运动控制课程设计-直流脉宽调速系统设计.doc

直流脉宽调速系统设计班级： 姓名： 学号：指导老师： 直流脉宽调速系统设计摘要：长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域和高开关频率、全控型第二代电力半导体器件的发展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。目前,市场上用的最多的IGBT直流斩波器,它是属于全控型斩波器，它的主导器件采用国际上先进的电力电子器件IGBT，由门极电压控制，从根本上克服了晶闸管斩波器及GTR 斩波器的缺点。本次课程设计采用集成脉宽调制器以及调节器构成转速、电流双闭环的直流调速系统，转速环将电动机的的转速转化为电压信号与电压给定相比较，经转速调节器作用产生电流调节器的给定信号。电枢电流反馈信号与转速调节器的输出信号经电流调节器作用产生控制信号。因此需要设计电流检测、转速检测电路，以及ACR和ASR的模型。此外主电路要求设计驱动电路、保护电路和直流斩波电路，降压斩波电路，通过控制可控器件的占空比来控制输出电压的大小。主电路中的可控性器件通过集成脉宽调制器控制，来控制其开通和关断。最终形成直流电动机斩波调速系统。关键词：斩波电路 转速调节器 电流调节器 脉宽调制器 保护和检测电路一、设计要求(一) 设计题目和给定条件、技术指标1. 设计题目：直流脉宽调速系统设计2. 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，励磁电路参数略）：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0.26W、允许过载倍数 l=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100us系统技术指标:调速范围 D=20、静差率 0.05、电流超调量+5%、空载起动到额定转速时的转速超调量+10%最小不间断电枢电流 IMIN=5%IN(二) 设计内容1. 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。2. 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。3. IGBT 驱动电路的选用（设计）4. 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。(三) 系统的计算机仿真 基于MATLAB对所设计的直流脉宽调速系统进行计算机仿真实验。(四) 课程设计报告的主要内容1. 设计说明书（主要包括给定条件、技术指标；技术方案的论证与说明；系统工作原理简介；所有设计计算公式、数据以及结果（含近似条件校核）等。）2. 元件明细表及电气原理图3. 仿真模型4. 仿真结果及分析打印下列过程的仿真波形和实际时域性能指标：1) 起动性能：阶跃给定转速分别为150 r/min、300r/min、600r/min、1000r/min、1500r/min。2) 抗负载扰动和抗电网电压扰动性能： 给定转速n*为1200 r/min，系统稳定运行中，负载转矩阶跃变化。 给定转速n*为1200 r/min，系统稳定运行中，电网电压波动。（五）设计评述2、 设计分析由题目要求根据所学知识分析可知，系统主要由电压给定环节、转速调节器、电流调节器、转速反馈环节、电流反馈环节、脉宽调制电路、触发电路、控制电路，直流斩波电路等几个主要部分组成。其主电路为直流斩波电路，通过控制电路中可控器件的导通时间，改变占空比可达到控制其输出电压大小的目的，其输出电压加在电动机两端，可方便调节直流电动机的转速。控制电路主要用来产生控制IGBT的信号。采用双闭环调速系统，可是系统响应速度更快，对电网电压波动及负载扰动等干扰因素抑制作用增强。三、主电路参数计算1、变压器参数计算设电网波动系数a,采用的直流斩波得到的PWM波的最大占空比为b，三相不控整流桥电压系数为c，直流斩波器输入电压为，二次相电压有效值,二次相电流有效值，变压器功率P；电机过载倍数，电机电动势系数，电动机额定电压电机额定电流,额定转速,电枢电阻，整流主装置内阻，则有：1）电动机的电动系数2）考虑电网波动系数（-10%+5%）因此保证电网电压最低时还能正常供电故应考虑其最低值故取电网电压波动系数a=0.9。3）直流斩波的最大占空比b=0.94）三相不控整流桥电压系数c=2.34因此代入数据即可得：即可得取V因此直流斩波器输入电压，考虑励磁电流此时取：变压器件额定容量2、 二极管不控整流桥设计：采用三相桥式整流电路如图所示：图2 三相桥式整流电路原理图（1）二极管参数：根据电容滤波三相不可控整流桥理论，流经整流二极管的电流有效值二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，考虑到35倍的裕量，选取，（2）滤波电容的设计：参考运动控制系统的设计，几千瓦的拖动系统选用泵升电容一般选取几千微法拉，为保证电压的纹波系数足够小，可选用的电容作为泵升电容。IGBT的选择：电机额定工况下，主回路电源电压，应该考虑留有一定的裕量。四、PWM产生电路及IGBT驱动电路（1）IGBT驱动电路的选择：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。设计中PWM频率，由公式，一般锯齿波发生器选取大电阻小电容或小电阻大电容，这里选取 （2）PWM集成电路芯片的设计：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： 根据频率公式 在1.8K100K之间，选取 （注意，PWM锯齿波最大幅值3.5V）5、 电流检测本次设计的电流检测使用霍尔传感器如下图所示：电流检测电路参数选取：设计时，考虑到放大器由电源供电，故ASR设定限幅值，由于PWM最大输入电压5V，ACR限幅给定电压也取，用于计算速度反馈环节的反馈系数。根据电机过载系数和ACR限幅值，可以计算出LEM模块采样电阻的大小六、其他参数计算（一）电枢回路平波电抗器的参数选择： （二）测速发电机参数：（1） 测速发电机电动势系数（2） 电位器参数选择如下：转速反馈系数，选取，在额定工况下，转速反馈电压为即，选取给定直流稳压源，则 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 此时上消耗的功率为：选取的电位器，（三）直流斩波部分参数计算PWM功率放大器的传递函数：（1） 电压放大倍数：（2） 时间常数 取（3） 功率放大环节的传递函数：（四）ACR设计1、确定时间常数整流装置滞后时间常数，PWM模块 。电流滤波时间常数，为了基本滤平波头，取。电流环小时间常数电枢回路电磁时间常数，为增强电流调节器的抗电网电压干扰性能，保证平波电抗器的作用，选取L=2.7mL2、选择电流调节器结构根据设计要求，并保证电流无差，可按照典型系统设计 电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型调节器，其传递函数检查对电源电压的抗扰性能：，查表可知，系统抗扰性能各项指标可以接受。3、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：要求，查表应取电流反馈系数：4 校验近似条件电流环截止频率：PWM装置传递函数的近似条件 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电力拖动系统机电时间常数， 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。5、计算调节器的电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻电容值为取按照上述参数设置，电流环可以达到的动态跟随性能指标，满足设计要求。原理图如下图：（五）ASR的设计：1 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：按小时间常数近似处理，取2 选择转速调节器结构按照设计要求，选择PI调节器，其传递函数：3 计算转速调节器参数按跟随性和抗干扰性都较好的原则，试选择，则ASR超前时间常数开环增益则ASR比例系数4 近似条件校验开环截止频率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处理条件为满足近似条件。5、 计算调节器的电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻电容值为取为取为6、 计算调速系空载起动到额定时的转速超调量设理想空载起动时z=0，又,且当h=5时；所以满足设计要求。原理图如下：7、 电源模块原理图如下：稳定输出15V和5V电压。八、电气原理图如下：1、 电气原理图其中PWM集成电路芯片SG3524的接法如下图：驱动芯片IR2110的典型接法如下图：2、 仿真模型3、 阶跃给定转速为1500r/min时，用MATLAB/SIMULINK仿真得转速与电流波形如下：(1) 转速波形(2) 电流波形4、 给定转速分别为 150r/min, 300r/min,600r/min,1000r/min，1500r/min,时仿真波形图如下：系统框图如下：（1） 转速波形（2） 电流波形 5、（1）抗负载扰动的性能： 给定转速n为1200r/min，系统稳定运行中，负载转矩阶跃变化时的仿真波形。（在0.6S的时候突加负载扰动）a）转速波形b）电流波形负载扰动在电流环之后，速度环之内，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用在突加负载时，必然会引起动态速降为了减少动态速降，必须在设计速度环时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于电流环的设计来说，只需电流环具有良好的跟随性能。 （2）抗电网电压扰动的性能给定转速n为1200r/min，系统稳定运行中，电网电压波动。 （在0.6S的时候突加电网电压扰动）a）转速波形b）电流波形在双闭环调速系统中电网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