同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 i 頁(yè)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要隨著電力行業(yè)不斷發(fā)展和機(jī)組單機(jī)容量的增大，對(duì)機(jī)組的要求是越來(lái)越高，不僅僅是機(jī)組的可用率、運(yùn)行效率和安全性，對(duì)機(jī)組的可靠性與經(jīng)濟(jì)性也提出了更高的要求。勵(lì)磁系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)的核心控制系統(tǒng)，它的運(yùn)行狀態(tài)直接影響發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性與經(jīng)濟(jì)性。因此，保證勵(lì)磁系統(tǒng)安全、可靠的工作是十分重要的。對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷不僅能夠提高設(shè)備維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，還能顯著提高系統(tǒng)的可靠性。在本論文中，通過(guò)分析了同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理，運(yùn)用飛升曲線法建立了勵(lì)磁控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)出閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。組建了同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁

2、自動(dòng)控制系統(tǒng)，完成系統(tǒng)調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該數(shù)學(xué)模型和控制算法是合理的。然后分析了同步發(fā)電機(jī)自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的不足,提出一種新型斬波控制勵(lì)磁系統(tǒng)。分析了這種系統(tǒng)的工作原理,建立了各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型,利用工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)出相應(yīng)的調(diào)節(jié)器,根據(jù)反饋控制原理組建了自勵(lì)自動(dòng)控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果證明了本文提出控制方案的可行性,為勵(lì)磁改造和優(yōu)化提供了一定的理論指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機(jī)；飛升曲線法；工程設(shè)計(jì)法遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 ii 頁(yè)design of automatic control system for synchronous generator excitationabstractwith

3、 the power industry will continue to development and unit capacity increasing, the requirement of the unit is more and more high. not only is the unit availability, operation efficiency and safety of, also put forward higher requirements on the unit reliability and economy. as the core control syste

4、m of generator, the operation state of the excitation system directly influences the reliability and the economy of generator.therefore, it is very important to guarantee the safety and reliability of the excitation system. the state monitoring and diagnosis of excitation system can not only improve

5、 the economic performance of the maintenance, but also improve the reliability of the system.in this paper, through the analysis of the working principle of the excitation system of synchronous generator, using upwards curve method to establish the dynamic mathematical model of excitation control sy

6、stem, a closed loop control system of the regulator using the engineering design method is adopted to design. the automatic control system of generator excitation is established, and the system is debugged.experimental results show that the model and control algorithm are reasonable.and then analyze

7、s the lack of self excitation of synchronous generator excitation system, puts forward a new type of chopper control excitation system. analysis of the working principle of this system, all aspects of the mathematical model are established, and the engineering design method design corresponding regu

8、lator, according to the feedback control principle of formation of the automatic control system of self. the experimental results prove the feasibility of the proposed control scheme, and provide some theoretical guidance for the excitation and optimization.key words:synchronous generator; soaring c

9、urve; engineering design遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 iii 頁(yè)目錄摘要.iabstract.ii1 緒論 .11.1 勵(lì)磁系統(tǒng)概述 .21.2 勵(lì)磁系統(tǒng)的分類 .21.2.1 直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng) .21.2.2 他勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng) .21.2.3 靜止并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng) .21.3 勵(lì)磁系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)展前景 .32 勵(lì)磁系統(tǒng)的建模分析.42.1 建模方法簡(jiǎn)介 .42.2 飛升曲線法簡(jiǎn)介 .52.3 本次實(shí)驗(yàn)的方法及數(shù)據(jù)處理 .73 控制器的設(shè)計(jì).103.1 pid 勵(lì)磁控制.103.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的 pid 算法 .103.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 .113.3.1 工程

10、設(shè)計(jì)方法的基本思路 .123.3.2 典型型系統(tǒng) .123.3.3 典型型系統(tǒng) .143.4 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .163.4.1 pid 電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)整定.164 開關(guān)式自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).18遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 iv 頁(yè)4.1 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制策略 .184.2 控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.184.2.1 pwm 調(diào)制器.184.2.2 驅(qū)動(dòng)電路 .224.3 機(jī)械功率輸出部分的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 .234.4 開關(guān)式并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)功率主回路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 .254.4.1 降壓斬波電路簡(jiǎn)介 .254.4.2 功率回路分析 .274.5 檢測(cè)控制單元 .285 勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)的

11、仿真及結(jié)果分析.295.1 動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn) .295.2 直流電源起勵(lì)方式 .295.2.1 起勵(lì)流程 .305.2.2 國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) .305.2.4 matlab 仿真圖.315.3 抗擾動(dòng)特性試驗(yàn) .31結(jié) 論.33致 謝.34參考文獻(xiàn).35遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 1 頁(yè)1 緒論現(xiàn)實(shí)生活中，越來(lái)越多的同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于像電站、工廠、艦船等獨(dú)立供電系統(tǒng)之中。對(duì)于系統(tǒng)的建模、計(jì)算、仿真受到了許多學(xué)者和專家的關(guān)注。由于同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型建立的抽象性以及計(jì)算求解過(guò)程的復(fù)雜性，給人們的分析研究帶來(lái)了一定的困難。隨著新技術(shù)，新工藝和新器件的涌現(xiàn)和使用，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式逐漸發(fā)展并得以完善。在

12、研究自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置方面，還不斷研制并且推廣使用了許多新型的調(diào)節(jié)裝置。采用微機(jī)計(jì)算機(jī)用軟件實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置已經(jīng)成為主流趨勢(shì)，并且有其顯著優(yōu)點(diǎn)。目前很多國(guó)家都在研制和試驗(yàn)用微型機(jī)計(jì)算機(jī)輔以相應(yīng)的外部硬件設(shè)備構(gòu)成完善的數(shù)字自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置，使其達(dá)到實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)最佳調(diào)節(jié)的目的。同步發(fā)電機(jī)能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為交流電能。老式的自備電站油機(jī)發(fā)電機(jī)組內(nèi)，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁廣泛采用直流發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流來(lái)發(fā)電。這種傳統(tǒng)的勵(lì)磁方式，是通過(guò)整流子進(jìn)行交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^(guò)程，并且向勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁電流只能通過(guò)整流子的銅環(huán)和炭刷。因此，對(duì)維護(hù)和保障安全運(yùn)行方面都帶來(lái)了諸多問(wèn)題。為了改進(jìn)這種勵(lì)磁方式，過(guò)去主要發(fā)展了帶靜

13、止硅整流器的自勵(lì)恒壓的同步發(fā)電機(jī)，但這種發(fā)電機(jī)依然存在炭刷和滑環(huán)，并且產(chǎn)生無(wú)線電磁干擾，仍需要經(jīng)常維護(hù)，沒(méi)能從根本上解決存在的問(wèn)題?，F(xiàn)代的同步發(fā)電機(jī)，通過(guò)改進(jìn)和發(fā)展，廣泛采用同軸交流無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器的無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)，避免了碳刷使用造成的弊端。日常所述的勵(lì)磁系統(tǒng)都是對(duì)大型發(fā)電機(jī)組而言的。對(duì)于小機(jī)組來(lái)講，特別是本設(shè)計(jì)所針對(duì)的單臺(tái)未并網(wǎng)運(yùn)行的小型同步發(fā)電機(jī)，僅用于對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓恒定的研究。因此，本設(shè)計(jì)所用的系統(tǒng)采用勵(lì)磁電流閉環(huán)控制，即在當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)斬控電路調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，確保機(jī)端電壓的恒定。此外，因?yàn)椴⑽词拱l(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，因此本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)未加功率因數(shù)和無(wú)功功率調(diào)節(jié)功能。本系

14、統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，考慮到可實(shí)現(xiàn)性及可靠性，控制策略采用 pid 控制，功率器件采用全控型器件 igbt，主電路為電網(wǎng)經(jīng)自耦器和三相不控整流橋及 igbt 給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組供電。系統(tǒng)控制部分由 sg3525 搭建的模擬控制器和 m57962 搭建的驅(qū)動(dòng)電路組成。遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 2 頁(yè)1.1 勵(lì)磁系統(tǒng)概述 同步發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)主要由兩部分組成：一部分是勵(lì)磁功率單元，它向同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組提供可調(diào)的直流勵(lì)磁電流；另一部分是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，它根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況及性能要求，自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。1.2 勵(lì)磁系統(tǒng)的分類從 20 世紀(jì) 50 年代至今，勵(lì)磁系統(tǒng)可大致分為以下三類。1.2.1 直流勵(lì)

15、磁機(jī)系統(tǒng)在電力系統(tǒng)發(fā)展初期，一般由同步發(fā)電機(jī)同軸的直流發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流，即所謂的直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。隨著發(fā)電機(jī)容量的不斷增加，所需的勵(lì)磁電流也相應(yīng)增大，直流機(jī)的機(jī)械整流子在換流方面遇到了困難，限制了它的容量和轉(zhuǎn)速（極限容量和轉(zhuǎn)速的乘積有一上限值，超過(guò)這一數(shù)值，直流電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造就會(huì)極度困難） 。1.2.2 他勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)隨著大功率半導(dǎo)體器件制造工藝的成熟與完善，勵(lì)磁功率單元可采用交流發(fā)電機(jī)和半導(dǎo)體整流元件組成新的交流勵(lì)磁系統(tǒng)。由于勵(lì)磁電源取自與同步發(fā)電機(jī)同軸的交流勵(lì)磁機(jī)，故稱之為他勵(lì)。整流器件可根據(jù)不同需求采用二極管或可控硅，整流器既可旋轉(zhuǎn)也可靜止。1.2.3 靜止并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)靜止自并

16、勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)是由接在機(jī)端或電網(wǎng)的勵(lì)磁變壓器經(jīng)過(guò)整流器直接給勵(lì)磁繞組提供電能的。與其他勵(lì)磁方式相比，靜止勵(lì)磁系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，如勵(lì)磁系統(tǒng)接線較為容易、設(shè)備構(gòu)成較為簡(jiǎn)單、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部分、維護(hù)費(fèi)用小、可縮短發(fā)電機(jī)主軸長(zhǎng)度、可靠性高。從控制角度上講，用晶閘管整流器控制轉(zhuǎn)子電壓，可獲得較快的響應(yīng)速度。靜止自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)尤其適用于系統(tǒng)內(nèi)有升壓變壓器的單元中，主電路的接線方式是將勵(lì)磁變壓器接在發(fā)電機(jī)的出口端，由于發(fā)電機(jī)引出線是封閉總線。因此,在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制發(fā)電機(jī)端電壓恒定輸出的條件下，機(jī)端電壓引出線故障的可能性極小，勵(lì)磁電源的可靠性顯著提高。但在電動(dòng)機(jī)組起動(dòng)時(shí)機(jī)端存在殘壓，故會(huì)產(chǎn)生起勵(lì)問(wèn)題。勵(lì)磁變壓器亦可接在電網(wǎng)

17、上，則無(wú)需考慮起勵(lì)時(shí)的殘壓，因?yàn)闄C(jī)組起動(dòng)時(shí)整流橋和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器已能正常供電。本文采用勵(lì)磁變壓器接至電網(wǎng)的靜止自并勵(lì)勵(lì)磁方式，如圖 1.1所示。遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 3 頁(yè) 圖 1.11.1 靜止自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.3 勵(lì)磁系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)展前景隨著勵(lì)磁系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究工作的深入，勵(lì)磁監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)應(yīng)具有如下前景和特點(diǎn)：（1)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)工況試驗(yàn)的特征量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得出其性能指標(biāo)，看是否滿足國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)判斷勵(lì)磁系統(tǒng)的部分功能是否正常，為勵(lì)磁系統(tǒng)的正常工作提供基礎(chǔ)。（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅要求對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，判斷其穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)運(yùn)行情況，還要能能預(yù)測(cè)故障并對(duì)可能出現(xiàn)的故

18、障進(jìn)行精確的定位。（3）勵(lì)磁狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該具有高可靠的監(jiān)測(cè)與診斷能力，并具有一定的容錯(cuò)能力。（4）勵(lì)磁系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅要考慮自身的原因，還應(yīng)結(jié)合機(jī)組的其他部件統(tǒng)一對(duì)機(jī)組可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析。遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 4 頁(yè)2 勵(lì)磁系統(tǒng)的建模分析2.1 建模方法簡(jiǎn)介對(duì)于被控對(duì)象而言，建立其數(shù)學(xué)模型的方法有機(jī)理法建模1和實(shí)驗(yàn)法建模1兩大類。機(jī)理法建模又稱數(shù)學(xué)分析法建模，通過(guò)研究過(guò)程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，經(jīng)過(guò)分析研究，建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式(數(shù)學(xué)模型)。機(jī)理法建模就是把研究過(guò)程視為一個(gè)白匣子，這個(gè)白匣子必然存在一個(gè)固有的傳遞函數(shù)，因此根據(jù)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行機(jī)理分析得到輸入量與輸出量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系就

19、能使人們對(duì)整個(gè)過(guò)程有一個(gè)相對(duì)感性的認(rèn)識(shí)。在設(shè)計(jì)白匣子階段就可以建立數(shù)學(xué)模型，這對(duì)新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)具有重要意義，也是機(jī)理建模法的優(yōu)勢(shì)之一。建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，首先要確定數(shù)學(xué)模型的種類，然后建立相關(guān)參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的生產(chǎn)過(guò)程（系統(tǒng)）或?qū)ο?，通過(guò)對(duì)其工作機(jī)理的分析，應(yīng)用一些已知的定律、原理，如能量守恒定律、基爾霍夫定律、材料力學(xué)原理等，經(jīng)過(guò)推演和簡(jiǎn)化建立起能夠描述過(guò)程動(dòng)態(tài)性的基本方程式，從而確定過(guò)程（系統(tǒng)）輸出量、輸入量和其他變量（參數(shù)）間的關(guān)系。但是，對(duì)于許多復(fù)雜的過(guò)程和抽象的對(duì)象，由于對(duì)有些內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理了解得還不夠徹底，不可能準(zhǔn)確地表示出各變量之間的關(guān)系。一般情況下，機(jī)理推導(dǎo)出

20、的代數(shù)、微分方程往往比較復(fù)雜，此時(shí)就要作一些假設(shè)和簡(jiǎn)化以獲得實(shí)用的數(shù)學(xué)模型。機(jī)理建模通常按以下步驟實(shí)施：（1）確定模型類型，根據(jù)使用目的確定系統(tǒng)的輸出量和輸入量；（2）通過(guò)對(duì)過(guò)程結(jié)構(gòu)和內(nèi)部機(jī)理的研究，在不影響模型動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能的前提下，進(jìn)行必要的假設(shè)和簡(jiǎn)化；（3）在符合生產(chǎn)工藝和現(xiàn)實(shí)條件的基礎(chǔ)上，列出動(dòng)態(tài)方程；（4）通過(guò)一定的數(shù)學(xué)計(jì)算、推演，消去中間變量，得到只包括輸入量和輸出量的傳遞函數(shù)。（5）在滿足控制理論的前提下，對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，必要時(shí)還需對(duì)模型進(jìn)行線性化表示。 實(shí)驗(yàn)建模是根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)傳遞函數(shù)，避開系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)理，根據(jù)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的輸入/輸出數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理后，建立一個(gè)從外部特性上來(lái)

21、描述其動(dòng)態(tài)性質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。此類數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)沒(méi)有現(xiàn)實(shí)的物理意義，但是它能很精確地表示出系統(tǒng)的動(dòng)遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 5 頁(yè)態(tài)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)建模通常比機(jī)理建模簡(jiǎn)單，精度高，通用性強(qiáng)，對(duì)于控制復(fù)雜的對(duì)象（生產(chǎn)工藝過(guò)程）具有較大的優(yōu)勢(shì)。用實(shí)驗(yàn)法測(cè)定被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)性能，在被控對(duì)象上施加不同形式的擾動(dòng)信號(hào)，再以時(shí)域、頻域和相關(guān)分析法進(jìn)行進(jìn)一步地分析整理。其中以時(shí)域法效果最為直接，適用范圍廣泛，其主要內(nèi)容是：給對(duì)象施加一個(gè)參數(shù)確定的擾動(dòng)信號(hào)，記錄其動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，然后根據(jù)該曲線分析其各項(xiàng)參數(shù)并求出其傳遞函數(shù)。為了獲得數(shù)學(xué)模型，可輸入階躍、脈沖、斜坡等信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)，得到相關(guān)信號(hào)的響應(yīng)圖像，

22、進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)處理，獲得準(zhǔn)確的模型。2.2 飛升曲線法簡(jiǎn)介給被控對(duì)象施加一個(gè)階躍信號(hào)，然后記錄其輸入/輸出的實(shí)驗(yàn)曲線，得到的響應(yīng)曲線即飛升曲線2。飛升曲線能直觀地描述出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，因此可參照響應(yīng)曲線經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算整合成系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。階躍實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程很簡(jiǎn)單，即系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下，通過(guò)人為方式使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一次階躍擾動(dòng)。與此同時(shí)，記錄下輸入/輸出變量的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)該曲線求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。根據(jù)響應(yīng)曲線來(lái)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，首先要通過(guò)曲線的圖像來(lái)確定模型的結(jié)構(gòu)。大多數(shù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性是不振蕩的，具有一定的自平衡能力。所以可將動(dòng)態(tài)過(guò)程近似為一階/一階滯后、二階/二階滯后這樣的環(huán)節(jié)加以分析處理，對(duì)于

23、高階系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)學(xué)推論近似成二階加滯后來(lái)分析。即 （2.1）000( )1kw st s （2.2）000( )1skw set s （2.3）0012( )11kw stst s （2.4）0012( )11skw setst s遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 6 頁(yè) 對(duì)于少數(shù)無(wú)自平衡能力的系統(tǒng)，可用以下環(huán)節(jié)來(lái)近似描述。即 （2.5）01( )aw st s （2.6）01( )saw set s （2.7）0011( )1w st sts （2.8）0011( )1sw set sts 由此可知，只需確定系統(tǒng)的放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間，就能得到被控0k0t對(duì)象的傳遞函數(shù)。 如圖

24、2.1 所示，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線產(chǎn)生階躍的瞬間，即時(shí)，其曲線斜率為最 x t0t 大，然后逐漸減少，直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，則響應(yīng)曲線可以用式（2.1）的一階慣性 y 環(huán)節(jié)來(lái)描述，因而只需確定、即可。0k0t 圖 2.12.1 階躍響應(yīng)曲線 圖 2.12.1 相對(duì)階躍響應(yīng)曲線ab 設(shè)過(guò)程輸入階躍信號(hào)的幅值為，由圖 2-1的階躍響應(yīng)曲線可定出其穩(wěn)態(tài)值0 xa，則、可以按如下步驟求得。 y 0k0t1）放大系數(shù) 階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍信號(hào)幅值之比，即0k y 0 x遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 7 頁(yè) (2.9) 00ykx 2）時(shí)間常數(shù) 先求相對(duì)階躍響應(yīng)曲線值，即階躍響應(yīng)曲線值除以穩(wěn)態(tài)值0t y

25、t為所求 y (2.10) y tyty 根據(jù)一階系統(tǒng)的特征可知 (2.11) 01ttyte 將式（2.11）移項(xiàng)整理，可得 (2.12) 01ttinyt為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在該曲線上選擇，三點(diǎn) 10.632yt 20.865yt 30.950yt點(diǎn)，按上式計(jì)算 (2.13)11011 0.6321ttttin (2.14)22020.51 0.8652ttttin (2.15)330311 0.95033ttttin在相對(duì)曲線上找 0.632，0.865，0.950 所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，既得時(shí)間常數(shù)，1t2t3t01tt，。根據(jù)典型一階系統(tǒng)參數(shù)特性可知，故得出經(jīng)驗(yàn)公式：020.5tt0313tt12

26、3ttt （5%誤差帶） (2.16) 13stt （2%誤差帶） (2.17)14stt2.3 本次實(shí)驗(yàn)的方法及數(shù)據(jù)處理 在本次實(shí)驗(yàn)中，我們采用了實(shí)驗(yàn)建模法對(duì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，系統(tǒng)原理圖如圖 2.2 所示：遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 8 頁(yè)圖 2.22.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)原理圖 采用飛升曲線法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模的具體做法為，在系統(tǒng)未加勵(lì)磁的穩(wěn)定狀態(tài)下突加勵(lì)磁給定觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)曲線,得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線為圖 2.3： 圖 2.32.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線飛升曲線法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：，,過(guò)渡時(shí)間常數(shù)為。 29vy 03.7vx 250msst 將勵(lì)磁控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節(jié)，為。00

27、0( )1kw st s根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的額定參數(shù)：額定功率-；額定勵(lì)磁電流 3.54；p2.0kwa遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 9 頁(yè)額定電壓-； 額定勵(lì)磁電壓 50；u400vv額定電流-3.61； 額定頻率-50。aafhz 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中突加的給定勵(lì)磁電壓為額定值，所以根據(jù)式 2-8 得出，勵(lì)磁控制系統(tǒng)的放大系數(shù)，根據(jù)過(guò)度時(shí)間為 35 倍的，現(xiàn)選 4 倍的則得出勵(lì)磁控制07.8k 0t0t系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)為 0.0625 。本文將同步發(fā)電機(jī)近似為一階慣性環(huán)節(jié)，所以傳遞函數(shù)s的結(jié)果為 （2.19） 7.80.06251g ss對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型建立，我們將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型近似為一階

28、慣性環(huán)節(jié)如式2.20 （2.20） pwm1kg sts根據(jù)整流電源電壓為 50v 以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)間常數(shù)的特點(diǎn)得出其傳遞函數(shù)為： 500.00011g ss（2.21）遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 10 頁(yè)3 控制器的設(shè)計(jì)3.1 pid 勵(lì)磁控制pid 勵(lì)磁控制原理3如圖 3.1 所示，該系統(tǒng)輸入信號(hào)為發(fā)電機(jī)端電壓的偏差值。pid 勵(lì)磁控制器各環(huán)節(jié)的工作過(guò)程大致為：比例環(huán)節(jié)放大機(jī)端電壓的偏差值，偏差量一旦產(chǎn)生，控制器立即進(jìn)行控制，使偏差穩(wěn)定至零，以保持機(jī)端電壓的恒定。但比例環(huán)節(jié)不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差主要與放大系數(shù)有關(guān)，放大系數(shù)越大，偏差越??；通常消除穩(wěn)態(tài)誤差主要在系統(tǒng)內(nèi)添加積分環(huán)節(jié)，

29、提高系統(tǒng)的無(wú)差度只要系統(tǒng)存在積分環(huán)節(jié)，誤差調(diào)節(jié)就不斷的進(jìn)行，直至輸出量消除誤差。但是積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，通常選取一個(gè)比較合適的積分時(shí)間常數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。微分環(huán)節(jié)根據(jù)機(jī)端電壓偏差的變化速度，來(lái)進(jìn)行控制動(dòng)作，具有超前調(diào)節(jié)作用，可以減少電壓調(diào)節(jié)中的動(dòng)態(tài)偏差，能夠縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。pid 勵(lì)磁控制原理圖如圖 3.1。 圖 3.13.1 pid 勵(lì)磁控制原理圖3.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的 pid 算法比例積分微分（pid）控制是依據(jù)經(jīng)典控制理論頻域法進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種校正方法，該方法技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，可改善系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。pid 控制規(guī)律4可用下列微分方程表示： （3.1）1( )( )( )pdde ty

30、ke te t dtttdt式中 pid 調(diào)節(jié)器比例環(huán)節(jié)的放大系數(shù)pk pid 調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)t遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 11 頁(yè) pid 調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間常數(shù)dtpid 調(diào)節(jié)器的輸出電壓 u 由比例積分微分環(huán)節(jié)疊加而成。pid 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ： （3.2）1( )pdt sw skt s 式中，為比例系數(shù)，與比例帶成反比例關(guān)系，即；為控制輸pkpkp1k出， 為積分時(shí)間常數(shù)。t pid 調(diào)節(jié)器各參數(shù)與控制性能之間的關(guān)系：（1）比例調(diào)節(jié)系數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響：加大比例控制，pkpk在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但加大只減小誤差，卻pk

31、不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響：比例控制加大，會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏、pk響應(yīng)速度快。偏大，振蕩次數(shù)變多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)，當(dāng)太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)pkpk定。若太小，又會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)緩慢。pk（2）積分時(shí)間常數(shù)對(duì)控制性能的影響。對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響：積分控制能對(duì)系統(tǒng)it的穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行有效的抑制，提高系統(tǒng)的控制精度。若太大，積分作用太弱，對(duì)穩(wěn)it態(tài)誤差不起作用。對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響：積分時(shí)間常數(shù)偏小，積分作用較強(qiáng)，振蕩次it數(shù)較多，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故選取合適的時(shí)間常數(shù)十分關(guān)鍵。it (3)微分時(shí)間常數(shù)對(duì)控制性能的影響。對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響：引入微分環(huán)節(jié)，能在dt誤差產(chǎn)生的瞬間，按誤差的變化趨勢(shì)進(jìn)行一個(gè)超

32、前的校正，有助于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響：微分時(shí)間常數(shù)的增加，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，如：減dt少超調(diào)量，縮短上升時(shí)間等。但微分環(huán)節(jié)會(huì)放大系統(tǒng)噪聲，對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力造成影響。3.3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 在工程設(shè)計(jì)中調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)須滿足生產(chǎn)過(guò)程的要求。針對(duì)單環(huán)系統(tǒng)通常借助伯德圖設(shè)計(jì)校正裝置。設(shè)計(jì)之前，都應(yīng)先求出該閉環(huán)系統(tǒng)的初始開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性，再根據(jù)實(shí)際要求的性能指標(biāo)確定校正后系統(tǒng)的頻率特性 ，經(jīng)過(guò)反復(fù)試湊，才能確定其結(jié)構(gòu)并計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)。為了解決系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾等方面矛盾，通常經(jīng)過(guò)反復(fù)試湊，這需要熟練的設(shè)計(jì)技巧，體現(xiàn)出建立簡(jiǎn)便實(shí)用工程設(shè)計(jì)法的重要性。 現(xiàn)代的電力拖動(dòng)控制系

33、統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部都是由慣性很小的電子設(shè)備構(gòu)成的（電機(jī)除遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 12 頁(yè)外） 。如果經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，近似假設(shè)處理，那么整個(gè)系統(tǒng)可大致近似為低階系統(tǒng)，通過(guò)運(yùn)算放大器或微型處理器可以實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分等控制環(huán)節(jié)的要求，于是控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化或近似成少數(shù)典型的低階結(jié)構(gòu)就成為了可能。如果對(duì)典型系統(tǒng)有了充分的認(rèn)識(shí)，運(yùn)用它們的頻率特性進(jìn)行合理化判斷，掌握它們的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)參數(shù)，總結(jié)成公式或圖表，則在設(shè)計(jì)時(shí)，只要參照實(shí)際系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)來(lái)校正或簡(jiǎn)化成為典型系統(tǒng)，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來(lái)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。這樣，設(shè)計(jì)過(guò)程就變得更加輕松了，為建立工程設(shè)計(jì)法提供了可能性。 調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)法5應(yīng)遵循的原則

34、是：設(shè)計(jì)概念清晰、易懂，給出簡(jiǎn)明的計(jì)算公式，指出參數(shù)調(diào)整的范圍，考慮到飽和非線性控制的情況，必要時(shí)也需給出計(jì)算公式。從而使調(diào)節(jié)器適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。如果對(duì)動(dòng)態(tài)性能的精度比較高，可參考“模型系統(tǒng)法” 。對(duì)于復(fù)雜的不可能簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的情況，可采用高階系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)的輔助分析和設(shè)計(jì)。3.3.1 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路工程設(shè)計(jì)法通常把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，簡(jiǎn)化的基本思路需使調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過(guò)程滿足兩個(gè)條件：（1）在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，明確調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，滿足設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)態(tài)精度。（2）確定調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)，以滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。在選擇調(diào)節(jié)器時(shí)，通常采用近似的典型系統(tǒng)，由于典型系統(tǒng)各項(xiàng)

35、參數(shù)指標(biāo)都已事先找到，選擇參數(shù)時(shí)只須套用現(xiàn)成的公式和數(shù)據(jù)就可以達(dá)到設(shè)計(jì)目的，提升了設(shè)計(jì)工作的效率。3.3.2 典型型系統(tǒng)1典型型系統(tǒng)的基本概念 典型型系統(tǒng)的開環(huán)轉(zhuǎn)遞函數(shù)通常為 （3.3）( )(1)kkwss ts （3.4）12( )ktbkssttws 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 13 頁(yè)式中 系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)t 系統(tǒng)的開環(huán)增益k2方塊圖和伯德圖(a) 閉環(huán)系統(tǒng)方塊圖 (b) 伯德圖圖 3.23.2 典型型系統(tǒng) 典型型系統(tǒng)的閉環(huán)方塊圖如圖 a 所示，而圖 b 表示它的伯德圖。選擇它作為典型的 i 型系統(tǒng)是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且波特圖的中頻段以-20db/dec 的斜率穿越 0db

36、線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的。顯然，要做到這一點(diǎn)，應(yīng)在選擇參數(shù)時(shí)保證。c1t3.典型型系統(tǒng)的性能指標(biāo)和參數(shù)之間的關(guān)系 由于本文主要討論的是直流調(diào)速,因此對(duì)于自動(dòng)控制中的復(fù)雜推導(dǎo)過(guò)程限于篇幅不詳細(xì)推導(dǎo),這里只給出推導(dǎo)出的結(jié)論,能用于實(shí)際工程中設(shè)計(jì)。對(duì)于幾個(gè)值的計(jì)算結(jié)果列于表 3.1 中，兼顧快速性與穩(wěn)定性要求可取，將此時(shí)系統(tǒng)稱為二階最佳0.707系統(tǒng)。表 3.13.1 典型型系統(tǒng)跟隨指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系表kt0.250.3090.390.50.691.0遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 14 頁(yè)阻尼比1.00.90.80.7070.60.5超調(diào)量%00.15%1.5%

37、4.3%9.5%16.5%截止頻率c0.243/t0.296/t0.367/t0.455/t0.596/t0.786/t相角裕量()c 76.373.669.965.659.251.8 典型型系統(tǒng)跟隨指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系只考慮擾動(dòng)信號(hào)，令輸入作用等于零，由自動(dòng)控制基本理論可得抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表 3.2 所示。表 3.23.2 典型型系統(tǒng)抗干擾指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系()0.707m1/51/101/201/30cmax / z69.4%82.9%92.7%96.7%1mtt2.83.43.84.01ftt163161913.3.3 典型型系統(tǒng)1基本概念 在各種型系統(tǒng)中,選擇一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且能保證穩(wěn)定

38、的結(jié)構(gòu)作為典型型系統(tǒng),其開環(huán)傳遞函數(shù)為： （3.5）2(1)( )(1)kkswss ts 2方塊圖和伯德圖遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 15 頁(yè)(a)閉環(huán)系統(tǒng)方塊圖 (b)伯德圖圖 3.33.3 典型型系統(tǒng) 典型型系統(tǒng)的閉環(huán)方塊圖如圖 a 所示，而圖 b 表示它的伯德圖,其中頻段也是以的斜率穿越線。由于分母中項(xiàng)對(duì)應(yīng)的相頻特性是，后面還有一個(gè)-20db dec0db2s-180慣性環(huán)節(jié)（這往往也是實(shí)際系統(tǒng)中必定有的） ，如果不在分子上添加一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)，就無(wú)法把相頻特性抬到線以上，也就不能保證系統(tǒng)穩(wěn)定。因此要實(shí)現(xiàn)系s-180統(tǒng)穩(wěn)定，顯然應(yīng)保證。 3典型型系統(tǒng)的性能指標(biāo)和參數(shù)之間的關(guān)系直

39、接給出結(jié)論，分別如表 3.3 和表 3.4 所示；表 3.33.3 典型型系統(tǒng)跟隨指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系h345678910%52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.6%23.3%rt t2.42.652.853.03.13.23.33.35st t12.1511.69.5510.4511.3012.2513.2514.20遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 16 頁(yè)532211111 典型型系統(tǒng)跟隨指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系表 3.3 中 h 是斜率為-20db/dec 的中頻段的寬度，稱中頻寬。以 t 為時(shí)間基準(zhǔn)，對(duì)不同的 h 值，可以獲得典型型系統(tǒng)的超調(diào)量%、上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、振

40、蕩次數(shù)。 rt tst t 表 3.43.4 典型型系統(tǒng)抗擾指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系h345678910cmax / z72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%mtt2.452.72.853.03.153.253.33.4ftt13.610.458.812.9516.8519.8022.825.85 典型型系統(tǒng)抗擾指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系表 3.4 中 h 是中頻寬，t 為對(duì)象固有時(shí)間常數(shù)，、分別為擾動(dòng)點(diǎn)前后的增益，f 為階躍擾動(dòng)。以 t 為時(shí)間基準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)降落以=1k2kz為基準(zhǔn)，對(duì)不同的 值，可以獲得典型型系統(tǒng)的最大動(dòng)態(tài)降落cmax / z 及22k fth其產(chǎn)生時(shí)刻，恢

41、復(fù)時(shí)間。mttftt3.4 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將調(diào)節(jié)器與校正對(duì)象串聯(lián)，可將系統(tǒng)校正成以上典型型或型系統(tǒng)。 圖 3.43.4 勵(lì)磁反饋控制結(jié)構(gòu)圖遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 17 頁(yè)3.4.1 pid 電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)整定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式 3.6 所示 ( )( )( )pidobjw sws ws（3.6）由于系統(tǒng)的被控對(duì)象已求出為 390( )(0.00011)(0.06251)objwsss（3.7） 根據(jù)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法參照式 3.2 對(duì)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行整定 112(1)( )1(1)(1)pkskw sstst s（3.8） 其中，。1390k 10.0625t 20.0001

42、t 2ht21h 對(duì)式 3.8 進(jìn)行進(jìn)一步的處理分析得到式 3.9 1221 22(1)( )(1)pk k ht sw stt hs t s（3.9） 此時(shí)本系統(tǒng)的傳遞函數(shù)就已經(jīng)整定成型系統(tǒng)故只需確定 pid 的參數(shù)即可 根據(jù)式 3.9 可確定，為了滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)取，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得11 2pk kktt h5k ，故可以得出 pid 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如下:55 10pk 0.0008(0.06251)( )pidswss（3.10） 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 18 頁(yè)4 開關(guān)式自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如前文所示，系統(tǒng)采用機(jī)端電壓閉環(huán)控制，在機(jī)端電壓和控制電流之間可以建立數(shù)學(xué)模型，通

43、過(guò)對(duì)勵(lì)磁電流的控制實(shí)現(xiàn)機(jī)端電壓的恒定。當(dāng)機(jī)端電壓小于給定時(shí)，增大勵(lì)磁電流提高電壓，反之減小勵(lì)磁電流。根據(jù)負(fù)反饋控制理論，要保持哪一個(gè)量不變，就要引入此物理量的負(fù)反饋。因此，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的輸入信號(hào)是在線檢測(cè)的電壓互感器和電流互感器的數(shù)值，輸出的信號(hào)是相應(yīng)的占空比脈沖信號(hào)。其調(diào)節(jié)規(guī)律依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，按照工程設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)反饋裝置。4.1 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制策略 圖 4.14.1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖4.2 控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 為了實(shí)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的斬波閉環(huán)控制，本文采用 pwm 專用生成芯片 sg3525 和功率遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 19 頁(yè)驅(qū)動(dòng)芯片 m57962

44、來(lái)搭建控制回路。4.2.1 pwm 調(diào)制器sg3525 是用于驅(qū)動(dòng) n 溝道功率 mosfet。該產(chǎn)品在生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛運(yùn)用。下面我們對(duì) sg3525 各項(xiàng)參數(shù)、工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。 sg3525 是電流控制型 pwm 控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來(lái)調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過(guò)輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無(wú)論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。（1）sg3525 芯片簡(jiǎn)介6 sg3525

45、pwm 控制器采用新型模數(shù)混合集成電路，性能優(yōu)越，穩(wěn)定可靠，無(wú)需過(guò)多的輔助元件它的主要特點(diǎn)是:輸出級(jí)采用推挽輸出，雙通道輸出，占空比 0-50%可調(diào).每一通道的驅(qū)動(dòng)電流最大值可達(dá) 200ma,電流峰值可達(dá) 500ma?？芍苯域?qū)動(dòng)功率管，工作頻率高達(dá) 400khz，具有欠壓鎖定、過(guò)壓保護(hù)和軟啟動(dòng)等功能。該電路由基準(zhǔn)電壓源、震蕩器、誤差放大器、pwm 比較器與鎖存器、分相器、欠壓鎖定輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)，軟啟動(dòng)及關(guān)斷電路等組成，可正常工作的溫度范圍是 0-700 攝氏度?；鶞?zhǔn)電壓為 5.1 v 士 1%，工作電壓范圍很寬，為 8v 到 35 v。 其管腳如圖 4.2 所示： 圖 4.24.2 sg3525s

46、g3525 管腳圖管腳說(shuō)明：遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 20 頁(yè)1. inv.input(引腳 1)：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號(hào)。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳 9）相連，可構(gòu)成跟隨器。 2. noninv.input(引腳 2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號(hào)。根據(jù)需要，在該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳 9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。 3. sync(引腳 3)：振蕩器外接同步信號(hào)輸入端。該端接外部同步脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)與外電路同步。 4. osc.output(引腳 4)：振蕩器輸

47、出端。 5. (引腳 5)：振蕩器定時(shí)電容接入端。 tc6. （引腳 6）：振蕩器定時(shí)電阻接入端。 tr7. discharge(引腳 7)：振蕩器放電端。該端與引腳 5 之間外接放電電阻，構(gòu)成放電回路。 8. (引腳 8)：軟啟動(dòng)電容接入端。該端通常接一只 5 的軟啟動(dòng)電容。 soft startc9. compensation(引腳 9)：pwm 比較器補(bǔ)償信號(hào)輸入端。在該端與引腳 2 之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。 10. shutdown(引腳 10)：外部關(guān)斷信號(hào)輸入端。該端接高電平時(shí)控制器輸出被禁止。該端可與保護(hù)電路相連，以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。 1

48、1. output a（引腳 11）：輸出端 a。引腳 11 和引腳 14 是兩路互補(bǔ)輸出端。 12. ground(引腳 12)：信號(hào)地。 13. vc(引腳 13)：輸出級(jí)偏置電壓接入端。 14. output b（引腳 14）：輸出端 b。引腳 14 和引腳 11 是兩路互補(bǔ)輸出端。 15. vcc（引腳 15）：偏置電源接入端。 16. vref(引腳 16)：基準(zhǔn)電源輸出端。該端可輸出穩(wěn)定性極好的基準(zhǔn)電壓。 （2）sg3525 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 如圖 4.3 所示為 sg3525 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 21 頁(yè) sg3525 （3）sg3525 工作原理 sg35

49、25 內(nèi)置了 5.1v 精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無(wú)須外接分壓電組。sg3525 還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)同步，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在 ct 引腳和 discharge 引腳之間加入一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。由于 sg3525 內(nèi)部集成了軟啟動(dòng)電路，因此只需要一個(gè)外接定時(shí)電容。 sg3525 的軟啟動(dòng)接入端（引腳 8）上通常接一個(gè)軟啟動(dòng)電容。通電過(guò)程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動(dòng)電容接入端相連的 pwm 比較器反向輸入端處于低電平，pwm 比較器輸出高電平。此時(shí)，pwm 鎖存器的輸出也

50、為高電平，該高電平通過(guò)兩個(gè)或非門加到輸出晶體管上，使之無(wú)法導(dǎo)通。只有軟啟動(dòng)電容充電至其上的電壓使引腳 8 處于高電平時(shí)，sg3525 才開始工作。由于實(shí)際中，基準(zhǔn)電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致 pwm 比較器輸出為正的時(shí)間變長(zhǎng)，pwm 鎖存器輸出高電平的時(shí)間也變長(zhǎng)，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。 外接關(guān)斷信號(hào)對(duì)輸出級(jí)和軟啟動(dòng)電路都起作用。當(dāng) shutdown（引腳 10）上的圖 4.34.3 sg3

51、525sg3525 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 22 頁(yè)信號(hào)為高電平時(shí)，pwm 鎖存器將立即動(dòng)作，禁止 sg3525 的輸出，同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直到關(guān)斷信號(hào)結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動(dòng)過(guò)程。注意，shutdown 引腳不能懸空，應(yīng)通過(guò)接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號(hào)耦合而影響 sg3525 的正常工作。 欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級(jí)和軟啟動(dòng)電路。如果輸入電壓過(guò)低，在 sg3525 的輸出被關(guān)斷同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開始放電。 此外，sg3525 還具有以下功能，即無(wú)論因?yàn)槭裁丛蛟斐?pwm 脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個(gè)時(shí)

52、鐘信號(hào)到來(lái)，pwm 鎖存器才被復(fù)位。（4）pwm 控制的斬波器的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)工作原理，當(dāng)控制電壓改變時(shí)，pwm 變換器輸出電壓要到下一個(gè)周期才能發(fā)生改變，因此可以把其等效成為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，輸入量是脈沖電壓，輸出量是 pwm 變換器輸出電壓，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截止頻率滿足時(shí)（t 為開關(guān)周期時(shí)fu13ct間） ，將滯后環(huán)節(jié)近似成一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為： (4.1) pwm1kg sts為脈寬調(diào)制器和 pwm 變換器的放大系數(shù)pwmk4.2.2 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路就是將信息電子電路傳來(lái)的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 開關(guān)型功率器件的驅(qū)動(dòng)分為兩種形式：一是電流型驅(qū)動(dòng),如 gt

53、r ；二是電壓型驅(qū)動(dòng)，如功率 mosfet、igbt。無(wú)論是哪種驅(qū)動(dòng)電路，在設(shè)計(jì)時(shí)都必須考慮以下兩點(diǎn)：最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性和自動(dòng)快速保護(hù)。所謂最優(yōu)化特性就是以理想的控制極驅(qū)動(dòng)電流(或電壓、或兩者兼有) 去控制功率器件的開關(guān)過(guò)程，以提高開關(guān)速度、減小開關(guān)損耗；自動(dòng)快速保護(hù)則是在驅(qū)動(dòng)電路故障狀態(tài)下快速自動(dòng)地切斷控制極信號(hào)，避免功率管遭到損壞，在主回路故障狀態(tài)時(shí)能及時(shí)自動(dòng)切斷與主回路的聯(lián)系的能力。本文使用的驅(qū)動(dòng)芯片為 m57962，其管腳圖如圖 4.4 所示：遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 23 頁(yè)圖 4.44.4 m57962m57962 管腳圖管腳說(shuō)明：1 igbt 電流檢測(cè)端，接 igbt 的集

54、電極。2 盲區(qū)時(shí)間設(shè)定端。3 未連接。4 驅(qū)動(dòng)器的輔助電源 vp 的正端，vcc（+15v）。5 驅(qū)動(dòng)器輸出端，接 igbt 的柵極。6 驅(qū)動(dòng)器的輔助電源 vp 的負(fù)端，vee（-12v）。7 未連接。8 故障信號(hào)輸出端。9 短路保護(hù)后再次啟動(dòng)時(shí)間設(shè)定端。10 軟關(guān)斷時(shí)間設(shè)定端。11、12 空腳。13 信號(hào)輸入端地端(與 sg3525 共地)。14 信號(hào)輸入端。 勵(lì)磁控制系統(tǒng)硬件電路圖如圖 4.5：遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 24 頁(yè)圖 4.54.5 勵(lì)磁控制系統(tǒng)硬件電路圖4.3 機(jī)械功率輸出部分的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 作為該勵(lì)磁控制系統(tǒng)的機(jī)械功率輸出部分，筆者選用與同步發(fā)電機(jī)同軸的直流電動(dòng)機(jī)作

55、為該勵(lì)磁控制系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)。該直流電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)具體如下 額定功率-；p2.2kw 額定電壓-220；vv 額定電流-12.4；aa 額定轉(zhuǎn)速-1500 ；nr 額定勵(lì)磁電流 0.41。a直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的電壓平衡方程式為： （4.2）auei r 電樞反電勢(shì)為： eecn（4.3） 由以上兩式得轉(zhuǎn)速特性方程如下： （4.4）aeui rnc遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 25 頁(yè) 由式（4.3）可知直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式為電樞回路串電阻、減弱電機(jī)勵(lì)磁磁通、改變電動(dòng)機(jī)端電壓調(diào)速等三種。 在該勵(lì)磁控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，筆者用電樞回路串電阻的方法對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。 由式（4.3）可知隨著總電

56、阻 r 的增大，機(jī)械特性曲線斜率越大，機(jī)械特性越軟.若負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)所需的電樞電流為則負(fù)載大小不變時(shí)總電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。由ltali于電阻耗能大，機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍窄，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，只用于一些要求不高的場(chǎng)合。由于在該次實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用了變電阻調(diào)速的方式且直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，因此同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能得到有效的控制，勵(lì)磁控制系統(tǒng)所發(fā)出交流電的頻率不能得到保證，對(duì)頻率的控制也沒(méi)有作為本次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。其串電阻調(diào)速的作用只是保證了直流電機(jī)的安全啟動(dòng)。 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速電路如圖 4.7： 圖 4.74.7 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制電路圖遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 26 頁(yè)4.4 開關(guān)式并

57、勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)功率主回路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用4.4.1 降壓斬波電路簡(jiǎn)介 降壓斬波電路8（buck chopper）的工作原理和波形，如圖 4.8 所示。電路中是全控器件，圖中續(xù)流二極管是在關(guān)斷時(shí)，給負(fù)載續(xù)流的通道。qigbtvdq 由圖 4-8 b 中 q 的柵射電壓波形可知，在時(shí)刻處于導(dǎo)通狀態(tài)，電源給inv0t qinv負(fù)載提供電壓，負(fù)載電流呈凸曲線上升。0v0i 當(dāng)時(shí)，開關(guān)斷開，負(fù)載電流通過(guò)二極管給電路續(xù)流，負(fù)載電壓幾乎為零，1ttqvd負(fù)載電流呈凹曲線衰減。為了避免負(fù)載電流斷續(xù)，通常串接 l 值較大的電感。 一個(gè)周期 t 結(jié)束之后，再讓導(dǎo)通，重復(fù)上個(gè)周期的步驟。當(dāng)電路穩(wěn)定工作時(shí)，q在每個(gè)周期內(nèi)負(fù)載

58、電流平均值相等，如圖 2.1(c)所示。由此知電壓平均值為： (4.5)onon0inininonoffttvvvvttt式中，為 q 處于通態(tài)的時(shí)間；為 q 處于斷態(tài)的時(shí)間；t 為開關(guān)周期；為導(dǎo)ontofft通時(shí)間與周期時(shí)間之比，簡(jiǎn)稱占空比。由此可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值最大值ov為，若減小占空比，則隨之減小。因此稱為降壓斬波電路（也稱 buck 變換器）rlv0v 負(fù)載電流平均值： (4.6)00rlvvir 若負(fù)載中 l 值較小，則在關(guān)斷后，到了時(shí)刻，如圖 4.8c 所示，負(fù)載電流已衰q2t減至零，會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。 根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制

59、方式：1）保持開關(guān)周期 t 不變調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，稱為脈沖寬度調(diào)制（pulse ontwidth modulation，縮寫 pwm）或脈沖調(diào)寬型。2）保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開關(guān)周期 t，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。3）和 t 都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。ont遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 27 頁(yè)a a 原理圖 b b 電流連續(xù)時(shí)的波形 c c 電流斷續(xù)時(shí)的波形 圖 4.84.8 降壓斬波電路原理圖及波形4.4.2 功率回路分析主回路作為勵(lì)磁控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是對(duì) buck 電路的簡(jiǎn)單應(yīng)用，其執(zhí)行元件為igbt，主回路原理圖如圖 4.9 所示。遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第

60、28 頁(yè) 圖 4.94.9 控制主回路原理圖 作為一只電子開關(guān)，串接在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路中。勵(lì)磁變壓器原邊取自發(fā)電網(wǎng)電壓，lf 為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，電感量為 l，d1-d6 一構(gòu)成三相不可控整流橋，經(jīng)電容濾波后向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供直流電壓。 當(dāng) igbt 導(dǎo)通時(shí)，續(xù)流二極管 d 截止，轉(zhuǎn)子電流經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組、而增大。當(dāng) igbt 截止時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中的電流將減小。lf 中產(chǎn)生感應(yīng)電壓使續(xù)流二極管導(dǎo)通，給轉(zhuǎn)子續(xù)流，來(lái)維持轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流。當(dāng)增大量等于減少量時(shí)，lf 中的平均電流不變，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行工作狀態(tài)。勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流的計(jì)算： 為了保護(hù)系統(tǒng)安全，設(shè)三相不可控整流橋整流濾波后的直流電壓為，e40vu 的