运动控制课程设计-不可逆直流PWM双闭环调速系统.doc

运动控制课程设计：不可逆直流pwm双闭环调速系统学号：姓名：班级：自动化一班指导老师：运动控制课程设计1、 给定条件、技术指标：系统形式：不可逆（无制动功能）直流pwm双闭环调速系统直流电动机（他励、立此电路参数略）：额定功率pn为10kw、额定转速nn为1500r/min、额定电流in为51.82a、额定电压un为220v、电枢电阻ra为0.26、允许过载倍数=1.5系统总飞轮矩gd2：10.1nm2测速发电机：额定转速为1900r/min、额定电压为110v、额定电流为0.21a电流检测：采用霍尔电流传感器电枢回路总电阻（计及整流器的等效内阻等）：r=3ra脉宽调制器的调制波周期tpwm设计值（建议）为100s系统技术指标：调速范围d=20、静差率s0.05、电流超调量i%5%、空载启动到额定转速时的转速超调量n%10%最小不间断电枢电流imin=5%in2、设计内容调速方案的选择与论证 要求通过方案比较后，主电路采用三相整流变压器降压、二极管三相桥式整流、电容滤波获得斩波输入直流电源， igbt 直流降压斩波器获得可控直流电源的方案；控制系统采用转速、电流双闭环控制方案。主电路设计计算主要包括：整流变压器计算 二次侧电压计算，一次侧、二次侧电流计算，容量计算，整流二极管选择，滤波电容选择，igbt 选择，保护元件的选择、平波电抗器电感计算。igbt驱动电路的选用（设计）控制器设计计算主要包括：脉宽调制集成电路的选用，转速反馈环节和电流反馈环节的设计计算，调速系统的稳态参数计算，运用工程设计方法进行电流调节器和转速调节器的设计等。一、 主电路设计计算：1、整流变压器的计算考虑电源电网波动系数 三相桥式整流电压系数 直流斩波器输入电压: 电枢回路平波电抗器为: 则 一次测容量：2、整流变压器的选择（1）整流二极管的选择在一个电源周期中，整流器输出电流有6个波头，流过每一个二极管的是其中两个波头，因此流过二极管电流有效值 。二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值， 。考虑 3-5 倍的裕量，取整流二极管参数为： 。由此我选用了三菱公司的 cm300dy-24a，此二极管的参数：（2）滤波电容的选择电机的额定功率为10kw,为了保证电压的纹波系数足够小，取滤波电容为几千uf 级。因此，选用4700uf/450v 的电容作为滤波电容。（3）igbt 选择主电路正常工作电流为51.82a，主回路电源电压为180v，考虑到留有充分的裕量，取igbt 为 ir 公司的 irkt162-12，其参数为 1200v/110a。其栅极电阻取为。二、igbt 驱动电路的选用本系统igbt的驱动电路采用美国ir公司的ir2110驱动器，它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点。输出端电压范围是10-20v,逻辑端电眼范围是5-15v。工作频率高达500khz，开通、关断延时小，分别为120ns和94ns。由于设计要求，由公式可以计算得出。但是一般锯齿波发生最好选取大电阻小电容或小电阻大电容组合。我这里选取 三、控制器设计计算1、脉宽调制集成电路的选用采用电压脉宽型 pwm 控制芯片sg3524a，以及ir2110驱动芯片，用功率开关器件igbt模块方案实现直流供电。sg3524a是电压型pwm 集成控制器，外接元器件少，性能好，包括开关稳压所需的全部控制电路。其主要特性包括：外同步、软启动功能；死区调节、欠压锁定功能；误差放大以及关闭输出驱动信号等功能； 输出级采用推挽式电路结构，关断速度快，输出电流士400ma；可提供精密度为5v 士1 的基准电压；开关频率范围100hz-400khz。其内部结构主要包括基准电压源、欠压锁定电路、锯齿波振荡器、误差放大器等，如图所示。 sg3524内部结构图2、电动机部分参数计算（1）电动机的电动势系数（2）系统的机电时间常数：3、测速发电机部分参数的计算（1）根据测速发电机的额定数据，有（2）电位器 rp 的选择方法如下：为了使测速发电机的电枢压降对转速检测信号的有显著影响，取测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的 20%，则此时rp 所消耗的功率为选用的电位器。4、 pwm 部分参数计算 （1）电压放大倍数：（2）延迟时间： = =（3）传递函数为： 5、 调速系统稳态参数计算 （1）为满足调速系统的稳态性能指标,额定负载时的稳态速将为： （2）求闭环系统应有的开环放大系数 开环系统的额定速降为：则闭环系统的开环放大系数应为:（3）电流反馈系数和转速反馈系数: 又调速均采用 pi 调节器调速，属于无静差调速，则转速反馈系数 电流反馈系数： 6、 电流调节器(acr)的设计 、确定时间常数b （1） pwm 装置滞后时间常数。由pwm部分参数计算结果得（2） 电流滤波时间常数（3） 电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取 。 选择电流调节器的结构：根据设计要求电流超调量，并保证稳态电流无差，可以按照典i型系统设计电流调节器，电流环调节对象是双惯性的，因此可以用pi 型电流调节器，其传递函数为： 计算电流调节器参数：电流调节器超前时间常数：电流环开环增益：由，按表2-2，应取,因此，于是，acr 的比例系数为校验近似条件电流环截止频率：pwm 变换与控制器传函的近似条件满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件，满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件，满足近似条件。计算调节器电阻和电容 按所用的运算放大器取，各电阻和电容为 7、 转速调节器（asr）的设计 确定时间常数 电流环等效时间常数： 转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取转速环小时间常数 。小时间常数近似处理，取 选择转速调节器结构 按设计要求，选用pi调节器，其传递函数为： 计算转速调节器参数 按跟随性和抗扰性都比较好的原则，取h = 5，则asr 的超前时间常数为： 由公式可求得转速环开环增益： 于是，可得到asr 的比例系数为： 检验近似条件 转速环截止频率为电流环传递函数简化条件为 满足简化条件。转速环小时间常数近似条件为 满足近似条件。 计算调节器电阻和电容 按所用的运算放大器取，各电阻和电容为:计算理想空载启动时转速超调量 由教材可得。设理想空载起动时当h=5时, 8、电源模块稳定输出15v、5v 电压。四、系统仿真1、电气原理图2、 仿真模型阶跃给定转速为1500，无干扰时，转速和电流的波形如下转速波形图局部放大，由图得：转速峰值：1587稳态值：1515超调量：4.7%峰值时间0.45s上升时间tr=0.42s电流波形图局部放大，得:电流峰值：80稳态值：77 超调量=3.9%仿真波形分析： 第一阶段是电流上升阶段：突加给定电压，由于转速很小，转速调节器输出保持限幅值，强迫电流 id迅速上升，直到 id=idmin。 第二阶段恒流升速阶段：asr 始终饱和，id保持恒定，转速线性增长。 第三阶段转速调节阶段：当转速达到给定值，由于 asr 的积分作用，仍在加速，转 速超调后，asr 输出为负，开始退饱和，由于id仍大于负载电流，转速仍然增加，直到 id等于负载电流，转速达到最大值。然后在负载的作用下，转速下降，经过一段时间调整，转速稳定，电流也达到稳定。阶跃给定转速分别为150、300、600、1000、1500时的仿真波形仿真模型如下：仿真波形图如下仿真波形图如下： 转速波形电流波形抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能： 给定转速=1200，系统稳定运行中，负载转矩阶跃变化。负载扰动为在0.6s处给予的阶跃扰动。仿真波形图为：负载扰动作用在电流环之外，因此只能靠转速调节器asr来抗负载扰动，在突加负载时，必然会引起动态速降为了减少动态速降，在设计速度环时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于电流环来说，只需电流环具有良好的快速跟随性能。给定转速=1200，系统稳定运行中，电网电压波动。仿真模型图如下：仿真波形如图： 转速波形 电流波形电网电压扰动在电流环之内，因此电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才反馈回来，因此使抗扰性能得到改善。五、设计感想：通过一个半周的课程设计学习，我首先对于不可逆（无制动功能）直流pwm双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。我想无论是在学习还是在生活中只有自己有心去学习和参与才有可能有收获，这也算是这连续几次的课程设计带给我的一些感悟吧。以前一直觉得理论知识离我们自己很远，尤其是在找工作的过程中，自己眼中的感觉到自己之前所学到的知识基本上忘得一干二净。经过连续的课程设计，才发现理论与生活的联系。大大激发了自己对于课本知识的兴趣。无论怎样，作为一个工科生，都要考虑到理论联系实际的很多情况。本课题是在查找了大量的资料的基础上完成的。由于不可逆（无制动功能）直流pwm双闭环调速系统属于多环控制系统。在课程设计的时候采用由内向外的，一环包围一环的系统结构。每一环都有相应的控制器，电流环在内，转速环在外。每一个都构成一个完成的闭环系统，在具体涉及的时候，先由内环电流环开始，根据电流控制要求，把电流校正为典i型系统，按照调节对象选择调节器和参数。设计完电流环之后，就把电流环等效成一个小惯性