轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計-畢業(yè)設(shè)計

武漢工程大學(xué)課程設(shè)計運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計說明書題 目： PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)班級： 電氣工程及其自動化 02班2013年6月21日至7月2日武漢工程大學(xué)課程設(shè)計轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計CurrentdoubleclosedloopspeedcontrolPWMreversibledcspeedcontrolsystemdesign學(xué)生姓名:丁俊成指導(dǎo)教師:文小玲王振武漢工程大學(xué)課程設(shè)計課程設(shè)計量化評分標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)分值評分要素得分能獨立查閱文獻資料，提出并較好地論述課題的實施方案；設(shè)計方案選擇合理，分析、設(shè)計完成30設(shè)計正確，原理清楚；獨立進行設(shè)計工作，情況按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù)，設(shè)計結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果，有實用價值。報告結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯嚴(yán)密，論述層次清晰，報告質(zhì)量20語言流暢，表達(dá)準(zhǔn)確，重點突出，報告完全符合規(guī)范化要求。工作量、工作量飽滿，難度較大，工作努力，遵守紀(jì)20律；工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實。工作態(tài)度思路清晰；語言表達(dá)準(zhǔn)確，概念清楚，論點答辯成績30正確；分析歸納合理，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)；回答問題有理論根據(jù)，基本概念清楚?？傇u成績武漢工程大學(xué)課程設(shè)計答辯記錄答辯時間： 答辯地點：武漢工程大學(xué)課程設(shè)計摘 要直流調(diào)速系統(tǒng)是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，它具有良好的起、制動性能，可以在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，較快的零動態(tài)響應(yīng)過程，并且低速運轉(zhuǎn)時力矩大這些極好的運行性能和控制特性，長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)著重要地位。從市場的角度來看，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以在直流調(diào)速系統(tǒng)電氣傳動中獲得了廣泛應(yīng)用。本文從直流電動機的工作原理入手，建立了PWM雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路、鋸齒波產(chǎn)生電路、基準(zhǔn)電源、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電路、電流調(diào)節(jié)器電路、PWM波生成電路、橋式可逆直流脈寬系列電路及轉(zhuǎn)速檢測電路的具體實現(xiàn)。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進行分析和計算，利用MATLAB中的Simulink對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)；H橋驅(qū)動電路；PWM控制；模擬調(diào)節(jié)器；MATLABI武漢工程大學(xué)課程設(shè)計AbstractDCspeedcontrolsystemisthemainformoftheautomaticspeedregulationsystem,ithasagoodstartingandbrakeperformance,canbeinawiderrangeofspeedregulationofsmoothrealizedinspeed,fastdynamicresponseprocess,andlowspeedrunningtorquetheseexcellentperformanceandcontrolcharacteristic,butforalongtime,DCspeedcontrolsystemhasbeenoccupiesanimportantposition.Fromamarketperspective,DCspeedcontrolsystemintheoryandpracticearemoremature,fromthepointofviewofthecontroltechnology,itisthefoundationofacspeedadjustmentsystem.Soindcspeedcontrolsysteminelectrictransmissionwonthewidelyused.Thisarticlefromtheworkingprincipleofdcmachines,aPWMdoubleclosedloopreversibledcspeedcontrolsystem,andthemathematicalmodelofdetailedanalysisofsystemprincipleandthestaticanddynamicperformance.Inthetheoryanalysisandsimulationresearch,andonthebasisofdesignasetofexperimentswithdoubleclosedloopdcspeedcontrolsystem,detailedintroducessystemmaincircuit,sawtoothwaveproducescircuit,benchmarkpowersupply,rotatespeedadjustmentcircuit,currentregulatorcircuit,PWMwavesgeneratedcircuit,bridgetypereversibledcspeedpulsewidthseriescircuitandtherealizationofadetectioncircuit.Thenaccordingtoautomaticcontroltheory,doubleclosedloopspeedregulationsystem,thedesignparametersofanalysisandcalculation,theuseofMATLABofSimulinkofthesystemparameterstothesetofthesimulation,throughthesimulationwontheparameterssettingthebasis.Keywords:Doubleclosed-loopirreversibledcspeedregulatingsystem;Hbridgedrivercircuit;PWMcontrol；Simulationregulator;MATLAB；Ⅱ目錄1緒論..................................................................................................................................................................11.1選題背景與意義..................................................................................................................................11.2課題研究意義......................................................................................................................................21.3設(shè)計任務(wù)和要求..................................................................................................................................32系統(tǒng)組成及基本原理.......................................................................................................................................52.1直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理...................................................................................................................52.2雙閉環(huán)調(diào)速的過程和工作原理..........................................................................................................62.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成..............................................................................................................72.4主電路圖............................................................................................................................................72.5H橋可逆PWM變換器.......................................................................................................................92.6保護電路.............................................................................................................................................113設(shè)計內(nèi)容.........................................................................................................................................................123.1設(shè)計目的.............................................................................................................................................123.2系統(tǒng)過流過壓產(chǎn)生的主要原因.........................................................................................................123.3方案的論證.........................................................................................................................................123.4過電流保護電路及工作原理.............................................................................................................133.5電路結(jié)構(gòu)元器件的選擇.....................................................................................................................133.6參數(shù)的計算及電阻的選取.................................................................................................................173.7元器件清單.........................................................................................................................................183.8電路特點..............................................................................................................................................184總結(jié)...............................................................................................................................................................195參考文獻.........................................................................................................................................................20武漢工程大學(xué)課程設(shè)計緒論直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，高性能交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，交流調(diào)速系統(tǒng)正逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。然而，直流拖動控制系統(tǒng)畢竟在理論和實踐上都比較成熟，而且基于以上優(yōu)點，直流調(diào)速系統(tǒng)的研究依然有很大的現(xiàn)實意義。1.1選題背景與意義直流傳動具有良好的調(diào)速特性和轉(zhuǎn)矩控制性能，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較早并沿用至今。早期直流傳動采用有接點控制，通過開關(guān)設(shè)備切換直流電動機電樞（直流電機電樞為轉(zhuǎn)子）或磁場回路電阻實現(xiàn)有級調(diào)速（有級調(diào)速說白了就是掛擋）。 1930年以后出現(xiàn)電機放大器控制的旋轉(zhuǎn)交流機組供電給直流電動機（由交流電動機 M和直流發(fā)電機G構(gòu)成，簡稱G—M系統(tǒng)），以后又出現(xiàn)了磁放大器和汞弧整流器供電等，實現(xiàn)了直流傳動的無接點控制。其特點是利用了直流電動機的轉(zhuǎn)速與輸入電壓有著簡單的比例關(guān)系的原理，通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機的勵磁電流或汞弧整流器的觸發(fā)相位來獲得可變的直流電壓供給直流電動機，從而方便地實現(xiàn)調(diào)速。但這種調(diào)速方法后來被晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)所取代，至今已不再使用。1957年晶閘管問世后，采用晶閘管相控裝置的可變直流電源一直在直流傳動中占主導(dǎo)地位。由于電力電子技術(shù)與器件的進步和晶閘管系統(tǒng)具有的良好動態(tài)性能，使直流調(diào)速系統(tǒng)的快速性、可靠性和經(jīng)濟性不斷提高，在 20世紀(jì)相當(dāng)長的一段時間內(nèi)成為調(diào)速傳動的主流。正在逐步推廣應(yīng)用的微機控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)具有高精度、寬范圍的調(diào)速控制，代表著直流電氣傳動的發(fā)展方向。直流傳動之所以經(jīng)歷多年發(fā)展仍在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵在于它能以簡單的手段達(dá)到較高的性能指標(biāo)。自19世紀(jì)80年代起至19世紀(jì)末以前，工業(yè)上傳動所用的電動機一直以直流電動機為唯一方式。到了19世紀(jì)末，出現(xiàn)了三相電源和結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用的交流籠型電動機以后，交流電動機傳動在不調(diào)速的場合才代替了直流電動機傳動裝置。然而，隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，調(diào)速對變速傳動裝置是一項基本的要求，現(xiàn)代應(yīng)用的許多變速傳動系統(tǒng)，在滿足一定的調(diào)速范圍和連續(xù)（無級）調(diào)速的同時，還必須具有持續(xù)的穩(wěn)定性和良好的瞬1武漢工程大學(xué)課程設(shè)計態(tài)性能。雖然直流電動機可以滿足這些要求，但由于直流電動機在容量、體積、重量、成本、制造和運行維護方面都不及交流電動機，所以長期以來人們一直渴望開發(fā)出交流調(diào)速電動機代替直流電動機。隨著電力電子學(xué)與電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，使得采用半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實現(xiàn)。尤其是70年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，促進了各種類型交流調(diào)速系統(tǒng)：如串級調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)，無換向器電動機調(diào)速系統(tǒng)以及矢量控制調(diào)速系統(tǒng)等的飛速發(fā)展。1.2 課題研究意義轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點和設(shè)計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。首先，應(yīng)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性；然后，在建立該系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個調(diào)節(jié)器的作用；第三，研究一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法，和經(jīng)典控制理論的動態(tài)校正方法相比，得出該設(shè)計方法的優(yōu)點，即計算簡便、應(yīng)用方便、容易掌握；第四，應(yīng)用工程設(shè)計方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計問題等等。就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場合得到廣泛的應(yīng)用。直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，其主要特點是：①常規(guī)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便；②動態(tài)參數(shù)調(diào)整方便；③系統(tǒng)可以方便的設(shè)計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復(fù)原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性；④可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能；⑤可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度；⑥容易與上一級計算機交換信息；⑦具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信的功能；⑧成本較低。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，應(yīng)首先著重研究直流調(diào)速系統(tǒng)，這樣才可在掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論下更好的對交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究和探索。通過對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解， 使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及2武漢工程大學(xué)課程設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，在對其各種性能加深了解的同時， 能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處， 通過對該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。并以此為基礎(chǔ)，再對交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個生產(chǎn)領(lǐng)域。1.3 設(shè)計任務(wù)和要求1．題目：PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計2．要求設(shè)計一個轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制 PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。 電動機控制電源采用 H型PWM功率放大器，其占空比變化為0～0.5～1時，對應(yīng)輸出電壓為-264V～0～264V，為電機提供最大電流25A。速度檢測采用光電編碼器（光電脈沖信號發(fā)生器），且其輸出的A、B兩相脈沖經(jīng)光電隔離辯相后獲得每轉(zhuǎn) 1024個脈沖角度分辨力和方向信號。電流傳感器采用霍爾電流傳感器，其原副邊電流比為 1000：1，額定電流50A。已知：1）直流電動機：PN=3kW，nN=1500r/min，UN=220V，IN=17.3A，電樞回路總電阻R=2.5?，電磁時間常數(shù)Tl=0.017s，機電時間常數(shù)Tm=0.076s，電動勢系數(shù)Ce=0.1352V/（r.min-1)；2）H型PWM功率變換器：工作頻率為2kHz，采用單極性/雙極性工作方式；3）直流電源電壓：264V；4）主要技術(shù)指標(biāo)：調(diào)速范圍為0-1500r/min，電流過載倍數(shù)為1.5倍，速度控制精度0.1%（額定轉(zhuǎn)速時）。3．內(nèi)容（1）完成系統(tǒng)理論與仿真分析1）進行系統(tǒng)參數(shù)計算，完成轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計；2）利用Matlab/Simulink 建立系統(tǒng)的仿真模型，對整個調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能（給定輸入的跟隨性能和負(fù)載與電網(wǎng)電壓擾動下的抗擾性能）進行仿真分析。3武漢工程大學(xué)課程設(shè)計（2）完成系統(tǒng)電氣原理圖的設(shè)計（包括電路原理圖設(shè)計、參數(shù)計算、元器件選型）1）主電路的設(shè)計；2）PWM脈沖信號產(chǎn)生電路的設(shè)計；3）轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器及其限幅電路的設(shè)計；4）轉(zhuǎn)速、電流檢測電路的設(shè)計；5）保護電路的設(shè)計；6）輔助電源電路的設(shè)計。（3）PCB板的設(shè)計、制作與調(diào)試（根據(jù)時間選做）任務(wù)：本文主要是在分析系統(tǒng)組成原理的基礎(chǔ)上， 完成過電流保護電路的設(shè)計， 具體任務(wù)如下：1）通過分析設(shè)計要求確定電路的結(jié)構(gòu)。2）完成電路參數(shù)計算及其元器件的選型。3）畫出電路電氣原理圖。4武漢工程大學(xué)課程設(shè)計系統(tǒng)組成及基本原理直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的起、制動性能，可以在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，較快的動態(tài)響應(yīng)過程，并且低速運轉(zhuǎn)時力矩大這些極好的運行性能和控制特性，盡管它不如交流調(diào)速系統(tǒng)那樣結(jié)構(gòu)簡單、制造和維護方便、價格便宜。但是長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)重要地位。當(dāng)然近年來，隨著計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，在許多場合正逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)。但是就目前來看，在紡織印染、造紙印刷、數(shù)控機床、光纜線纜設(shè)備、包裝機械、電工機械、食品加工機械、橡膠機械、生物設(shè)備、焊接切割、輕工機械、物流輸送設(shè)備、機車車輛、通訊設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此， PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。本系統(tǒng)通過PWM控制芯片SG3525實現(xiàn)對直流電機的平滑調(diào)速。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以由晶閘管 —直流電動機（V—M）組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種電力傳動自動化控制系統(tǒng)。它在理論上實踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。從生產(chǎn)機械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。直流電動機的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系和用式2.1表示nUIRKe（2.1）式2.1中：n——電動機轉(zhuǎn)速；5武漢工程大學(xué)課程設(shè)計U——電樞供電電壓；I——電樞電流；R——電樞回路總電阻，單位為 ；——由電機機構(gòu)決定的電勢系數(shù)。在上式2.1中，K 是常數(shù)，電流I是由負(fù)載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速可以有三種方法：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U；（2）減弱勵磁磁通 ；（3）改變電樞回路電阻 R。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱勵磁磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速的范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。2.2 雙閉環(huán)調(diào)速的過程和工作原理雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理：電動機在啟動階段，電動機的實際轉(zhuǎn)速（電壓）低于給定值，速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值，速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài)，速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器，此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號，直流電壓迅速上升，電流也隨即增大直到等于最大給定值，電動機以最大電流恒流加速啟動。電動機的最大電流（堵轉(zhuǎn)電流）可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后，速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)，閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。對負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動，速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓，使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化，從而校正和補償電動機的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù)，還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動引起的電動機電樞電流的變化進行快速調(diào)節(jié)，可以在電動機轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時，迅速使電流恢復(fù)到原來值，從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運行。6武漢工程大學(xué)課程設(shè)計2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。兩者之間實行嵌套連接，如圖 2.1所示。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。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。TAI++UiIdUi*-+UMASRACRUPEUd-+-nn -TG圖2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)其中：ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR—電流調(diào)節(jié)器，T—測速發(fā)電機，TA—電流互感器，UPE—電力電子變化裝置，Un*—轉(zhuǎn)速給定電壓，Un—轉(zhuǎn)速反饋電壓，Ui*—電流給定電壓 ，Ui—電流反饋電壓。2.4 主電路圖H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖所示。PWM逆變器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C0濾波，以獲得恒定的直流電壓Ud=264V，由于電容量較大，突加電源時相當(dāng)短路，勢必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電阻R0（或電抗），合上電源以后，延時用開關(guān)將R0短路，以免在運行中造成附加損耗。7武漢工程大學(xué)課程設(shè)計圖2.2 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路緩沖電路的設(shè)計實際設(shè)計時在每個晶閘管處并聯(lián)一個 RCD電路組成的緩沖電路緩沖電路又稱為吸收電路。其作用是抑制電力電子器件的過電壓或者過電流，減小器件的開關(guān)損耗。在無緩沖電路的情況下，絕緣柵雙極晶體管 V開通時電流迅速上升，didt很大，關(guān)斷時dudt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓。在有緩沖電路的情況下， V開通時緩沖電容C先通過R向V放電，使電流i先上一個臺階,i的上升速度減慢。s s c c加入RCD緩沖電路主要是防止關(guān)斷時的過電壓，在 V關(guān)斷時，負(fù)載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負(fù)擔(dān)，抑制了dudt和過電壓。因為關(guān)斷時電路中（含布線）電感的能量要釋放，所以還會出現(xiàn)一定的過電壓，Cs的分流使ic在晶閘管兩端電壓在開始上升的同時就下降，器件的關(guān)斷損耗對比無緩沖電路大大降低8武漢工程大學(xué)課程設(shè)計圖2.3充放電型 RCD緩沖電路示意圖2.5H橋可逆PWM變換器可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱 H型）電路，如圖 2.4所示。+Us1VT1VD14

VT3VD3 3Ug1M

Ug3VT2

VT4VD4VD2Ug2 2Ug4圖2.4橋式可逆 PWM變換器9武漢工程大學(xué)課程設(shè)計雙極式控制可逆PWM變換器的4個驅(qū)動電壓波形如圖2.5所示。Ug1Ug4VT1VD2VT1VD2VT1VD2VT4VD3VT4VD3VT4VD3OtUg2 Ug3Ot圖2.5 雙極式控制可逆 PWM變換器的驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形它們之間的關(guān)系是：Ug1 Ug4 Ug2 Ug3。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) 0≤t<ton時，Uab=Us，電樞電流id沿回路1流通；當(dāng)ton≤t<T時，驅(qū)動電壓反相，id沿回路2經(jīng)二極管續(xù)流，Uab Us。因此，Uab在一個周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。圖2.5也繪出了雙極式控制時的輸出電壓和電流波形。 Id1相當(dāng)于一般負(fù)載的情況，脈動電流的方向始終為正； Id2相當(dāng)于輕載情況，電流可在正負(fù)方向之間脈動，但平均值仍為正，等于負(fù)載電流。電動機的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負(fù)脈沖的寬度上。當(dāng)正脈沖較寬時，ton>T/2，則Uab的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，反之，則反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖相等，t=T/2，平均輸出電壓為零，則電動機停止。圖2.3所示的波形是電動機正轉(zhuǎn)時的情況。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為：UdtonUsTtonUs(2ton1)UsTTT若占空比ρ和電壓系數(shù)γ的定義與不可逆變換器相同，則在雙極式是可逆變換器中：21就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。調(diào)速時，ρ的可調(diào)范圍為0~1，相應(yīng)的，(1)~(1)。當(dāng)ρ>1/2時，γ為正，電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng)ρ<1/2時，γ為負(fù)，電動機反轉(zhuǎn)；當(dāng)ρ=1/2時，γ=0，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而，電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機的損耗，這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。10武漢工程大學(xué)課程設(shè)計雙極式控制的橋式可逆 PWM變換器有下列優(yōu)點：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電動機在四象限運行；（3）電動機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1：20000左右；（5）低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中，4個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。為了克服上述缺點，可采用單極式控制，使部分器件處于常通或常斷狀態(tài)，以減少開關(guān)次數(shù)和開關(guān)損耗，提高可靠性，但系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能會略有降低。2.6保護電路該電路由運算放大器組成比較電路,D觸發(fā)器組成雙穩(wěn)態(tài)記憶電路或門組成的邏輯電路及T1、XD1組成的顯示電路4個單元構(gòu)成。當(dāng)中頻靜止逆變電源處于正常工作時,輸入比較器同相端的電流信號形成的輸入電壓小于反相端定值電壓 (即所要求的保護定值電壓)運算放大器輸出低電平,D觸發(fā)器處于復(fù)位狀態(tài),Q端為/00,邏輯門輸出則為低電平,T1反偏而截止,XD1不亮。同理或門2輸出為/00,輸出的控制端為/00,有整流觸發(fā)脈沖輸出。當(dāng)電流信號形成的輸入電壓W1確定的定值電壓,即保護值時,運算放大器輸出高電平,使D觸發(fā)器迅速翻轉(zhuǎn),Q端輸出/10,并記憶故障信號。邏輯門亦輸出為高點平。T1正偏導(dǎo)通,使XD1點亮,出過流信號指示?；蜷T2輸出高電平,輸出端為/10,封鎖了觸發(fā)脈沖輸出,這樣整流橋失去觸發(fā)脈沖而輸出電壓為/00,因此起到了保護作用。圖2.6過電流保護電路11武漢工程大學(xué)課程設(shè)計設(shè)計內(nèi)容3.1設(shè)計目的保護電路是為了保護電機而設(shè)計的，防止在過電流的時候燒毀電機。晶閘管以其額定電流大、額定電壓高、效率高、反應(yīng)快以及體積小等優(yōu)點,作為中頻靜止逆變電源中主要元件而被選用,但其缺點是過載能力低。因此,在晶閘管中頻靜止逆變電源中,為了使晶閘管免受大電流、高電壓的沖擊,均設(shè)置了過流過壓保護電路。當(dāng)晶閘管中頻靜止電源用于金屬熔煉時,由于負(fù)載為時變性元件,變化大,情況比較復(fù)雜,若保護不可靠,速度慢,故障一旦出現(xiàn),晶閘管立即被損壞的現(xiàn)象常有發(fā)生。影響了整個設(shè)備的性能和使用,因而保護電路顯得尤為重要。3.2系統(tǒng)過流過壓產(chǎn)生的主要原因A．逆變顛覆:在無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)中,正反兩組可控硅整流裝置正常工作情況下總是一組處于整流狀態(tài),一組處干待逆變狀態(tài)。在逆變電路中必須依靠控制觸發(fā)脈沖移相角來加以轉(zhuǎn)換,如果逆變角小于最小逆變角則會導(dǎo)致?lián)Q流失敗產(chǎn)生逆變顛覆。顯而易見這種短路電流對可控硅及其元件的危害是很大的。B．因元件故障而產(chǎn)生的分電流 ,當(dāng)可控硅元件損壞時,如過電壓作用下 PN結(jié)擊穿,反向電壓阻斷能力的喪失 ,產(chǎn)生橋臂短路,均能立即成為交流 2至3相短路,產(chǎn)生巨大過電流 。C．觸發(fā)回路的故障亦是過流的原因 ,當(dāng)觸發(fā)回路如有超過額定值很多的大信號 ,可使可控硅失去阻斷能力造成與元件損壞一樣的故障。D．供給的電功率或系統(tǒng)儲能發(fā)生了激烈的變化 ,使系統(tǒng)無法及時轉(zhuǎn)換或者系統(tǒng)原積蓄的電磁能量不能及時消散而產(chǎn)生過流或過壓。3.3方案的論證保護電路把從電流、電壓采樣回路中所采取的電流和電壓信號 ,經(jīng)判斷后,控制或封鎖整流橋觸發(fā)脈沖,使得三相全控整流橋輸出電壓為零 ,切斷了逆變橋電源的供給 ,從而起到了保護整機的作用。12武漢工程大學(xué)課程設(shè)計3.4過電流保護電路及工作原理該電路由運算放大器組成比較電路,D觸發(fā)器組成雙穩(wěn)態(tài)記憶電路或門組成的邏輯電路及T1、XD1組成的顯示電路4個單元構(gòu)成。當(dāng)中頻靜止逆變電源處于正常工作時,輸入比較器同相端的電流信號形成的輸入電壓小于反相端定值電壓(即所要求的保護定值電壓)運算放大器輸出低電平,D觸發(fā)器處于復(fù)位狀態(tài),Q端為/00,邏輯門輸出則為低電平,T1反偏而截止,XD1不亮。同理或門2輸出為/00,輸出的控制端為/00,有整流觸發(fā)脈沖輸出。當(dāng)電流信號形成的輸入電壓W1確定的定值電壓,即保護值時,運算放大器輸出高電平,使D觸發(fā)器迅速翻轉(zhuǎn),Q端輸出/10,并記憶故障信號。邏輯門亦輸出為高點平。T1正偏導(dǎo)通,使XD1點亮,出過流信號指示?；蜷T2輸出高電平,輸出端為/10,封鎖了觸發(fā)脈沖輸出,這樣整流橋失去觸發(fā)脈沖而輸出電壓為/00,因此起到了保護作用。圖4.1過電流保護電路3.5電路結(jié)構(gòu)元器件的選擇運算放大器LM74運算放大器使用說明及應(yīng)用物理量的感測在一般應(yīng)用中，經(jīng)常使用各類傳感器將位移、角度、壓力、與流量等物理量轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號，之后再由量測此電壓電流信號間接推算出物理量變化，以達(dá)成感測、控制的目的。但有時傳感器所輸出的電壓電流信號可能非常微小，以致信號處理時難以察覺其間的變化，故需要以放大器進行信號放大以順利測得電流電壓信號，而放大器所能達(dá)成的工作不僅是放大信號而已，尚能應(yīng)用13武漢工程大學(xué)課程設(shè)計于緩沖隔離、準(zhǔn)位轉(zhuǎn)換、阻抗匹配、以及將電壓轉(zhuǎn)換為電流或電流轉(zhuǎn)換為電壓等用途。圖5.1放大器輸出入腳位圖電壓＋Vdc與－Vdc，一旦于2、3腳位即兩輸入端間有電壓差存在，壓差即會被放大于輸出端，唯Op放大器具有一特色，其輸出電壓值決不會大于正電源電壓＋Vdc或小于負(fù)電源電壓741運算放大器使用時需于7、4腳位供應(yīng)一對同等大小的正負(fù)電源－Vdc，輸入電壓差經(jīng)放大后若大于外接電源電壓＋Vdc至－Vdc之范圍，其值會等于＋Vdc或－Vdc，故一般運算放大器輸出電壓均具有如圖圖5.2 放大器輸出入電壓關(guān)系圖D觸發(fā)器的選?。罕敬卧O(shè)計采用74LS74雙D觸發(fā)器其參數(shù)值如下：74LS74是一個雙D觸發(fā)器，D觸發(fā)器的作用為記憶輸入。其特性方程為：14武漢工程大學(xué)課程設(shè)計Qn1D表2-274LS74工作參數(shù)如下：電源電壓：5V輸入高電平電壓：2V輸入低電平電壓：0.8V輸出高電平電壓：2.7V輸出低電平電壓：0.5V輸出高電平電流：-400um輸出低電平電流：8uA輸入高電平電流：20uA圖5.3D觸發(fā)器的一般結(jié)構(gòu)SD和RD接至基本RS觸發(fā)器的輸入端，它們分別是預(yù)置和清零端，低電平有效。當(dāng)/SD=1且/RD=0時,不論輸入端D為何種狀態(tài)，都會使Q=0，Q非=1，即觸發(fā)器置0；當(dāng)/SD=0且/RD=1時，Q=1，Q非=0，觸發(fā)器置1,SD和RD通常又稱為直接置1和置0端。我們設(shè)它們均已加入了高電平，不影響電路的工作穩(wěn)壓管的選?。呵懊孢\算放大器的選取可知其輸出限幅植為 15V，且D觸發(fā)器的輸入大于 2V小于5V，因此本設(shè)計的穩(wěn)壓管采用 TTL型的IN4732其穩(wěn)壓值為4.7V，（其具體的原理及參數(shù)如下）由此可推得穩(wěn)壓管接的分壓電阻為 1KΩ。穩(wěn)壓二極管的特點就是擊穿后，其兩端的電壓基本保持不變。 這樣，當(dāng)把穩(wěn)壓管接入電路以后，若由于電源電壓發(fā)生波動，或其它原因造成電路中各點電壓變動時，負(fù)載兩端的電壓將基本保持不變。穩(wěn)壓管也是一種晶體二極管，它是利用 PN結(jié)的擊穿區(qū)具有穩(wěn)定電壓的特性來工作的。穩(wěn)壓管在穩(wěn)壓設(shè)備和一些電子電路中獲得廣泛的應(yīng)用。我們把這種類型的二極管稱為穩(wěn)壓管，以區(qū)別用在整流、檢波和其他單向?qū)щ妶龊系亩O管。如圖畫出了穩(wěn)壓管的伏安特性及其號。15武漢工程大學(xué)課程設(shè)計圖5.4 穩(wěn)壓管原理圖或門的選取本次設(shè)計采用的或門為 74LS32其參數(shù)值如下：表2-474LS32參數(shù)值電源電壓：5V輸入高電平電壓：2V輸入低電平電壓：0.8V輸出高電平電流：-800uA輸出低電平：16mA輸入嵌位電壓：-1.5V輸出高電平電壓：2.7V輸出低電平電壓：0.5V最大輸入電壓時輸入0.1mA輸入高電平電流：20uA點流：輸入低電平電流：-0.4mA輸出最小短路電流：-20mA輸出最大短路電流：-100mA工作環(huán)境溫度：0～70C輸出由低到高傳輸延22nm輸出由高到低傳輸延22nm遲時間：遲時間：16武漢工程大學(xué)課程設(shè)計三極管的選取本次實驗選取小功率的9011三極管表2-5在25℃條件下參數(shù)參數(shù)符號數(shù)值單位VCBO50VVCEO30vVEBO5.0vIC30mAIB10mAPC400mWTj150℃Tstg-55～150℃3.6參數(shù)的計算及電阻的選取由系統(tǒng)的各部分參數(shù)可得，該系統(tǒng)的過載電流為1.5IN=25.95A，已知該系統(tǒng)的檢測電流裝置的檢測范圍是0~50A，而其霍爾元件的分壓電阻上的電壓為RIK（其中分壓電阻R=100Ω，I為測得電流，K為霍爾原件的放大系數(shù)K=0.001）。因此設(shè)定給定電壓為2.6V。同理電樞回路電壓的過壓值為500V，霍爾元件的放大系數(shù)為0.01當(dāng)R1=10kΩ,R2=200kΩ,R3=50kΩ,R5=100kΩ時，可滿足反相輸入端的電壓為2.6V。因為運放最大輸出電壓為15V，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為4.7V，D觸發(fā)器的輸入最大電流為20uA,由此可推得：R6=(15-4.7)/20=515K Ω，由或門的輸出高電平為2.7V，三極管工作的電流為大于 0.1uA，正常工作電流為10mA，管壓降為0.2V，結(jié)合上面條件綜合考慮選擇得：R8=（2.7-0.2）/10=0.25KΩR7與復(fù)位按鈕連接設(shè)為：R7=10K Ω17武漢工程大學(xué)課程設(shè)計3.7元器件清單圖4-1元器件清單名稱數(shù)量型號備注電源115V燈泡1運算放大器1LM74D觸發(fā)器174LS74穩(wěn)壓二極管1IN4732三極管19011或門2電阻710K(1個)50k(1個),0.05k(1個)100K（2個），200K(1個)525k(1個)滑動變阻器150KΩ3.8電路特點該電路具有如下特點:(1) 響應(yīng)速度快。該電路所用的主要元件是運放 (組成比較器0和D)觸發(fā)器(組成雙穩(wěn)態(tài)電路), 控制點是直接控制輸出端 , 它們翻轉(zhuǎn)速度均比較快 , 所以保護的速度快、靈敏度高。(2) 抗干擾能力強, 且功耗低。避免了該動作的而不動作 , 不應(yīng)動作卻誤動的失控現(xiàn)象 ,極大地提高了保護線路的可靠性。(3) 線路簡單, 調(diào)試、維修方便, 成本低。18武漢工程大學(xué)課程設(shè)計4總結(jié)本次課程設(shè)計我主要負(fù)責(zé)保護電路這一塊，起初以為過電流保護這一塊不難，結(jié)果上網(wǎng)查找資料之后才發(fā)覺過電流保護這一塊并不是想象中的那么簡單。許多過電流保護電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而我現(xiàn)在的知識水平很難弄懂。最終選擇保護電路用到運放電路，起初的想法是運放電路輸出端接一個芯片，然而這塊芯片具體的作用是什么也不太清楚。直到自己找資料和向同學(xué)借已查到的資料才發(fā)覺，用D觸發(fā)器就可以解決0和1的切換，來達(dá)到最初的目的。而對于D觸發(fā)器大家都不陌生。最讓我感受深刻的是本次設(shè)計所用到的元件都是我們學(xué)過原理的，用起來也不是太陌生，平時分散沒啥特點，然而組合在一起卻可以起到很大的作用。這個電路最大的優(yōu)點是線路簡單，抗干擾能力強,且功耗低。本次實驗讓我困擾最大的部分是元器件的選著，元器件之間相互聯(lián)系讓器件的選著成為難題，而且有些器件的參數(shù)并不太明確給實驗造成不便。這次實驗沒有想象中方的簡單，但是收獲也不小，明白了小器件的大用處，我們所學(xué)的到社會上任然用得著。19武漢工程大學(xué)課程設(shè)計參考文獻1王兆康. 逆變電源[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,1991.2莫正康. 交流技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,1992.3蘇開才, 毛宗源. 現(xiàn)代功率電子技術(shù) [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社,1995.4張純江. 一種實現(xiàn)可關(guān)斷晶閘管過流保護方法 [J]. 電力電子技術(shù),1995,29(3):1-4.基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基