《电力拖动与运动控制系统》课程设计

i中国电子科技大学《电力拖动与运动控制系统》课程设计双闭环直流调速系统的设计学院名称信息与通信工程学院专业名称自动化学生学号123456789学生姓名学生姓名指导教师教授姓名助理指导老师老师姓名ii202X年X月课程设计任务书专业年级自动化学号学生姓名设计专题题目：双闭环直流调速系统的设计设计主要内容和要求：直流调速系统凭借其优良的调速性能在现场中得到了广泛使用，虽然交流电机得到了越来越多的使用，但直流调速系统的理论完全适用于交流电机调速系统的设计。针对附录中提供的直流电机参数，进行直流电机调速系统的设计。要求该直流调速系统调速范围宽、起制动性能好、可四象限运行，具体设计内容如下：1.绪论介绍直流调速在工业生产中的应用及直流调速理论的发展，通过调查市场上的直流调速产品，了解目前直流调速产品的结构与功能。2.直流调速系统的主电路设计(1)根据提供的直流电动机参数，选择相应的主电路形式，主电路主要采用两种形式：基于H桥的直流脉宽调速系统、晶闸管—电动机直流调速系统。(2)根据附录中所提供的直流电机参数和选择的主电路形式，对主电路中的功率器件进行型号选择，并要求给出选择依据；(3)根据选择的主电路拓扑结构所采用的电力电子器件，设计或选择电力电子器件的iii驱动电路。要求给出所设计或选择的晶闸管触发电路、全控型器件IGBT驱动电路的原理图，并对驱动电路的原理简要说明。(4)根据系统控制要求，选择相应的电压、电流和温度等传感器，要求给出具体型号；(5)要求在主回路设计中需给出相应的保护及缓冲电路；(6)列出所选用主电路的器件清单(包括：名称、型号、厂商、数量、参考价格)。3.直流调速系统的控制理论(1)给出双闭环直流调速系统的动态结构框图，掌握双闭环直流调速系统的起动过程与特点；(2)根据提供的直流电动机参数和所设计的电力电子变换环节参数，确定动态结构框第1页图各环节的具体参数；(3)运用工程化设计方法对直流调速系统的调节器进行参数设计，要求必须给出限幅的具体参数及依据，以表格的形式总结所设计的转速调节器、电流调节器的参数；(4)利用Protel软件绘制带有内外限幅的PI调节器的模拟电路图，要求根据设计的PI调节器参数确定调节器中电阻和电容的参数；(5)给出确定各环节参数后的直流调速系统完整结构框图。4.双闭环直流调速系统的Matlab仿真(1)根据上述双闭环直流调速系统的动态结构框图，建立Matlab仿真模型，并对调节器参数设计的合理性进行验证；(2)运用Matlab/Simulink下的电机模型，建立基于电机模型的仿真模型，并对调节器的参数作出调整。5.数字控制器的设计(1)硬件设计：根据所选数字处理器，进行相应硬件电路的设计，要求包括PWM输出、AD采样及信号处理电路、编码器接口等；(2)软件设计：给出双闭环直流调速系统的整体控制流程图，并给出增量式PI调节器、数字测速的程序流程框图。6.直流脉宽调速实验装置的调试(1)根据提供的实验套件，焊接、调试控制板硬件电路；(2)编写液晶屏显示、模拟量采集、转速检测、PI调节器、PWM输出等程序，并在所提供的实验套件上进行实验。第2页摘要转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。直流调速系统的快速发展，在许多的行业被广泛的使用。怎样更高效的设计与应用成为了当起发展的关键。本文首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算，用MATLAB进行系统仿真，实现了控制器参数整定。通过对系统硬件和软件的设计实现了直流电动机双闭环调速系统的设计。关键词：直流调速；双闭环；PWM；仿真第3页1绪论1.1调速系统的应用随着时代的进步和科技的发展,电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用,生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长,使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。因此,对电机调速的研究有着积极的意义。对可调速的电气传动系统,可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,易于在大范围内平滑调速,过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起制动和反转,能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求,至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用。近年来交流调速系统发展很快,然而直流控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟,而且从反馈闭环控制的角度来看,它又是交流系统的基础,长期以来,由于直流调速系统的性能指标优于交流调速系统.因此,直流调速系统一直在调速系统领域内占重要位置.1.2电机调速方法电枢串电阻调速：范围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求不高的场所。图1.1电枢串电阻调速弱磁调速：虽然能实现平滑调速，但其调速范围太小，特性较软，因而只是在额定转速以上作小范围升速时才使用。第4页图1.2弱磁调速调压调速：额定励磁保持不变，理想空载转速n随U减小而减小，各特性线斜率不变，因此，可在动系统中被广泛采用。图1.3调压调速1.3电力电子装置在调速系统中的位置及作用第5页电力电子装置是以满足用电要求为目标，以电力半导体器件为核心，通过合理的电路拓扑和控制方式，采用相关的应用技术对电能实现变换和控制的装置。电力电子装置和负载组成的闭环控制系统称为电力电子控制系统，它是通过弱电控制强电实现其功能的。控制系统根据运行指令和输入、输出的各种状态，产生控制信号，用来驱动对应的开关器件，完成其特定功能。在电力系统中，许多功能的实现都需要靠电力电子装置来完成。随着科技的日益发展，大功率、高电压电力电子器,件的发展，变换器单元化、模块化以及智能化水平的提高，控制策略和调制策略性能的提升电力电子装置在电力系统中的作用会越来越大。1.4电力电子装置的发展电力电子装置在电力系统中的应用十分广泛，也是电力系统中的重要组成部分之一，电力电子装置在我国的起步较晚，但是发展却非常迅速。同时，电力电子装置的快速发展与改善，对促进我国电力系统的发展作出了突出贡献，主要表现在以下几个方面：第一，体现在控制方法方面，模拟控制→数字控制；第二，体现在装置方面，半控型装置→全控型装置→复合型装置；第三，体现在关键技术壁垒方面，硬件设计→软件设计；第四，体现在电能传输介质方面，电缆传输→光纤传输等等。第6页第1页2主电路设计2.1主电路拓扑结构及其依据三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。直流脉宽调速系统与V-M系统相比的优越性：主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。图2.1直流脉宽调速系统2.2功率器件的选型及其依据2.2.1额定电流的选择在选用智能功率模块时，需要考虑到电机的过载要求，安全裕度等要求，从逆变部分的主电路可以看出，流过一只IGBT管子的最大电流应当等于电动机定子一相的最大电第2页流，所以功率元件的电流额定为：smNII2~5.1。其中为过载倍数，取1.2，smI为正常情况下流过的最大电流瞬时值，取24A，安全裕量为2~5.1即电流的额定值为AIIsmN6.57~2.43242.12~5.12~5.12.2.2额定电压的选择VUUmN480~3201603~23~2其中安全裕量3~2，Um：器件承受的最高瞬时电压mNUU3~2综上所述：在实际选取的情况下采用的富士下的IGBT型号为1MBH60D-100,额定电流60A，额定功率为260W。有续流二极管,可以满足上述的要求。主电路参数计算包括整流二极管计算，滤波电容计算、功率开关管IGBT的选择及各种保护装置的计算和选择等。2.2.3二极管二极管工作原理可以简单的理解为正向导电，反向不导电。晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电常当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。图2.2二极管示意图2.2.4IGBT的参数选定IGBT这种器件具有MOS门极的高速开关性能和双极动作的高耐压、大电流容量的两种特点。其开关速度可达1mS，额定电流密度100A/cm2，电压驱动，自身损耗小。其第3页符号和波形图如图2-6所示。设计中选的IGBT管的型号是IRGPC50U,它的参数如下：管子类型：NMOS场效应管极限电压Vm：600V极限电流Im：27A耗散功率P：200W额定电压U：220V额定电流I：1.2A此外，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400v，22000uF2.3传感器的选择和依据为有效的监控直流电机的运行情况，需要用于与电路相匹配的传感器如（电流传感器，电压传感器，温度传感器等）2.3.1电流传感器LT508电流传感器原边和副边之间是绝缘的，用于测量直流。图2.3LT508结构图电流传感器LT508-S6性能：（1）应用霍尔原理的闭环（补偿）电流传感器、（2）符合UL94-V0标准的绝缘外壳优势：出色的精度、良好的线性度、低温漂、最佳的反应时间、宽频带、无插入损失、抗干扰能力强、电流过载能力。第4页图2.4LT508参数选择图2.3.2电压传感器LV100-1000电压传感器特性：应用霍尔原理的闭环(补偿)电流传感器；符合UL94-V0标准的绝缘外壳使用原则；对于电压测量,电流与被测电压的比,须通过外部电阻R1；R1是由用户选择并且串联在传感器原边回路上。参数指标：图2.5Lv100-1000连接图第5页图2.6LV100-1000参数图2.3.3温度传感器测量温度的关键是温度传感器，因此需要灵敏度高、测温范围宽、稳定性好，同时还要考虑成本和实际情况。热敏电阻的主要特点是：①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成热电偶传感器的灵敏度,线性和温度范围是和所用的金属有关。多年来,已经有几种热电偶成为标准,在美国,NIST公布了八种热电偶,让字母代码来识别的毫伏～温度表。其中五种J、K、T、G和N是由碱金属合金制成,有不同的温度范围和用途,灵敏度一般是每摄氏度几十毫伏,其中三种R、S和B是用的金属白金制成的,但是这种热电偶价格昂贵，最常用于高温工作，不适合常温的测量，而且灵敏度很低。第6页图2.7惠斯登电桥电路2.4保护电路主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。2.4.1限流电阻为了避免大电容