直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

））））））））雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)電氣與控制工程））））））））））））））已知參數(shù)：某轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的已知參數(shù)為：（1）電動(dòng)機(jī)參數(shù)：P3kW，Inom17.5A,nnom1500r/min，nomUnom220V,Ra1.2，GD20.4kg.m2；（2）功率放大器：放大倍數(shù)Ks25，Rrec0.3，Ts0.001s；（）其它參數(shù)：電樞回路總電感L60mH,最大允許電流Idb12Inom，ASR3和ACR的輸出限幅值均為5V,最大轉(zhuǎn)速給定電壓Unom5,電流反饋濾波時(shí)V間常數(shù)為T(mén)oi0.001S，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)為T(mén)on0.005s。設(shè)計(jì)指標(biāo)：電流超調(diào)量 i 5%,轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量10%,過(guò)度過(guò)程時(shí)間ts0.5s。一、電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)（一）參數(shù)計(jì)算1）確定時(shí)間常數(shù)Ts0.001s電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi0.001s電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和TiTsToi0.002s電磁時(shí)間常數(shù)L0.060.04sTl1.2R0.3（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用Ki(iS 1)PI型電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)形式如： WACR(S)iS（3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)））））））））））））））電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：iTl0.04s電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求i5%，按表3-1，應(yīng)取KITi0.5，因此KI0.50.5s250s-1Ti0.002電流反饋系數(shù)為U*50.14vIdL217.5于是，ACR的比例系數(shù)為KiKIiRa2500.041.23.43KS250.14Ki(iS1)（）電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為WACR(S)3.430.02S1iS0.02S4）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ciKI250s-11）校驗(yàn)晶閘管整流裝置換地函數(shù)的近似條件131s-1333.3s-1ci滿足近似條件3TS0.0012）校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件1111s-1333.3s-1ci滿足近似條件3TsToi30.0010.001（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，選 R0 40KΩ，各電阻和電容值計(jì)算如下RiKiR03.4340kΩ137.2kΩCii0.041FRi40103Coi4Toi40.040.4FR040103按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i 4.3% 5% 滿足設(shè)計(jì)要求））））））））））））））含給定濾波和反饋濾波的 PI型電流調(diào)節(jié)器（二）仿真模型（三）仿真結(jié)果））））））））））））））二、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)（一）參數(shù)計(jì)算1（1）確定時(shí)間常數(shù) 2Ti 2 0.002s 0.004sKI轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton 0.005s1轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) Tn Ton 0.004 0.005 0.009sKI2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為K（ S 1）n nWASR(S)S3）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，取 h 5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為hTn50.009s0.045s轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為））））））））））））））h16-2-2KN2h2Tn22520.0092s1481sASR的比例系數(shù)為（h1）CeTm60.140.0132.7Kn2h2Tn22250.0092其中，Un*50.003Vmin/rn01500CeUIdR220-17.51.20.133Vmin/rn1500CeTmGD2R41.50.013375Cm30375CeGD20.4kgm24Nm2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為K（nnS1）2.7(0.045S1)WASR(S)nS0.045S（4）檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為cnKNn14810.04566.65s-11）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件1KI1250117.9cn滿足近似條件3Ti30.0022）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件1KI125074.5cn滿足近似條件3Ton30.0053）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容））））））））））））））含給定濾波與反饋濾波的 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器取R040KΩ，則RnKnR02.740KΩ108KΩ取100KΩCnn0.0450.45F取0.5FRn100103Con4Ton40.0055F取5FR040103（二）仿真模型））））））））））））））（三）仿真結(jié)果三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（一）原理圖））））））））））））））（二）整流電路整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?。本設(shè)計(jì)采用三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖所示，陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1、VT3、VT5）稱(chēng)為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱(chēng)為共陽(yáng)極組。這種整流電路的輸出電壓一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形完全相同，故該電路為6脈動(dòng)整流電路。（三）PWM變換器脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM變換器。直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)分為不可逆和可逆系統(tǒng)。不可逆系統(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)只能單向旋轉(zhuǎn)；可逆系統(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)可以正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。對(duì)于可逆系統(tǒng)，又可以分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)兩種方式。單極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是單一極性的；雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是正負(fù)交替的。本設(shè)計(jì)采用雙極性驅(qū)動(dòng)可逆 PWM變換器。如圖是H型雙極性可逆PWM變換器原理圖。它包含有4個(gè)IGBT管和4個(gè)續(xù)流二極管。4個(gè)IGBT管分成兩組，VT1，VT4為一組；VT2，VT3為另一組。同一組的IGBT管同時(shí)導(dǎo)通或截止，不同組的IGBT管的導(dǎo)通與截止是不相同的。））））））））））））））（四）泵升限制電路當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由高變低時(shí)（減速或者停車(chē)） ，儲(chǔ)存在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)能將會(huì)變成電能，并通過(guò)雙極式可逆PWM變換器回送給直流電源。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回送電能，電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好給濾波電容充電，從而使電容兩端電壓升高，稱(chēng)作“泵升電壓”。過(guò)高的泵升電壓會(huì)損壞元器件，所以必須采取預(yù)防措施，防止過(guò)高的泵升電壓出現(xiàn)?？梢圆捎糜煞至麟娮鑂和開(kāi)關(guān)元件（電力電子器件）VT組成的泵升電壓限制電路，如圖所示。當(dāng)濾波電容器C兩端的電壓超過(guò)規(guī)定的泵升電壓允許數(shù)值時(shí)，VT導(dǎo)通，將回饋能量的一部分消耗在分流電阻R上。在本設(shè)計(jì)中泵升電路電解電容選取C=2200μF；電壓U=450V；VT選取IRGPC50U型號(hào)的IGBT管；電阻選取R=20Ω。））））））））））））））（五）按鍵電路獨(dú)立式按鍵電路如圖所示，這種獨(dú)立式按鍵電路所需器件比較少、軟件編程結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在此電路中，按鍵輸入都采用低電平有效，上拉電阻的接入保證了冷按鍵斷開(kāi)時(shí)，I/O口線上有確定的高電平。通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)如下功能：當(dāng)按下1鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)按下2鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)按下3鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)按下4鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止；當(dāng)按下5鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)加速；當(dāng)按下6鍵時(shí)，電動(dòng)機(jī)減速。））））））））））））））四、直流調(diào)速原理電流檢測(cè)UiUn*U速度Ui*-電流Uc三相集成三相Ud直流+給定電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器觸發(fā)器全控橋電動(dòng)機(jī)-Un轉(zhuǎn)速檢測(cè)

n雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)E(S)sIdL(S))-(-Un*(S)1+Ui*(S)1++d1n（s）kS1/RIRASRoiACRTS1Tl1+mCeTonS1TS1TS--Un(s)Ui（s）電流環(huán)ToiS1TonS1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測(cè)裝置組成。兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出限幅電壓Um*決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除））））））））））））））非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退保和。為了實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時(shí)控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不要進(jìn)入飽和狀態(tài)。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速,故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán),以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓,把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán),把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT的控制電壓Uc來(lái)移動(dòng)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（一）主程序開(kāi)始系統(tǒng)初始化有按鍵按下嗎？按鍵處理刷新顯示數(shù)據(jù)通信））））））））））））））（二）子程序的初始化設(shè)計(jì)設(shè)定定時(shí)器、PWM、A/D轉(zhuǎn)換工作方式設(shè)定I/O、通信接口及鍵盤(pán)工作方式參數(shù)及變量初始化返回初始化子程序框圖（三）中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)中斷服務(wù)子程序包括故障檢測(cè)、 PWM生成、狀態(tài)檢測(cè)和數(shù)字 PI調(diào)節(jié)等，這些都是實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)的功能。當(dāng)相應(yīng)的中斷源提出申請(qǐng)， CPU就可以實(shí)時(shí)響應(yīng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖如圖 4-3所示。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序中， 首先應(yīng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，然后再由輸入量計(jì)算實(shí)際的