轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設計專業(yè)課程設計報告格式要點

1、專業(yè)課程設計報告（級本科）題 目：轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設計學院：學院專業(yè)：班級：姓名：學號：同組同學：設計時間：評定成績：指導教師：年 月大學專業(yè)課程設計任務書課程名稱專業(yè)課程設計課程代碼15設計題目（可以采用晶閘管整流器 -電動機系統(tǒng),也可以采用直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)）設計時間年 月 日年 月 日專學院學院班級業(yè)課程設計任務、具體技術參數(shù)課程設計任務:1. 確定控制系統(tǒng)方案主電路選用直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案2. 確定每一級的具體技術指標（如放大倍數(shù)、輸入輸出電阻、電源電壓等）在這里，首先設計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中

2、的一個環(huán)節(jié)， 再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)Toi按需要選定,以濾平電流檢測信號為準。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號 的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)， 稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波,濾波時間常數(shù)用Ton表示，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù) 為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。2.1電流環(huán)的設計確定時間常數(shù)整流裝置之后時間常數(shù)Ts三相橋式電路的平均失控

3、時間Ts=0.0017s電流濾波時間常數(shù)Toi。為了基本濾平波頭。因此取 Toi=2ms=0.02s。電流環(huán)小時間常數(shù)之和 T i。按小時間常數(shù)近似處理，取T j=Ts+Toi=0.0037s=（2）選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設計要求i % 5%并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按照典型I型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為Wacr s Ki iS 1 1.0130.03S 1is0.03s>含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器(3)選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)要求i%5% 時，應取 KiT i 0.5，因此 KI Tl T i0.5 0.00371135.1s于是，KiKiiR 13

4、5" °.°3 °.51.013。Ks0.0540(4)校驗近似條件要求要求1ci11要求1180.8s現(xiàn)-11 s 1196.1s 1 ci。ci 0ci計算電流調(diào)節(jié)器電阻和電容取R040k ，則RnKnR。1.013 40k40.52k取Rn40kCiiRi0.03 F 3廠 40 1030.75 F取 0.75Coi4Toi4 0.00240 103106 F0.2 F取 0.2 F按照上述參數(shù),電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為i%4.3%5%，故滿足設計要求。2.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設計(1)確定時間常數(shù)T°n0.0174s。UtO按跟隨和抗擾性能都較

5、好的原則，取h 5，則hT n 5 0.0174s 0.087sKnh 12h2T6 225 0.01742 S396.4s 2則 KnCeTm6 0.05 0.1322h RT n10 0.007 0.5 0.174°1811.7電流環(huán)等效時間常數(shù)為2T i 0.0074s。根據(jù)所用發(fā)電機紋波情況，取轉(zhuǎn)速濾波時 間常數(shù)Ton 0.01s。轉(zhuǎn)速小時間常數(shù)近似處理，取 T n 2T i(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 WasrSiA卜十+含給定濾波與反饋濾波的 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(3) 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)(4) 檢驗近似條件要求cn要求,KcnN n39

6、6.4 0.087s 134.5s 1。KiKI，現(xiàn) 11135.113；0.0037S 63.7 Scn。滿足簡化條件iV135"s1 38.7s13，0.01cn 3 . TO/ 現(xiàn) 33 MT ;cn滿足近似條件計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取R040k ，則RnCnConKnR011.7 40 k0.087R,470 103106468 k取 R, 468 k0.185 F 取 0.2 F4Ton 4 0.01可 40 103106(6)校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量n%CmaxCbnNz n NTm當h 5時,CmaxCbInR81'2%，而 nNCe136 0.5r min 515.2r

7、min，因此0.132n%81.2%2 1.5 5152°.01741600 0.187.66%10%(7)校驗過渡過程時間空載起動到額定轉(zhuǎn)速的過渡過程時間tst2 t t2CeTmnN°18R In02 200 s 0.12s8 2.03 3.7可見能滿足設計要求。3. 靜態(tài)設計該系統(tǒng)是屬于雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其中具有轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為外環(huán)，還有就是電流環(huán)，這 里稱為內(nèi)環(huán)，外環(huán)由測速機采集信號經(jīng)過反饋系數(shù)得到電壓信號反饋給asr，內(nèi)環(huán)我們這里采用直流PWM控制系統(tǒng)相結(jié)合，其中脈寬調(diào)速系統(tǒng)由調(diào)制波發(fā)生器 GM、脈寬調(diào) 制器UPM、邏輯延時環(huán)節(jié)DLD以及絕緣柵雙極性晶體管的 GD和脈寬

8、調(diào)制變換器組成。 直流PWM控制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速系統(tǒng)控制系統(tǒng)，與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū) 別在于用直流PWM變換器取代了晶閘管交流裝置，作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動器。脈寬調(diào)制 器是有一個運算放大器和幾個輸入信號構(gòu)成電壓比較器。運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)， 在電流調(diào)節(jié)器輸出的控制信號的控制下，產(chǎn)生一個等幅、寬度受Uc控制的方波脈沖序列，為PWM提供所需要的脈沖信號。邏輯延時環(huán)節(jié)DLD保證在一個管子發(fā)出關斷脈沖 時，經(jīng)延時后再發(fā)出對另一個管子的開通脈沖，在延時環(huán)節(jié)中引入瞬時動作限流保護 FA 信號，一旦橋臂電流超過允許最大電流值時， 使工作管子同時封鎖，以保護電力晶體管。*UiASR U iACR +

9、 卄-1RUc UPE Ud01-IdEUKs1/CeUn雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當 負載電流達到Idm 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn) 為電流無靜差，得到過電流的自動保護。4. 動態(tài)設計在動態(tài)系統(tǒng)中為了改善系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，我們設置調(diào)節(jié)器，包括給定信號的跟隨性指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。在跟隨性能指標包括上升時間tr，超調(diào)量與C max C峰值時間tp，并且有式子 100%，調(diào)節(jié)時間ts?？箶_性能指標包括動態(tài)降C落C max和恢復時間tv。該系統(tǒng)是屬于雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其中具有轉(zhuǎn)速環(huán)，

10、稱為外環(huán)，還有就是電流環(huán)，這里稱為內(nèi)環(huán)，外環(huán)由測速機采集信號經(jīng)過反饋系數(shù)得到電壓信號反饋給ASR，內(nèi)環(huán)我們這里采用直流PWM控制系統(tǒng)相結(jié)合，其中脈寬調(diào)速系統(tǒng)由調(diào)制波發(fā)生器GM、脈寬調(diào)制器UPM、邏輯延時環(huán)節(jié)DLD以及絕緣柵雙極性晶體管的 GD和脈寬調(diào)制變換器組成。 直流PWM控制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速系統(tǒng)控制系統(tǒng)，與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū) 別在于用直流PWM變換器取代了晶閘管交流裝置，作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動器。脈寬調(diào)制 器是有一個運算放大器和幾個輸入信號構(gòu)成電壓比較器。運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)， 在電流調(diào)節(jié)器輸出的控制信號的控制下，產(chǎn)生一個等幅、寬度受Uc控制的方波脈沖序列，為PWM提供所需要的

11、脈沖信號。邏輯延時環(huán)節(jié)DLD保證在一個管子發(fā)出關斷脈沖 時，經(jīng)延時后再發(fā)出對另一個管子的開通脈沖，在延時環(huán)節(jié)中引入瞬時動作限流保護 FA 信號，一旦橋臂電流超過允許最大電流值時， 使工作管子同時封鎖，以保護電力晶體管。5. 仿真研究使用Matlab中的simulink來繪制轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，對其進行仿真， 通過計算選擇ASR和ACR兩個調(diào)節(jié)器PI參數(shù)，來使設計的系統(tǒng)達到完善，進而通過示 波器模塊的圖像顯示出來的波形來確定系統(tǒng)的設計。6. 實驗研究通過實驗來驗證雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，并掌握其組成原理及主要單元部件的工作 原理，實驗中應用PWM變換器和集成電路SG3525,調(diào)試控制

12、單元，經(jīng)過一系列的努力 以及各個模塊的搭建，最終使得當調(diào)節(jié)不同占空比時，電動機運動方向不同。1時,211為正，電動機正轉(zhuǎn)， -時， 為負，電動機反轉(zhuǎn)，-時，=0，電動機停止。227撰寫報告通過這次雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的課程設計，對自己學習運動控制系統(tǒng)有了較深刻 的認識。我認識到不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后 一一進行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘， 而不是知難而退，那樣永遠不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠不可能得到社會及他人 對你的認可！課程設計給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時，設計讓

13、我感觸很深。使我對抽象的理論有了具體的認識。我認為， 在這學期的實驗中，不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有 了提高。更重要的是，在實驗課上，我們學會了很多學習的方法。而這是日后最實用的， 真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學習、實踐，再學習、再實踐。這對 于我們的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣 的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。直流電動機參數(shù)：功率：100W，額定電壓：200V，額定電流：0.5A,額定轉(zhuǎn)速：1600rpm二、對課程設計成果的要求（包括課程設計說明書、圖紙、圖表、實物等軟硬件要求）1. 設計報告主電路選用直流脈寬

14、調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案。系統(tǒng)設計的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電 流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。2. 系統(tǒng)總方案圖主電路選用直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案。逆變器采 用帶續(xù)流二極管的功率開關管IGBT構(gòu)成H型雙極式控制可逆PWM變換器。其中屬于 脈寬調(diào)速系統(tǒng)特有的部分主要是 UPM、邏輯延時環(huán)節(jié)DLD、全控型絕緣柵雙極性晶體 管驅(qū)動器GD和PWM變換器。系統(tǒng)中設置了電流檢測環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測 環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，構(gòu)成了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，前者通過電流元件的反饋作用穩(wěn)定電流， 后者通過

15、轉(zhuǎn)速檢測元件的反饋作用保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差，從而使系統(tǒng)達到 調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的。該系統(tǒng)起動時，轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用， 調(diào)節(jié)起動電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)速負反 饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié) 電機的電樞電流以平衡負載電流原理圖。3. 系統(tǒng)動、靜態(tài)參數(shù)直流電動機參數(shù)：功率：100W，額定電壓：200V，額定電流：0.5A，額定轉(zhuǎn)速：1600rpm動態(tài)參數(shù)：由于選擇典型I型系統(tǒng)，而要求5%，故查表可知上升時間tr為4.7T,峰值時間為6.2T，KT=0.5靜態(tài)參數(shù)： =0.05V/A，

16、=0.007V/A4. 仿真設計圖和結(jié)果轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真圖仿真輸出波形圖5. 實驗研究照片和實驗研究結(jié)果MMCL-Fff電力串于電弓藥3實驗總體接線圖主電路選用直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案。系統(tǒng)中設 置了電流檢測環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，構(gòu)成了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速 環(huán)，逆變器采用帶續(xù)流二極管的功率開關管 IGBT構(gòu)成H型雙極式控制可逆PWM變換 器。其中屬于脈寬調(diào)速系統(tǒng)特有的部分主要是UPM、邏輯延時環(huán)節(jié) DLD、全控型絕緣柵雙極性晶體管驅(qū)動器 GD和PWM變換器。實驗研究結(jié)果：通過掌握雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的組成、原理及各主要單元部件的

17、 工作原理，理解直流PWM專用集成電路SG3525的組成功能及PWM變換器的各種方式 的原理及特點，連接好電路，經(jīng)過不斷調(diào)試，觀察了不同位置產(chǎn)生的波形，調(diào)節(jié)不同的 占空比，最終實現(xiàn)了電動機的正反轉(zhuǎn)運行。三、課程設計工作進度計劃：日系統(tǒng)總體方案設計日系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)設計日系統(tǒng)仿真日實驗研究日撰寫報告四、主要參考資料1. 電力拖動自動控制系統(tǒng)，阮毅，陳伯時，機械工業(yè)出版社。2. 電力電子技術，王兆安，劉進軍，機械工業(yè)出版社。3. 自動化學報雜志。4. 電氣傳動自動化雜志。指導教師（簽名）：專業(yè)負責人（簽名）：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此Ui* * Un n no.Ui*

18、UiId，式中，分別為轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)，由第一個關系式得n 匹 no當ASR達到限幅值Ui*,雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，穩(wěn)亠 U im * 態(tài)時 |d |dm。在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如上圖所示，U； Un nno，Ui* Ui Id式中， 一一轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。由第一個*關系式可得n b ；o，從而得到上圖靜特性的 CA段。與此同時，由于 ASR不飽和，U*i < U*im，從上述第二個關系式可知：Id < Idm。這就是說，CA段靜特性從 理想空載狀態(tài)的Id = 0