運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)3

1、1設(shè)計(jì)總思路1.1 設(shè)計(jì)思路及原理spwm(sinusoidal pwm)法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的pwm法。前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同。spwm法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的pwm波形即spwm波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。設(shè)計(jì)主電路是經(jīng)過電力二極管的不可控橋式整流后，將三相交流電整流成電壓恒定的直流電壓，整流后與電橋并聯(lián)一個(gè)電容，用于

2、濾波，作用是減小直流電壓脈動(dòng)。接著將整流后的直流通過三相電壓型橋式逆變電路換為頻率與電壓都可調(diào)的交流電。對(duì)逆變電路中的igbt控制，是通過正弦波脈寬調(diào)制（spwm）技術(shù)。以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制波，以頻率比期望高得多的等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，有它們的交點(diǎn)確定逆變電路中的igbt的通斷時(shí)刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列?？傠娐穲D如圖1-1所示圖1-1設(shè)計(jì)總電路圖1.2變頻器的發(fā)展方向變頻器從80年代開始商品化，應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)大，主要有以下幾個(gè)方面:( 1 ) 變頻器容量不斷擴(kuò)大。變頻器的容量主要和它的開關(guān)器件的容量有直接影響，70年

3、代中期，功率晶體管開始開發(fā)，到80年代采用功率晶體管的spwm變頻器的投產(chǎn)，隨著元件容量的提高，變頻器的容量不斷提高，目前變頻器的容量已經(jīng)達(dá)到600kva,400kva以下的己經(jīng)系列化。( 2 ) 變頻器結(jié)構(gòu)的小型化。變頻器主電路中功率電路的模塊化、控制電路采用大規(guī)模集成電路(lsi)和全數(shù)字化技術(shù)等一系列措施促進(jìn)了變頻電源的小型化。( 3 ) 變頻器的多功能化和高性能化。電力電子器件和控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，使變頻器向多功能化和高性能化的方向發(fā)展，特別是微處理器的應(yīng)用，以其精練的硬件結(jié)構(gòu)和豐富的軟件功能，為變頻器的多功能化和高性能化提供了可靠的保證。日益豐富的軟件功能使通用變頻器的適應(yīng)性不斷加強(qiáng)

4、。1.3 論文研究的目的和意義 在電力拖動(dòng)領(lǐng)域，解決好電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速問題有著十分重要的意義，電機(jī)調(diào)速性能的提高可以大大提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的加工精度、工藝水平以及工作效率，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量;對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載，如果采用調(diào)速的方法改變其流量，節(jié)電效率可達(dá)20%-60%。眾所周知，直流調(diào)速系統(tǒng)具有較為優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。在很長的一個(gè)歷史時(shí)期內(nèi)，調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域基本上被直流電機(jī)調(diào)速所壟斷，這是和實(shí)際中交流電機(jī)的廣泛使用是一對(duì)存在的矛盾，許多應(yīng)用交流電機(jī)的設(shè)備為了達(dá)到調(diào)節(jié)被控對(duì)象的目的，只能采用物理的方法，例如采用風(fēng)門，閥門控制流量等，這樣浪費(fèi)能源的問題就很突出，費(fèi)用就大。而且在采用直流調(diào)速的

5、方面由于直流電機(jī)固有的缺點(diǎn)換相器和電刷的存在，使得維修工作量大，事故率高，電機(jī)的大容量使用受到限制，在易燃易爆的場合無法使用，因此開發(fā)交流調(diào)速勢在必行。2 單元電路設(shè)計(jì)2.1 主電路結(jié)構(gòu)主電路是交一直一交電壓源型，單相220v工頻交流供電，采用不可控的二極管整流橋，大電容濾波，采用大功率晶體管igbt作為輸出spwm波形的開關(guān)器件。目前的大功率開關(guān)器件都是以集成的大功率場效應(yīng)管igbt為主流，另外系統(tǒng)中設(shè)置了保護(hù)電路，包括過壓、過流的保護(hù)等。主電路如圖2-1所示。圖2-1 主電路結(jié)構(gòu)圖電容濾波的三相不可控整流電路，當(dāng)某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，該線電壓既向電容

6、供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時(shí)，由電容向負(fù)載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。逆變(dcac)技術(shù)是電力電子技術(shù)的重要組成部分，是把直流電變成交流電的過程，完成逆變功能的電路稱為逆變電路逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。它們也分別被稱為電壓源型逆變電路和電流源型逆變電路。2.2 三相電壓型逆變電路與控制電路三相交流負(fù)載需要三相逆變器，在三相逆變電路中，應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路。采用igbt作為可控元件的電壓型三相逆變電路與控制電路如圖2.2所示，可以看出電路由三個(gè)半橋組成。圖2-2 控制電路及逆變電路圖用t記為

7、周期，只要注意三相之間互隔t3(t是周期)就可以了，即b相比a相滯后 t3，c相又比b相滯后t3。具體的導(dǎo)通順序如下：第1個(gè)t6：v1，v6，v5導(dǎo)通，v4，v3，v2截止：第2個(gè)t6：vl，v6，v2導(dǎo)通，v4。v3，v5截止：第3個(gè)t6：v1，v3，v2導(dǎo)通，v4，v6，v5截止：第4個(gè)t6：v4，v3，v2導(dǎo)通，v1，v6，v5截止：第5個(gè)t6：v4，v3，v5導(dǎo)通，v1，v6，v2截止：第6個(gè)t6：v4，v6，v5導(dǎo)通，v1，v3，v2截止。下面來分析電壓型三相橋式逆變電路的工作波形。對(duì)于a相輸出來說，當(dāng)橋臂l導(dǎo)通時(shí)，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通， 因此，的波形是幅值為的矩形波。b，c兩相的情況和a相

8、類似，的波形形狀和相同，只是相位依次相差。2.2.1 rc橋式正弦振蕩電路rc橋式正弦振蕩電路如圖 2-3所示。其中r1、c1和r2、c2為串、并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，接于運(yùn)算放大器的輸出與同相輸入端之間，構(gòu)成正反饋，以產(chǎn)生正弦自激振蕩。r3、rw及r4組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)rw可改變負(fù)反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)節(jié)放大電路的電壓增益，使電壓增益滿足振蕩的幅度條件。為了使振蕩幅度穩(wěn)定，通常在放大電路的負(fù)反饋回路里加入非線性元件來自動(dòng)調(diào)整負(fù)反饋放大電路的增益，從而維持輸出電壓幅度的穩(wěn)定。圖中的兩個(gè)二極管d1，d2便是穩(wěn)幅元件。當(dāng)輸出電壓的幅度較小時(shí)，電阻r4兩端的電壓低，二極管d1、d2截止，負(fù)反饋系數(shù)由r3、r

9、w及r4決定；當(dāng)輸出電壓的幅度增加到一定程度時(shí)，二極管d1、d2在正負(fù)半周輪流工作，其動(dòng)態(tài)電阻與r4并聯(lián)，使負(fù)反饋系數(shù)加大，電壓增益下降。輸出電壓的幅度越大，二極管的動(dòng)態(tài)電阻越小，電壓增益也越小，輸出電壓的幅度保持基本穩(wěn)定。調(diào)整電阻rw （即改變了反饋r f ），使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說明負(fù)反饋太強(qiáng)，應(yīng)適當(dāng)加大r f ，如波形失真嚴(yán)重，則應(yīng)適當(dāng)減少r f。 改變選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)c 或r，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容c 作頻率量程切換（粗調(diào)），而調(diào)節(jié)r作量程內(nèi)的頻率細(xì)調(diào)。 圖2-3 rc橋式正弦振蕩電路2.2.2 比較器遲滯比較器的電路圖如圖2-4所示。該比較器是一個(gè)具有

10、遲滯回環(huán)傳輸特性的比較器。由于正反饋?zhàn)饔?，這種比較器的門限電壓是隨輸出電壓v0的變化而變化。在實(shí)際電路中為了滿足負(fù)載的需要，通常在集成運(yùn)放的輸出端加穩(wěn)壓管限幅電路，從而獲得合適的vol和voh，如圖2-5所示。 圖2-4遲滯比較器圖 2-5遲滯比較器電壓傳輸特性2.2.2 三角波發(fā)生器由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的三角波發(fā)生器，一般均包括比較器和rc積分器兩大部分。如圖2-6所示為由遲滯比較器和集成運(yùn)放組成的積分電路所構(gòu)成的三角波發(fā)生器。a1構(gòu)成遲滯比較器，同相端電位vp由vo1和vo2決定。a2構(gòu)成反相積分器vo1為負(fù)時(shí)， vo2 向正向變化， vo1 為正時(shí)， vo2 向負(fù)向變化。假設(shè)電源接通時(shí)v

11、o1 = -vz，線性增加。當(dāng)vo2下降到使vp略低于0時(shí)， vo1 = - vz 。這樣不斷的重復(fù)，就可以得到三角波vo2 。圖2-6三角波發(fā)生電路3 設(shè)計(jì)仿真3.1 運(yùn)行仿真打開仿真/參數(shù)窗口，選擇 ode23tb 算法，將相對(duì)誤差設(shè)置為 1e-3，停止時(shí)間設(shè)置為 0.1s，單擊工具欄中的“開始”按鈕開始仿真。仿真波形如下：圖3-1 頻率5hz時(shí)ud的波形圖3-2頻率5hz時(shí)ua的波形圖3-3 頻率5hz時(shí)ia的波形圖3-4 頻率20hz時(shí)ud的波形圖3-5 頻率20hz時(shí)ua的波形圖3-6頻率20hz時(shí)ia的波形圖3-7 頻率50hz時(shí)ud的波形圖3-8 頻率50hz時(shí)ua的波形圖3-9

12、 頻率50hz時(shí)ia的波形3.2 仿真波形分析spwm調(diào)制技術(shù)是pwm多脈沖可變脈寬調(diào)制技術(shù)的一種，即所謂的正弦波脈寬調(diào)制.其輸出波形是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個(gè)正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等份的中點(diǎn)相重合，這樣，由n個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效。三相對(duì)稱的參考正弦電壓調(diào)制信號(hào)，由參考信號(hào)發(fā)生器提供，其頻率和幅值都是可調(diào)的。三角載波信號(hào)由三角波發(fā)生器提供，各相共用。它分別與每相調(diào)制信號(hào)在比較器

13、上進(jìn)行比較，給出正或零的飽和輸出，產(chǎn)生spwm脈沖序列波，作為變壓變頻器功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過搭建的交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析可知，三相的交流電在經(jīng)過整流之后變成電壓恒定的直流電壓源，電壓波形基本趨于恒定的直線。在經(jīng)過逆變部分之后的波形是脈寬可調(diào)的方波。而經(jīng)過反饋和lc濾波之后變成頻率可變的正弦波。而通過變頻前后的波形可以看出變頻之后的正弦波雖然頻率變了，但是其波形當(dāng)中還有波動(dòng)。4 總結(jié)本設(shè)計(jì)參考變頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，通過spwm技術(shù)，對(duì)這種調(diào)速系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)作了相應(yīng)的研究?？偟膩碚f，得出了以下結(jié)論:1.為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的控制電路，只要改變?nèi)遣ㄅc正弦波的幅值和頻率就能方便可靠地實(shí)現(xiàn)雙極性spwm調(diào)制，適用于低頻逆變場合。電路簡單易懂。2.變頻驅(qū)動(dòng)器主電路的逆變采用了spwm調(diào)制技術(shù)，理論表明，當(dāng)載波頻率較高時(shí)，其輸出脈沖序列的基波電壓幅值與所要求的等效正弦波幅值相等。故這種調(diào)制方式能很好地滿足異步電機(jī)變壓變頻的要求。通過對(duì)其頻譜的分析，還證明了提高載波頻率，可以有效抑制諧波電壓和電流，從而改善電機(jī)的運(yùn)行性能。設(shè)計(jì)一開始不知如何下手，經(jīng)過廣泛查閱資料，我們無論是生活還是學(xué)習(xí)都離不開外界的力量，當(dāng)然也要有自己的努力，這次課程設(shè)計(jì)有很多的不足，很多東西平時(shí)學(xué)的也不透徹，我覺得做一次課程設(shè)計(jì)從每一個(gè)細(xì)節(jié)都在鍛煉著我們。我學(xué)習(xí)到了電機(jī)控制中一種先進(jìn)的法，讓我在