转速电流双闭环H形双极式PWM直流调速系统的设计

转速电流双闭环H形双极式PWM直流调速系统的设计一．参数计算1．电流环参数的设计：（1）确定时间常数1)整流装置滞后时间常数sT。因为f=1khz，所以sT=0.001s2)电流滤波时间常数oiT。由题中已知条件知oiT=0.001s3)电流环小时间常数之和iT。iT=oiT+sT=0.001+0.001=0.002s（2）选择电流调节器的结构根据设计要求%5i，并保证稳态电流无静差，因此可按典I系统设计电流调节器ACR。电流调节器ACR选用PI调节器，其传递函数如下式：ssKsWiiiACR1（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：sTli015.0，电流环开环增益：要求%5i时，按课本上表3-1，应取5.0iiKT，因此250002.05.05.0iITK电流反馈系数：因为nom*im10UIV所以：35.1210nomI又根据已知条件知sK=4.8于是，ACR的比例系数为63.48.435.18015.0250siIiKRKK（4）校验近似条件电流环截止频率:ci1s250IK1）校验晶闸管装置传递函数近似条件：cissT13.333001.03131满足近似条件。2）校验忽略反电动势对电流环影响的条件：cilmsTT17.54015.02.01313满足近似条件。3）校验电流环小时间常数近似处理条件：cioissTT13.333001.0001.0131131满足近似条件。（5）计算调节器的电阻电容：已知KR400，各电阻和电容值计算如下：KKRKRii2.1854063.40，近似取KRi185FFRCiii81.001010185015.063，取F8.00FFRTCoioi1.0101040001.044630。取F1.02.转速环参数的设计：（1）确定时间常数:1）电流环等效时间常数i1Ki1K=sTi004.022）转速滤波时间常数onT由已知条件知sTon005.03）转速环小时间常数nTsTTTonin009.02（2）选择转速调节器结构由于设计要求无静差，且要求设计为典II系统，转速调节必须含有积分环节;故转速调节器ASR选择PI调节器，其传递函数为ssKsWnnn1)(ASR（3）计算转速调节器参数：按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为:shTnn045.0009.05所以转速环开环增益:22225.148109.00252621sThhKnN转速反馈系数:由nomnmnU*可知：05.010nomn于是，可以算出ASR的比例系数为:4.509.0085.0010.202.105.31621neTnThRChKm（4）校验近似条件：转速环截止频率：17.66045.05.1481sKnNcn1）校验电流环传递函数简化条件：icnT51cnisT1100002.05151，满足简化条件。2）校验小时间常数近似处理条件：onicnTT2131cnonisTT15.74005.0002.021312131，满足条件。（5）计算调节器电阻和电容：已知KR400，各电阻和电容值计算如下：K216404.50RKRnn，可近似取K220FFRCnnn20.01010220045.063，取F20.0FFRTConon5.0101040005.044630，取F5.0（6）验证空载起动到额定转速时的超调量：当h=5时，查表得，δn=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于这是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。设理想空载起动时，负载系数z=0，已知直流电机参数：nomP＝0.2KW，nomU＝48V，nomI＝3.7A，nomN＝200r/min，Ra＝6.5Ω，R=8Ω；PWM装置放大系数Ks=4.8；时间常数Tm=0.2s，Tl=0.015s；当5h时，max%81.2%KbCC；而min7.24612.087.3rCRInednomnom,又因为mnnombnTTnnzCC)(2%)(%max因此%20%0.182.0009.02007.24622%2.81%n，满足空载起动到额定转速时的超调量的设计要求。（二）直流双闭环系统的完整硬件实现原理图如下：（三）原理图上实现所要求的直流调速系统的原理如下：主电路系统是由10V直流电源，转速调节器ASR，电流调节器ACR，SG3524芯片，H型双极式可逆PWM桥式电路，三相整流变压器、晶闸管整流调速装置、测速发电机和霍尔电流互感器组成。转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM装置,然后通过脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。与此同时，由测速发电机检测电机的实时转速，并用霍尔电流互感器对电枢电流进行实时跟踪，以达到设计要求。（四）原理图上每个元件选定的依据及其分析：（1）转速调节器对于一个控制系统而言，最关键的是控制器的设计，控制器设计的好坏关系到控制系统性能的优劣。控制器要求实时性强，通用性强，具有较强的智能，在满足性能指标的前提下应尽可能的简单。转速反馈电路如下图所示，其各个参数在（一）中已经算出，并标注在图中。这里选用PI控制器，因为设计要求无静差，且要求设计为典II系统，转速调节必须含有积分环节，同时，PI控制器还能在满足设计要求的前提下，尽可能的提高系统的稳定性。（2）电流调节器电流反馈电路如图所示，其各个参数在（一）中已算出，并标注在下图中。由于要求%5i，并保证稳态电流无静差，所以电流调节器也选择PI调节器。（2）SG3524芯片采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。它的主要作用是用它来产生系统所需要的PWM信号。其结构图如下：根据主电路中IGBT的开关频率，选择适当的tR,tC值即可确定振荡频率。由初始条件知开关频率为1kHz，可以选择KRt2，Ct=0.001uf。SG3524采用是定频PWM电路,DIP-16型封装。由SG3524构成的基本电路如图9所示，由15脚输入+10V电压。9脚是误差放大器的输出端，在1、9引脚之间接入外部阻容元件构成PI调节器，可提高稳态精度。12、13引脚通过电阻与+10V电压源相连，供内部晶体管工作，由电流调节器输出的控制电压作为2引脚输入，通过其电压大小调节11、14引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。（3）H型双极式可逆PWM桥式电路“H”型是双极性驱动电路的一种，也称为桥式电路。其电路是由四个晶闸管和四个续流二极管组成，。四个晶闸管分为两组，VT1和VT4为一组，VT2和VT3为另一组。同一组的晶闸管同步导通或关断，不同组的晶闸管的导通与关断正好相反。在每个PWM周期里，当控制信号为高电平时，晶闸管VT1和VT4导通，此时另一组晶闸管输入信号为低电平，因此VT2和VT3截止。电枢绕组承受从A到B的正向电压；当控制信号输入为低电平时，晶闸管VT1和VT4截止，此时另一组晶闸管输入为高电平，因此VT2和VT3导通，电枢绕组承受从B到A的反向电压，这就是所谓的“双极”。其电路结构图如下：（4），三相整流变压器、晶闸管整流调速装置整流变压器和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电。其电路结构图如下：（5）转速检测电路转速检测电路如图12。与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压nU，与给定电压*nU相比较后，得到转速偏差电压nU输送给转速调节器。测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。（6）电流检测电路通过霍尔传感器测量电流的电流检测电路原理图如下图：（五）实验心得体会：在查阅相关资料，联系所学知识，以及自己的不屑努力下，历时将近一个月，我终于完成了本次关于“双闭环控制的H型双极式PWM直流调速系统的”课程设计。在这次课程设计中，可谓困难重重。它不仅是对自己前面所学电力电子技术和运动控制理论的一种检验，而且也是对自己能力的一种挑战。以前，从没独立完成过如此庞大的课设题目，起初，我不知道如何下手，不知道如何确定控制芯片，也不知道如何连接线路以及如何控制PWM调速。一时间，手忙脚乱，但是在我静下心来后，我认真的研究课设内容，虚心的查阅相关资料，以及耐心的联系自己的所学知识后。慢慢的，我对实验原理有了准确的认识，也明白了原理图的连接方法，以及如何选择各个部件。最终在我耐心的设计下，完成了这次课设。通过本次课程设计，一方面培养了我独立动手，独立思考，查阅相关资料独立去发现，面对，分析和解决问题的能力，同时增强了自己理论联系实践，学以致用的能力。这大大激发了我对学习课本知识的兴趣。在课程设计中，我也接触到了许多新知识，这大大拓宽了我的视野。然而，另一方面，我也发现我对所学知识掌握的还不够牢靠，对所学知识的应用还不够娴熟，自己的动手和思考能力还有待提高。我明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。总之，本次课程设计，我受益匪浅。参考文献：[1]许晓峰.电机及拖动[M].第1版.北京：高等教育出版社，2004.[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].第3版.北京：机械工业出版社，2003.[3]王晓明.电动机的单片机控制[M].第1版.北京：北京航空航天大学出版社，2002.[4]李锡雄.脉宽调制技术[M].第1版.武汉：华中理工大学出版社，2000.[5]吴守箴.电气传动的脉宽调制控制技术[M].第1版.北京：机械工业出版社，2002.运动控制系统期中考试姓名：唐丹学号：0806050127专业：自动化班级：08012011年5月25日