電電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、工學(xué)電電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)工學(xué)電電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)姓名：學(xué)號(hào)：專業(yè)：專題：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)地點(diǎn)：電工電子實(shí)驗(yàn)中心2012年6月 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 專業(yè)年級(jí) 學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 任務(wù)下達(dá)日期：2012年6月5日設(shè)計(jì)日期：2012年6月11日 至2012年6月28日 設(shè)計(jì)專題題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求：直流調(diào)速系統(tǒng)憑借其優(yōu)良的調(diào)速性能在現(xiàn)場中得到了廣泛 使用，雖然交流電機(jī)得到了越來越多的使用，但直流調(diào)速系 統(tǒng)的理論完全適用于交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)附錄中提供的直流電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。要求該直流調(diào)

2、速系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、起制動(dòng)性能好、可四象 限運(yùn)行，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。1 .緒論介紹直流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及直流調(diào)速理論的發(fā)展2 .直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)（1）主電路采用的是：基于H橋的脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)；（2）根據(jù)附錄中所提供的直 流電機(jī)參數(shù)，對(duì)主電路中的功率器件進(jìn)行型號(hào)選擇，要求給 由選擇依據(jù)；（3）給由全控型器件IGBT驅(qū)動(dòng)電路的原理圖， 并對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的原理簡要說明；（3）根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選擇相應(yīng)的電壓、電流和溫度等傳感器，要求給由具體型號(hào)； （4）要求在主回路設(shè)計(jì)中需給由相應(yīng)的保護(hù)及緩沖電路。3 .直流調(diào)速系統(tǒng)的控制理論（1）給由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖；（2）根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)

3、和主回路參數(shù)，確 定動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的具體參數(shù)；（3）運(yùn)用工程化設(shè)計(jì)方法對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，要求必須給由限幅的具 體參數(shù)及依據(jù)；（4）根據(jù)設(shè)計(jì)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，要求給由 帶有內(nèi)外限幅的 PI調(diào)節(jié)器的模擬量電路圖； （5）給由直流 調(diào)速系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)框圖。4 .雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真（1）根據(jù)上述雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，建立Matlab仿真模型，并對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證；（2）運(yùn)用 Matlab/Simulink下的電機(jī)模型，建立基于電機(jī)模型的仿真模 型，并對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作由調(diào)整。5 .數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)（可選）（1）硬件設(shè)計(jì)： 根據(jù)所選數(shù)字處理器，進(jìn)

4、行相應(yīng)硬件電路的設(shè)計(jì)，要求包括PWM輸由、AD采樣及信號(hào)處理電路、編碼器接口等；（2）軟件設(shè)計(jì)：給由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的整體控制流程圖，并給由增量式PI調(diào)節(jié)器、數(shù)字測速的程序流程框圖。指導(dǎo)教師簽字：日期：摘 要 本設(shè)計(jì)通過分析直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，設(shè)計(jì) 由系統(tǒng)的電路原理圖。同時(shí)，采用工程設(shè)計(jì)的方法對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流 和轉(zhuǎn)速兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后將整 個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器。遵從確定時(shí)間常數(shù)、選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、 校驗(yàn)近似條件的步驟一步一步的實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)。之后，再對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)過程進(jìn)行分析，以了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)

5、 性能。最后用Matlab軟件中的simulink模塊對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn) 行模擬仿真，得由仿真波形。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)，晶閘管，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器，Simulink目 錄 1.設(shè)計(jì)目的、任務(wù)及要求 1 1.1課程設(shè)計(jì)的目的1 1.2課程設(shè)計(jì)任務(wù)1 1.3課程設(shè)計(jì)的要求1 2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2 2.1具有代表性的直流調(diào)速產(chǎn)品2 2.1.1產(chǎn)品介紹2 2.1.2產(chǎn)品設(shè)計(jì)2 2.2主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇3 2.2.1直流調(diào)速系統(tǒng)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4 2.3數(shù)字處理器的選擇4 2.3.1數(shù)字處理器的概要 42.3.2產(chǎn)品的特征 5 2.3.3芯片管腳圖 5 2.3.4 NJU26060-03A 原理圖6 3.

6、直流調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)6 3.1轉(zhuǎn)速給定電路設(shè)計(jì)7 3.2轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計(jì)7 3.3電流檢測電路設(shè)計(jì) 8 3.4整流及晶閘管保護(hù)電路設(shè)計(jì)8 3.4.1過電壓保護(hù)和du/出限制9 3.4.2過電流保護(hù)和di/dt限制9 3.4.3整流電路參數(shù)計(jì)算10 3.5電源設(shè)計(jì)11 3.6控制電路設(shè)計(jì)12 3.7參數(shù)計(jì)算13 3.7.1 確定時(shí)間常數(shù)13 3.7.2選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)14 3.7.3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)14 3.8轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)15 3.8.1確定時(shí)間15 3.8.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)15 3.8.3計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)153.9工程化校驗(yàn)及限幅15 3.9.1電流校驗(yàn)環(huán)節(jié)及限幅15 3.9

7、.2電壓校驗(yàn)環(huán)節(jié)及限幅16 3.10檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量17 4雙閉環(huán)直 流調(diào)速系統(tǒng)的 Matlab仿真17 5數(shù)字控制器的設(shè)計(jì) 20 5.1硬 件設(shè)計(jì)20 5.2軟件設(shè)計(jì)21 5.2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的整體 控制流程圖21 5.2.2數(shù)字控制器PI的程序流程框圖21 6個(gè) 人小結(jié)23參考文獻(xiàn)24附錄25徐海學(xué)院09級(jí)電力拖動(dòng) 與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)目的、任務(wù)及要求1.1課程設(shè)計(jì)的目的課程設(shè)計(jì)是教學(xué)計(jì)劃規(guī)定的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是一個(gè)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的過程。本課程設(shè)計(jì)不僅需要控制理論、程序設(shè)計(jì)等方面的基礎(chǔ)知 識(shí)，而且還需要具備一定的生產(chǎn)工藝知識(shí)設(shè)計(jì)包括確定控制任務(wù)、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、硬件系

8、統(tǒng)設(shè) 計(jì)、控制軟件的設(shè)計(jì)等，以便使學(xué)生掌握微型計(jì)算機(jī)控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路和方法。1.2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)試設(shè)計(jì)一雙閉環(huán)V-M直流調(diào)速系統(tǒng)。采用三相橋式全控整流電路，二次相電壓有效值。已知直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：Pe=3.7kW, Ue=220V, Ie=20A , ne=1000r/min ,主回路總電阻等于電樞繞組電阻，即=1.5,電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)TL=0.018s ,系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm=0.080s,電動(dòng)勢系數(shù)C=0.206/ (r.min-1),轉(zhuǎn)速和電流給定電壓最大值分別為。1.3 課程設(shè)計(jì)的要求 直流調(diào)速系統(tǒng)憑借其優(yōu)良的調(diào)速性能在現(xiàn)場中得到了廣泛使用，雖然交流電機(jī)得到了越來越多 的

9、使用，但直流調(diào)速系統(tǒng)的理論完全適用于交流電機(jī)調(diào)速系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)附錄中提供的直流電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。要求該直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、起制動(dòng)性能好、可四象限運(yùn)行。按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，要求調(diào)速系統(tǒng)的電流超調(diào)量(T%< % ,空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量0% < 10喊過渡過程時(shí)間Ts 2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 2.1具有代表性的直流調(diào)速產(chǎn)品 SIMOREG DC-MASTER 6RA70 2.1.1 產(chǎn)品介紹 最新推由的SIMOREG DC Master 6RA70 系列全數(shù)字直流調(diào) 速產(chǎn)品，在6RA24產(chǎn)品的基礎(chǔ)上更具有以下特點(diǎn)：1.單臺(tái)裝 置輸由額定電樞電流：15

10、A3000A,額定勵(lì)磁電流: 3A85A。裝置并聯(lián)后輸由額定電樞電流可達(dá)12000A o2 . 輸入電壓分為 6 個(gè)等級(jí)：400V/460V/575V/690V/830V/950V 。3 .強(qiáng)大的通訊能力。有SIMOLINK 高速直接的裝置 -裝置通訊，還可支持 PROFIBUS、CAN-BUS、DeviceNet、USS 協(xié)議等。4 .所有工藝板，通訊板及 OP1S操作面板都可與新一代 的SIMOVERT MASTERDRIVES 矢量控制交流調(diào)速產(chǎn)品通 用。5 .1.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì) 6RA70 SIMOREG DC MASTER 系列整 流器以其緊湊和節(jié)省空間的結(jié)構(gòu)為特色，由于各個(gè)的部件容

11、易接近，其緊湊式設(shè)計(jì)使他們特別容易保養(yǎng)與維護(hù)，電子板 箱包含基本電子板和任何附加板。所有SIMOREG DC MASTER裝置均配備一個(gè)安裝在整 流器門上的簡易操作面板 PMU,面板由一個(gè)5位，7段顯示， 作為狀態(tài)顯示三個(gè) LED和三個(gè)參數(shù)設(shè)置鍵組成。PMU還具有根據(jù)RS232或RS485標(biāo)準(zhǔn)同USS接口的連接器X300操作面板提供了為了啟動(dòng)整流器所需進(jìn)行的調(diào)整和設(shè)定 及測量值顯示的所有工具。OP1S整流器選件操作面板既可以安裝在整流器門上，又可外部安裝，例如在柜門上。因此，他可以通過一根 5米長電纜連接。如果有一個(gè)獨(dú)立的5V電源可以使用，則電纜可長至50米。OP1S 通過 X300 連接到

12、SIMOREG。OP1S可以作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)的測量儀器安裝在控制柜，用來 顯示一定數(shù)量的物理測量值。OP1S提供一個(gè)4 X 16字符的LCD以簡單文字顯示參 數(shù)名稱，可以選擇德語，英語，法語，西班牙語和意大利語 作為顯示語種。為了容易地下載參數(shù)到其他裝置，OP1S可以存儲(chǔ)參數(shù)組。通過基本單元上的串行接口，應(yīng)用適當(dāng)?shù)能浖瑯?biāo)準(zhǔn)的PC機(jī)也可以對(duì)整流器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。這個(gè)PC接口可用在啟動(dòng)、停機(jī)維護(hù)和運(yùn)行診斷過程中。止匕外，整流器的軟件升級(jí)可通過這個(gè)接口，裝載存儲(chǔ)到 閃存中。單象限工作的整流器，電樞由三相全控橋 B6C供電，四 象限工作整流器通過兩個(gè)三相全控橋 (B6)A(B6)C無環(huán)流反 并聯(lián)連接電路供

13、電。勵(lì)磁供電采用2脈沖單相半控橋方案 B2HZ。電樞和勵(lì)磁的供電頻率可以不相同（在4565Hz范圍之內(nèi)），工作在擴(kuò)大的頻率范圍 23Hz110Hz需詢問。電樞回路的供電相序不要求。對(duì)于額定直流電流為15850A（在400V 電源電壓時(shí)1200A）的整流器，電樞和勵(lì)磁的功率單元采用獨(dú)立晶閘管模 塊結(jié)構(gòu)，散熱器是絕緣的。對(duì)于高于上述額定電流的整流器，電樞回路的功率單元由 平板式晶閘管和散熱器構(gòu)成（晶閘管組件），其外部是帶電的。機(jī)箱和電源聯(lián)接處的端子蓋為在附近工作的操作人員提 供意外觸電保護(hù)，所有的接線均位于正面。功率單元的冷卻系統(tǒng)通過溫度傳感器來監(jiān)控。進(jìn)線電壓為460V的裝置的特點(diǎn) ？該系列裝置額

14、定直流 電流為30A1200A. ?額定直流電流為 450A1200A 的裝置 用一臺(tái)單相風(fēng)機(jī)。?額定直流電流為 60A850A的裝置功率端子在裝置的 下部和頂部。按UL 508C標(biāo)準(zhǔn)將 SIMOREG 裝置安裝在柜中 ？當(dāng)裝 置裝入一個(gè)柜（外殼）中，柜體必須通風(fēng)且設(shè)計(jì)為1型”。?柜體（外殼）最小尺寸為 600mm（寬）x 600mm（深）X 2200mm（高）。2.2主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇 三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動(dòng)機(jī)供電。檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測，轉(zhuǎn)速檢測用 數(shù)字測速。微機(jī)控制具備故障檢測功能，對(duì)電壓、

15、電流、溫度等信號(hào) 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和報(bào)警。一般選用專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的單片微機(jī)，配以顯示、鍵盤 等外圍電路，通過通信接口與上位機(jī)或其他外設(shè)交換數(shù)據(jù)。2.2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖2.3數(shù)字處理器的選擇 數(shù)字處理器，又稱為音頻處理器。數(shù)字處理器就是對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，其內(nèi)部的構(gòu)普遍是由 輸入部分和輸由部分組成，其中屬于音頻處理部分的功能一 般如下：輸入部分一般會(huì)包括，輸入增益控制（INPUTGAIN ）,輸入 均衡（若干段參數(shù)均衡）調(diào)節(jié)（INPUT EQ）,輸入端延時(shí)調(diào)節(jié) （INPUT DELAY）,輸入極性（也就是大家說的相位）轉(zhuǎn)換 （input pola

16、rity）等功能。而輸由部分一般有信號(hào)輸入分配路由選擇（ ROUNT）,高 通濾波器（HPF），低通濾波器（LPF）,均衡器（OUTPUTEQ ）, 極性（polarity ）,增益（GAIN ）,延時(shí)（DELAY ）,限幅器啟 動(dòng)電平（LIMIT ）等功能。2.3.1 數(shù)字處理器的概要產(chǎn)品名稱:NJU26060-03A 功能名稱：PWM輸生的數(shù)字信號(hào)處理器NJU26060-03A是搭載有采樣率轉(zhuǎn)換器（SRC）、PWM調(diào)制器，作為聲音處理的24bit DSP。止匕DSP具有SRS音響技術(shù)的TruVolume和 WOW HD功能， 并通過 TruVolume能夠進(jìn)行自然的動(dòng)態(tài)范圍壓縮，通過 WO

17、W HD能夠獲得有臨場感的 3D音響效果。NJU26060-03A最適合于揚(yáng)聲器系統(tǒng)、組合音響、電視等 有立體聲輸由的音響設(shè)備。2.3.2 產(chǎn)品的特征 硬件,24bit固定小數(shù)點(diǎn)的數(shù)字信號(hào) 處理器 酬卜部時(shí)鐘頻率 （內(nèi)置24.576MHz、 PLL） 哪樣率 轉(zhuǎn)換器（SRC） （Fs=8kHz 192kHz - 48kHz） PWM 調(diào)制器 （4ch （立體聲2系統(tǒng)）輸由）數(shù)字接口發(fā)射器（DIT） （1端口 輸由）數(shù)字音頻接口 （3輸入端口、2輸由端口（由PWM輸 由來切換）數(shù)字音頻格式 （I2S 24bit、對(duì)應(yīng)左對(duì)齊和右對(duì) 齊、BCK:32/64fs）對(duì)做主/從模式（采樣率轉(zhuǎn)換器： 從屬工

18、作/DSP:主工作（fs=48kHz） 主接口 （I2C 總線接口 （Fast-mode/400kbps） 乍電源（3.3V） 輸入端子容許電壓 （承受5V電壓）3寸裝 （SSOP44（Pb-Free） 軟件SRS TruVolume SRS WOW HD 主音量 看門狗時(shí)鐘輸由2.3.3 芯片管腳圖 NJU26060-03A 管腳圖 2.3.4 NJU26060-03A原理圖 NJU26060-03A 原理圖 3.直流調(diào)速系 統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì) 主電路就是在電力電子裝置中，起到能量變換和傳遞作用的部分。它具有高電壓、大電流的特點(diǎn)。3.1轉(zhuǎn)速給定電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速給定電路主要由滑動(dòng)變阻器構(gòu)成，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變

19、阻器即可獲得相應(yīng)大小的給定信號(hào)。轉(zhuǎn)速給定電路可以產(chǎn)生幅值可調(diào)和極性可變的階躍給定 電壓或可平滑調(diào)節(jié)的給定電壓。其電路原理圖如圖3.1所示。圖3.1轉(zhuǎn)速給定電路原理圖3.2轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為與轉(zhuǎn)速稱正比 的電壓信號(hào)，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反 饋信號(hào)。轉(zhuǎn)速檢測電路主要由測速發(fā)電機(jī)組成，將測速發(fā)電機(jī)與直 流電動(dòng)機(jī)同軸連接，測速發(fā)電機(jī)輸由端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正 比的電壓信號(hào)，經(jīng)過濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反 饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖3.2所示。圖3.2轉(zhuǎn)速檢測電路原理圖3.3電流檢測電路設(shè)計(jì)電流檢測電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流 信

20、號(hào)，經(jīng)過濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。該電路主要由電流互感器構(gòu)成，將電流互感器接于主電路 中，在輸由端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，起 到電氣隔離的作用。其電路原理圖如圖3.3所示。圖3.3電流檢測電路原理圖 3.4整流及晶閘管保護(hù)電路 設(shè)計(jì) 整流電路如圖3.4所示，在整流電路中主要是晶閘管的 保護(hù)問題。晶閘管具有許多優(yōu)點(diǎn)，但它屬于半導(dǎo)體器件，因此具有半 導(dǎo)體器件共有的弱點(diǎn)，承受過電壓和過電流的能力差，很短 時(shí)間的過電壓和過電流就會(huì)造成元件的損壞。為了使晶閘管裝置能長期可靠運(yùn)行，除了合理選擇元件外，還須針對(duì)元件工作的條件設(shè)置恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。晶閘管主要需要四種保護(hù)：過電壓保護(hù)和du/dt限

21、制，過電流保護(hù)和 di/dt限制。圖3.4整流電路及晶閘管保護(hù)電路3.4.1過電壓保護(hù)和du/dt限制 凡是超過晶閘管正常工作是承受的最大峰值電壓 的都算過電壓。產(chǎn)生過壓的原因是電路中電感元件聚集的能量驟然釋放 或是外界侵入電路的大量電荷累積。按過壓保護(hù)的部位來分，有交流側(cè)保護(hù)，直流側(cè)保護(hù)和元件保護(hù)。元件保護(hù)主要是通過阻容吸收電路，連線如圖4.4所示阻容吸收電路的參數(shù)計(jì)算式根據(jù)變壓器鐵芯磁場釋放由 來的能量轉(zhuǎn)化為電容器電場的能量存儲(chǔ)起來為依據(jù)的。由于電容兩端的電壓不能突變，所以可以有效的抑制尖峰 過電壓。串阻的目的是為了在能量轉(zhuǎn)化過程中能消耗一部分能量， 并且抑制LC回路的振蕩。3.4.2過電

22、流保護(hù)和 di/dt限制 由于晶閘管的熱容量很 小，一旦發(fā)生過電流時(shí)，溫度就會(huì)急劇上升可能燒壞 PN結(jié), 造成元件內(nèi)部短路或開路。晶閘管發(fā)生過電流的原因主要有：負(fù)載端過載或短路；莫個(gè)晶閘管被擊穿短路，造成其他元件 的過電流；觸發(fā)電路工作不正?；蚴芨蓴_，使晶閘管誤觸發(fā)，引起過電流。晶閘管允許在短時(shí)間內(nèi)承受一定的過電流，所以過電流保 護(hù)作用就在于當(dāng)過電流發(fā)生時(shí)，在允許的時(shí)間內(nèi)將過電流切 斷，以防止元件損壞。晶閘管過電流的保護(hù)措施有下列幾種：1.快速熔斷器 普通熔斷絲由于熔斷時(shí)間長，用來保護(hù)晶閘 管很可能在晶閘管燒壞之后熔斷器還沒有熔斷，這樣就起不 了保護(hù)作用。因此必須采用專用于保護(hù)晶閘管的快速熔斷

23、器?？焖偃蹟嗥饔玫氖倾y質(zhì)熔絲，在同樣的過電流倍數(shù)下，它可以在晶閘管損壞之前熔斷，這是晶閘管過電流保護(hù)的主要 措施。2.硒堆保護(hù) 硒堆是一種非線性電阻元件，具有較陡的反 向特性。當(dāng)硒堆上電壓超過莫一數(shù)值后，它的電阻迅速減小，而且 可以通過較大的電流，把過電壓的能量消耗在非線性電阻 上，而硒堆并不損壞。硒堆可以單獨(dú)使用，也可以和阻容元件并聯(lián)使用。本系統(tǒng)采用快速熔斷器對(duì)可控硅進(jìn)行過流保護(hù)。3.4.3整流電路參數(shù)計(jì)算（1）的計(jì)算 一負(fù)載要求的整流電路輸生的最大值； 一晶閘管正向壓降，其數(shù)值為 0.4-1.2V,通常??；n主電路中電流回路晶閘管的個(gè)數(shù)； A 一理想情況下時(shí)，整流輸由電壓與變壓器二次側(cè)相電

24、壓之 比；C線路接線方式系數(shù)；一電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，通常??；一最小控制角，通常不可逆?。灰蛔儔浩鞫搪冯妷罕?，100Kv以下的??；一變壓器二次側(cè)實(shí)際工作電流額定電流之比；已知，取、，查表得，取 ”,查表得代入上式得：,應(yīng)用式，查表得，取，取，電壓比 （2） 一次和二次 向電流和的計(jì)算 由式得，由表得 一考慮勵(lì)磁電流和變壓 器的變比K,根據(jù)以上兩式得：（3）變壓器的容量計(jì)算 （4）晶閘管參數(shù)選擇 由整流輸由電 壓，進(jìn)線線電壓為 100V,晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器二次線電壓的電壓峰值，即：,晶閘管承受的最大正向電壓是線電壓的一半，即:O考慮安全裕量，選擇電壓裕量為2倍關(guān)系，電流裕量為1.5 倍

25、關(guān)系，所以晶閘管的額定容量參數(shù)選擇為：3.5電源設(shè)計(jì) 該模塊的主要功能是為轉(zhuǎn)速給定電路提供電源，眾所周知，電源是一切電路的心臟，其性能在很大程度 上影響著整個(gè)電路的性能。為使系統(tǒng)很好的工作，本文特設(shè)計(jì)一款M5V的直流穩(wěn)壓電源供電，其電路圖如圖 3.5所示。直流穩(wěn)壓電源主要由兩部分組成：整流電路和濾波電路。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)ㄗ饔?，因此二極管是組成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率（1KW）整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計(jì)采用橋式整流電路，其主要特點(diǎn)如下：輸由電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低

26、，電源變壓器充分利用，效率高。圖3.5 =d5V電源電路原理圖 濾波電路用于濾去整流輸 由電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩側(cè)并聯(lián)電容器；或在整流電路輸由端與負(fù)載間串聯(lián)電感L,以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。3.6控制電路設(shè)計(jì) 本控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)結(jié) 構(gòu)，其原理圖如圖3.6所示。圖3.6雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖為了獲得良好的靜動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。圖4.7中標(biāo)生了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入輸生的實(shí)際極性，他們 是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)由的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖3.7為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖3.8為雙

27、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。ACR和ASR的輸入、輸由信號(hào)的極性，主要視觸發(fā)電路 對(duì)控制電壓的要求而定。若觸發(fā)器要求 ACR的輸由Uct為正極性，由于調(diào)節(jié)器一 般為反向輸入，則要求 ACR的輸入U(xiǎn)i*為負(fù)極性，所以，要 求ASR輸入的給定電壓 Un*為正極性。本文基于這種思想進(jìn)行 ASR和ACR設(shè)計(jì)。圖3.7雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖3.8雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.7參數(shù)計(jì)算3.7.1確定時(shí)間常數(shù) （1）脈寬 調(diào)制器和 PWM變換器的滯后時(shí)間常數(shù)與傳遞函數(shù)的計(jì)算 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流為啟動(dòng)電流與額定電流比為晶體管放大區(qū)的時(shí)間常數(shù)為 電流上升時(shí)間的計(jì)算公式為取=2則電 流下降時(shí)間的計(jì)算公式為 又 最

28、佳開關(guān)頻率為 開關(guān)頻率f 選為5.5kHz,此開關(guān)頻率已能滿足電流連續(xù)的要求。于是開關(guān)周期脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)為于是可得脈寬調(diào)制器和 PWM變換器的傳遞函數(shù)為（2）電流濾波時(shí)間常數(shù) 取1.5ms （3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取=Ts+Toi=0.00168s。3.7.2 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用 PI型調(diào)節(jié)器3.7.3 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：O電流開環(huán)增益：要求時(shí)，取，因此 于是，ACR的比例系數(shù)為 3.8轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)3.8.1確定時(shí)間

29、（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。由前述已知，則 （2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，根據(jù)所用測 速發(fā)電機(jī)紋波情況，取.（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取3.8.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按典型n型系統(tǒng)一選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為：3.7.4 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為 則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增 益可得ASR的比例系數(shù)為 3.9工程化校驗(yàn)及限幅 3.9.1電流校驗(yàn)環(huán)節(jié)及限幅1.校驗(yàn)：電流環(huán)截止頻率：(1) PWM裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。(2)忽略反電動(dòng)勢變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件滿足近似條件。(3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件

30、。電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：,也滿足設(shè)計(jì)要求。2.限幅：按所用運(yùn)算放大器取 R0=40k ,各電阻和電容值為：,取，取3.9.2電壓校驗(yàn)環(huán)節(jié)及限幅1.校驗(yàn) 轉(zhuǎn)速截止頻率為：(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：滿足簡化條件。(2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：滿足近似條件。2.限幅 根據(jù)圖2-10所示，取，則 取，取3.10檢驗(yàn)轉(zhuǎn) 速超調(diào)量 當(dāng)h=5時(shí)，不能滿足要求.按ASR退飽和的情況 計(jì)算超調(diào)量：調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降：為基準(zhǔn)值，對(duì)應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速。計(jì)算得：4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真由于本文只進(jìn)行了理論性設(shè)計(jì)，故在系統(tǒng)安裝與調(diào)試階段只對(duì)控制電路部分進(jìn) 行了 MATLAB仿

31、真，以分析直流電機(jī)的啟動(dòng)特性。采用MATLAB中的simulink工具箱對(duì)系統(tǒng)在階躍輸入和 負(fù)載擾動(dòng)情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(主要為轉(zhuǎn)速和電樞電流)進(jìn)行 仿真。仿真可采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法或面向電氣系統(tǒng)原 理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法，本文采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法。系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 在仿真過程中，Matlab設(shè)置很多 不同的算法，而不同的算法，對(duì)仿真由來波形影響很大。對(duì)于用數(shù)值方法求解常系數(shù)微分方程 (Ordinary Differential Equation,簡寫為ODE)或微分方程組，MATLAB提供了七種 解函數(shù)，最常用的是 ODE45。ode45可用于求解一般的

32、微分方程，他采用四階、五階龍 格-庫塔法。仿真結(jié)果如圖4.2-4.3所示。圖4.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果圖上部為電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，中部為擾動(dòng)電流曲線，下部為電機(jī)電流曲線。加電流啟動(dòng)時(shí)電流環(huán)將電機(jī)速度提高，并且保持為最大電 流，而此時(shí)速度環(huán)則不起作用，使轉(zhuǎn)速隨時(shí)間線性變化，上 升到飽和狀態(tài)。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，轉(zhuǎn)速換起主要作用，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。在第二秒時(shí)，外加一擾動(dòng)信號(hào)，此時(shí)轉(zhuǎn)速受擾動(dòng)信號(hào)影響有所下降，但因?yàn)檗D(zhuǎn)速環(huán)的作用重新將轉(zhuǎn)速拉入穩(wěn)定值。圖4.3轉(zhuǎn)速開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果圖上部為轉(zhuǎn)速曲線，下部為電流曲線。因?yàn)殚_環(huán)系統(tǒng)中沒有反饋信號(hào)，而電機(jī)在帶載的一瞬間要 有一個(gè)做功的過程，也就是建立系統(tǒng)帶載狀態(tài)下的穩(wěn)

33、定狀態(tài) 的過程，這部分功需要增大電機(jī)的電流來補(bǔ)償，同時(shí)也會(huì)犧 牲一部分動(dòng)能，也就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以產(chǎn)生了靜態(tài)速降。5數(shù)字控制器的設(shè)計(jì) 5.1硬件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)原理我們?cè)O(shè) 計(jì)了數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示,系統(tǒng)的特點(diǎn)：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機(jī)控制；全數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測；采用數(shù)字PI算法。由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)由主電路、檢測電路、控制電路、給定電路、顯示電路組成。主電路：三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流 PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓， 給直流電動(dòng) 機(jī)供電。檢測回路：包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測。電壓、電流和溫度檢測由A/D

34、轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)；轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速（光電碼盤）。故障綜合: 利用微機(jī)擁有強(qiáng)大的邏輯判斷功能，對(duì)電壓、電流、溫度等 信號(hào)進(jìn)行分析比較，若發(fā)生故障立即進(jìn)行故障診斷，以便及 時(shí)處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。這也是采用微機(jī)控制的優(yōu)勢所在。圖2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖5.2軟件設(shè)計(jì)5.2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的整體控制流 程圖系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)總體流程圖為了使微機(jī)控制系統(tǒng)各種硬件設(shè)備能夠正常運(yùn)行，有效實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)控 制和管 理，除了要設(shè)計(jì)合理的硬件電路，還必須要有高質(zhì) 量的軟件支持。因此，用匯編或其他高級(jí)語言編寫電機(jī)微機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中十分重要

35、的內(nèi)容。本系統(tǒng)采用 8051單片機(jī)生成 PWM信號(hào)，同時(shí)用 8051 代替了直流電動(dòng)機(jī)雙環(huán)調(diào)速裝置中的電流和轉(zhuǎn)速控制器。整個(gè)控制程序由主程序、 外中斷服務(wù)程序、PI運(yùn)算程序及 各種輔助程序組成，程序總長 小于4K字節(jié)，運(yùn)行一遍的 時(shí)間小于3.33ms。5.2.2數(shù)字控制器PI的程序流程框圖圖5.2.2增量式數(shù) 字PI調(diào)節(jié)器程序框圖 增量式PI程序：Fosc=12MHZ ,用一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)50ms,用R2作計(jì) 數(shù)器，置初值14H,到定時(shí)時(shí)間后產(chǎn)生中斷，每執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序，讓計(jì)數(shù)器內(nèi)容減 1,當(dāng)計(jì)數(shù)器內(nèi)容減為 0時(shí),則到1s。PI 控制算法 U =U +K (e -e )+(K *T/T )* ei 令 P=KP I=KP *T/TI 則 U =U +P(e -e )+I* ei T 采樣周期 Ti=RnCn Kp=Rn/R0 6個(gè)人小結(jié) 通過這次課把