H桥可逆直流调速系统设计论文

燕山大学CDIO课程项目研究报告项目名称：H桥可逆直流调速系统设计与实验小组成员：指导教师：王立乔日期：2015年6月24日2目录前言………………………………………………………………………………………………1摘要………………………………………………………………………………………………2第一章调速系统总体方案设计………………………………………………………………51.1转速、电流双闭环调速系统的组成………………………………………………………61.2.稳态结构图和静特…………………………………………………………………………71.2.1各变量的稳态工作点和稳态参数计算……………………………………………81.3双闭环脉宽调速系统的动态性能…………………………………………………………91.3.1动态数学模型………………………………………………………………………101.3.2起动过程分析………………………………………………………………………111.3.3动态性能和两个调节器的作用……………………………………………………12第二章H桥可逆直流调速电源及保护系统设计……………………………………………13第三章调节器的选型及参数设计……………………………………………………………153.1电流环的设计……………………………………………………………………………163.2转速环的设计………………………………………………………………………………17第四章Matlab/Simulink仿真…………………………………………………………………19第五章实物制作………………………………………………………………………………22第六章性能测试………………………………………………………………………………246.1SG3525性能测试…………………………………………………………………………256.2开环系统调试……………………………………………………………………………26总结……………………………………………………………………………………………28参考文献………………………………………………………………………………………283前言在现代化的工业生产过程中，许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起制动和反转等良好的动态性能，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内基本几乎都采用直流电力拖动系统。开环直流调速由于自身的缺点几乎不能满足生产过程的要求，在应用广泛的双闭环直流调速系统中，传统的PID控制已经得到比较成熟的应用，但是受电动机负载等非线性因素的影响，传统的控制策略在实际应用中难以保持设计是的性能。由于模拟控制技术的日渐成熟，又由于模糊控制不依赖于被控对象的精确数字模型，能够克服非线性因素的影响，对调节对象参数变化具有较强的鲁棒性，所以将模糊控制与传统的PID控制结合可以起到满意的控制效果，在此基础上提出自调整因子[图片]模糊控制器，根据控制的误差值，通过适当的调节规则来调整一些控制参数值，从而用于高精度直流调速系统中，具有响应快、超速小，对系统参数及结构变化适应性强的优点。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。项目预期成果：设计一个双闭环可逆直流调速系统，实现电流超调量小于等于5%；转速超调量小于等于5%的无静差调速系统。项目分工：4摘要本设计的题目是基于SG3525的双闭环直流电机调速系统的设计。SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。如果对系统的动态性能要求较高，则单闭环系统就难以满足需要。而转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。本设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路，本课题内容重点包括调速控制器的原理，并且根据原理对转速调节器和电流调节器进行了详细地设计。概括了整个电路的动静态性能，最后将整个控制器的电路图设计完成,并且进行仿真。关键词：双闭环直流可逆调速系统、H桥驱动电路、SG3525信号产生电路、PI调节器、MATLAB仿真5第一章调速系统总体方案设计1.1转速、电流双闭环调速系统的组成直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，在此系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，这是为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用。转速调节器与电流调节器串级联结，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。其中脉宽调制变换器的作用是：用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，达到设计要求。图1.双闭环直流调速系统的结构框图从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。1.2稳态结构图和静特性++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLM-MTGUPE6为了分析双闭环调速系统的静特性，绘出了它的稳态结构图，如图2所示。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和：输出达到限幅值；不饱和：输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U在稳态时总是为零。图2双闭环调速系统稳态结构图—转速反馈系数;—电流反馈系数这种PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和和不饱和。输出如果达到限幅值就是饱和，输出如果没有达到限幅值就是不饱和。当输出为恒值，输入量的变化不会再影响输出时，调节器处于饱和状态。当PI的作用使输入偏差电压U在稳态时总是等于零时，调节器处于不饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时，转速负反馈起主要调节作用，此时，系统表现为转速无静差。当转速调节器处于饱和输出时，负载电流达到最大电流，电流调节器起主要调节作用，此时，系统表现为电流无静差。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性要好得多。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1）转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此*nnUUn7和*iidUUI由第一关系式可得：0inUnn（2—1）从而得到图3静特性的0nA段。与此同时，由于ASR不饱和，*iU〈*imU，从上述第二个关系式可知：dI〈dmI。这就是说，0nA段静特性从dI=0（理想空载状态）一直延续到ddmII。而dmI一般都是大于额定电流dnomI的，这就是静特性的运行段。2）转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值*imU，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时*imddmUII式中，最大电流dmI是设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加度所描述的静特性是图3中的A-B段。这样的下垂特性只适合于n0n的情况。因为如果0nn，则*nnUU，ASR将退出饱和状态图3双闭环调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时dmI表现为转速无静差，这时，8转负反馈起主要调节作用。当负载电流达dmI后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流至负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，静特性的两段实际上都略有很小的静差。1.2.1各变量的稳态工作点和稳态参数计算由图3可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系*0nnUUnn（1—1）*iiddlUUII（1—2）*doedendlctssSUCnIRCUIRUkKK（1—3）上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压*nU决定的，ASR的输出量*iU是由负载电流dlI决定的，而控制电压ctU的大小则同时取决于n和dlI，或者说，同时取决于*nU和dlI。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数：*maxnmUn（1—4）电流反馈系数：*imdmUI（1—5）两个给定电压的最大值*imU和*nmU是受运算放大器的允许输入电压限制的。91.3双闭环脉宽调速系统的动态性能1.3.1动态数学模型考虑到双闭环控制的结构可绘出双闭环调速系统的动态结构图，如图4所示。图中ASRSW和ASCSW分别表示转速和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，电机的动态结构图中必须把电流dI显露出来。ACRASR11oiST11onST1onST1oiST)(*SUn1/1lTR1SSTkSTRmeC1)(*SUi+-+-+-+-IdL(S)E(S)Ui（s）Un(s)n（s）Id(s)电流环图4双闭环直流调速系统的动态结构框图1.3.2起动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环调速系突加给定电压*nU由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图5所示。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。10(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程(b)理想快速起动过程图5调速系统起动过程的电流和转速波形1.3.3动态性能和两个调节器的作用1）动态跟随性能双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应该强调有良好的跟随性能。2）动态抗扰性能1．抗负载扰动由图6动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此，在突加（减）负载时，必然会引起动态速降（升）。为了减少动态速降（升