ，转速反馈系数  5.1 V min  r ，试对该系统进行初步设计。 2、 技术指标要求 电动机能够实现可逆运行。要求静态无静差。动态过渡过程时间 Ts 1.0 s ，电流超调 量 i %5%  ，空载起动到额定转速时的转速超调量 n %30%  。 三、主电路方案和控制系统确定 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。主电 路采用 25JPF40 电力二极管不可控整流，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
    如图所示 1、PWM 变换器的选用 PWM 变换器有可逆和不可逆两类。可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多 种。由于题目要求须事先电动机可逆运行，故本设计选用带续流的绝缘栅双极晶体管 IGBT 构成 H 型双极性控制 PWM 变换器。其中，电源电压 Us 选用不可控电力二极管 25JPF40 整 流提供，并采用大电容 C 进行滤波。 功率管开关管应承受 2Us 的电压，为此选用 FGA25N120AN 绝缘栅双极晶体管 IGBT 并 接在功率开关管两端二级管用在 IGBT 关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流。 FGA25N 的参数：Vce=200V，Ic=15A。选用 10CTF30 型电力二极管，If=10A，Urm=300V。 采用单相交流 220V 供电，变压器二次电压为 67V，桥式整流二极管最大反向电压大于 电源的幅值的 2 倍，最大整流电流按 2 倍额定电流考虑。选 25JPF40，If=25A，Urm=400V。 整流桥输出端所并接的电容作用滤除整流后的电压纹波，并在负载变化时保持电压平 稳。另外，当脉宽调速系统的电动机减速或停车时，贮存在电动机和负载转动部分的动能将 由电容器吸收，所以所用的电容较大，这里选用 4000uf，电压按大于 2 倍电压选择。 4
    2、传感器以及测速发电机的选用 由于题目要求需要对电流进行采样，故此这里我们选用霍尔电流传感器 HNC-025A， HNC-025A 传感器所能测量的额定电流为 5A、6A、8A、 12A、25A，当原边导线经过电流 传感器时，原边电流 IP 会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙 中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电 路可把这个微小的信号转变成副边电流 IS，并存在以下关系式： IS* NS= IP*NP。在外环 中，我们需要有速度的反馈，这里我们选用永磁式 ZYS231/110 型作为测速机。 3、驱动电路选用 驱动电路的作用是将控制电路输出的 PWM 信号放大至足以保证 IGBT 可靠导通或关断 的程度。同时具有实现主电路与控制电路相隔离、故障后自动保护及延时等功能。这里我们 选用上海马克电气公司的 AST96X 系列的 MAST5-2C-U12 型 IGBT 驱动板 ，AST96X 为 单路光电耦合隔离带短路、欠压和过压保护功能的 IGBT 驱动模块；MAST 系列为 1 － 7 路、带隔离电源的 IGBT 驱动板，易于使用，对供电电源要求低，适用 600V － 1700V 的 各种不同类型 IGBT 驱动；两者均提供 电流源或电压源－电阻两种驱动方式，具有单电源 供电、输入电压范围宽、内置正负电压发生器以及电压滤波器、内置短路保护电路、内置驱 动欠压和过压保护电路、内置 VCE 检测的快恢复高压二极管、内置光电耦合器以传输驱动 保护／故障信号、内置栅极过压箝位元件等特点。MAST5-2C-U12 是为控制和驱动电机设 计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片 IC 之中，使外围器 件成本降低，整机可靠性提高。该产品为大规模集成基极驱动电路，可对 IGBT 实现较理想 的基极电流优化驱动和自身保护。 5
    4、调节器的选择 根据题目要求我们尝试用 P 调节器进行动态校正，但是存在静差，PI 调节器可以进一步 提高稳态性能，达到消除稳态速差的地步。在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离 被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差 一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调 节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。为了获得良好的静、动态 性能，转速和电流两个调节器，并且这里我们采用 PI 调节器。 5、 脉宽调制器选用 脉宽调制器用于产生控制 PWM 变换器的功率器件通断的 PWM 信号。常用种类有：模拟 式、数字式和专用集成电路。这里选用美国德克萨斯仪器公司 TL494 专用集成电路作为双 端输出型脉宽调制器，其载波为锯齿波信号，振荡频率 f 1.1  TCR T ，其中 TR 和 TC 取 值范围： RT  ~5 100 k  ， CT .0 001 1.0~ F 。 四、主电路的原理 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 6
    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。  Id R U*n + ASR +U*i Ui - ACR Uc - Un UPE Ks Ud0 + - E n 1/Ce  双闭环直流调速系统的稳态结构图 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 ， U * n  U n  ， UU  * i I  d i 式中，—— 转速和电流反馈系数。由第一个 n   0 n * Un  n  关系式可得  n 0 ，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 I d  * U im   I dm 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 ， 7
    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。 系统稳态结构图以及动态结构图 U*n + - Un WASR(s) + U*i - Ui WACR(s) Uc Ks Tss+1 - Ud0 1/R Tl s+1 Id + -IdL n R Tms 1/Ce E   双闭环调速系统的静态结构图 五、双闭环调节器的设计 5.1、电流环的设计 1. 确定时间常数 ⑴脉宽调制器和 PWM 变换器的滞后时间常数 开关周期 Ts .0 0017 ms 。 脉宽调制器和 PWM 变换器的放大系数为 40Ks 于是可得脉宽调制器和 PWM 变换器的传递函数为 W PWM   s  K s sT  s 1  40 0017 .0 s  1 ⑵电流滤波时间常数 oiT 取 ms2 。 8
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