直流脉宽调速系统设计与研究-调节器设计

沈阳理工大学课程设计论文 摘 要 自动控制系统课程设计 是自动化专业的重要课程设计之一 是在学生完 成自动控制系统理论学习后 对相关的各种类型系统所进行的课程设计 是自 动控制系统课程教学中的一个重要环节 当今 自动化控制系统已经在各行各 业得到了广泛的应用和发展 而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生 产中起着主要作用 本文主要研究直流调速系统 它主要由三部分组成 包括 控制部分 功率部分 直流电动机 长期以来 直流电动机因其具有调节转速 比较灵活 方法简单 易于大范围内平滑调速 控制性能好等特点 一直在传 动领域占有统治地位 微机技术的快速发展 在控制领域得到广泛应用 本文对基于微机控制的 闭环可逆直流 PWM 调速系统进行了较深入的研究 从直流调速系统原理出发 逐步建立了闭环直流 PWM 调速系统的数学模型 用微机硬件和软件发展的最新 成果 探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法 研究工作在对 控制对象全面回顾的基础上 重点对控制部分展开研究 它包括对实现控制所 需要的硬件和软件的探讨 控制策略和控制算法的探讨等内容 在硬件方面充 分利用微机外设接口丰富 运算速度快的特点 采取软件和硬件相结合的措施 实现对转速 闭环调速系统的控制 课设分析了系统工作原理和提高调速性能的方法 研究了 IGBT 模块应用 中驱动 吸收 保护控制等关键技术 在微机控制方面 通过实时试与调节电动 机的转速 此调速系统可获得快速 精确的调速效果 通过课程设计 学生将 进一步掌握电力拖动自动控制系统理论和电力拖动自动控制系统设计过程 对 稳态参数计算以及电力拖动控制系统的工程设计方法进行实践运用 并且加深 对电力拖动自动控制系统结构的了解 关键词 直流可逆调速 数字触发 PWM 数字控制器 沈阳理工大学课程设计论文 引 言 矿井提升机是煤矿 有色金属矿中的重要运输设备 是 四大运转设备 之一 矿井提升系统环节多 控制复杂 运行速度快 惯性质量大 运行特性 复杂的特点 且工作状况经常交转换 近几年 交流调速飞速发展 逐渐有赶 超并代替直流调速的趋势 直流调速理论基础是经典控制理论 而交流调速主 要依靠现代控制理论 不过最近研制成功的直流调速器 具有和交流变频器同 等性能的高精度 高稳定性 高可靠性 高智能化特点 同时直流电机的低速 特性 大大优于交流鼠笼式异步电机 为直流调速系统展现了无限前景 单闭 环直速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足 快速性还不够好 而基于电流和转的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想 而且 直流电机 由于具有速度控制容易 启 制动性能良好 且在宽范围内平滑调速等特点而 在冶金 机械制造 轻工业等工业部门中得到广泛应用 直流时机转速的控制 方法可以分为两类 即励磁控制法与电枢电压控制法 本文主要研究直流调速 系统 它主要由三部分组成 包括控制部分 功率部分 直流电动机 长期以 来 直流电动机因其具有调节转速比较灵活 方法简单等特点 一直在传动领 域占有统治地位 本文对双闭环可逆直流 PWM 调速系统进了较深入的研究 从 直流调整系统原理出发 逐步建立了闭环直流 PWM 调整系统的模型 沈阳理工大学课程设计论文 1 课程设计目的及任务 掌握双闭环可逆直流脉宽调速系统的组成 原理及各主要单元部件的工作 原理 熟悉直流 PWM 专用集成电路 SG3525 SG3524 等的组成 功能与工作原理 掌握 H 型 PWM 变换器的双极式控制方式的原理与特点 掌握双闭环可逆直流脉 宽调速系统的调试步骤 方法及参数的整定 对先修课程 电力电子学 自动控制原理等 的进一步理解与运用 运用 电力拖动控制系统 的理论知识设计出可行的直流调速系统 通过建模 仿 真验证理论分析的正确性 也可以制作硬件电路 同时能够加强同学们对一些 常用单元电路的设计 常用集成芯片的使用以及对电阻 电容等元件的选择等 的工程训练 达到综合提高学生工程设计与动手能力的目的 本次课程设计任务 首先总体方案的确定 主电路原理 元件选择 参数 计算 掌握系统原理图 稳态结构图 动态结构图 主要硬件结构图 进一步 学会控制电路设计 原理分析 主要元件 参数的选择 调节器的设计以及参 数计算等 通过实验指导书进行课程设计和实验 沈阳理工大学课程设计论文 2 设计方案的确定 自动控制系统的设计一般要经历从 机械负载的调速性能 动 静 电 机参数 主电路 控制方案 系统方案的确定 系统设计 仿真研究 参数整定 直到理论实现要求 硬件设计 制版 焊接 调试 等过程 其中 系统方案的确定至关重要 为了发挥同学们的主管能动作用 且避免方案及结 果雷同 在选定系统方案时 规定外的其他参数有同学自己选定 2 1 主电路设计 主电路采用二极管不可控整流 逆变器采用带续流二极管的功率开关管 IGBT 构成 H 型双极式控制可逆 PWM 变换器 2 2 调节器设计 速度调节器和电流调节器采用 PI 调节器 2 3 机械负载参数 机械负载为反抗性恒转矩负载 调速范围 D 4 直流发电机 转动惯量WP N 100 VU N 220 AI N 5 0 Nrnmin 1500 22 065 0 NmGD 2 4 主电源参数 可以选择单相交流 220V 供电 变压器二次电压为 67V 2 5 他励直流电动机的参数 沈阳理工大学课程设计论文 过载WP N 185 VU N 220 AI N 1 1 Nrnmin 1600 倍数 5 1 3 设计所需设备及仪器 3 1 所需设备 1 MCL 32 电源控制屏 2 MCL 31 组件 3 MCL 10 组件 4 MEL 11 挂箱 5 MEL 03 三相可调电阻 6 电机导轨及测速发电机 7 直流电动机 M03 直流发电机 M01 3 2 所需仪器仪表 1 示波器 2 万用表 沈阳理工大学课程设计论文 4 课程设计原理及内容 4 1 双闭环调速系统的结构图 直流双闭环调速系统的结构图 4 1 所示 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 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 沈阳理工大学课程设计论文 图 4 1 双闭环调速系统的结构图 4 2 H 桥双极式逆变器的工作原理 脉宽调制器的作用是 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 从而平均输出电压的大小 以调节电 机转速 H 形双极式逆变器电路如图 1 2 所示 这时电动机 M 两端电压的极性随 AB U 开关器件驱动电压的极性变化而变化 图 4 2 H 形双极式逆变器电路 双极式逆变器的四个驱动电压波形如下图所示 沈阳理工大学课程设计论文 O O O O Ug1Ug4 Ug2Ug3 UAB Us Us id id1 id2t t t t tonT tonT 图 4 3 H 形双极式逆变器的驱动电压波形 他们的关系是 在一个开关周期内 当 1423gggg UUUU 时 晶体管 饱和导通而 截止 这时 当0 on tt 1 VT 4 VT 3 VT 2 VT ABs UU 时 截止 但 不能立即导通 电枢电流经 on ttT 1 VT 4 VT 3 VT 2 VT d i 2 VD 续流 这时 在一个周期内正负相间 这是双极式 PWM 变换 3 VD ABs UU AB U 器的特征 电动机的正反转体现在驱动电压正 负脉冲的宽窄上 当正脉冲较 宽时 则的平均值为正 电动机正转 当正脉冲较窄时 则反转 2 on T t AB U 如果正负脉冲相等 平均输出电压为零 则电动机停止 2 on T t 双极式控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为 4 1 2 1 ononon dss tTtt UUU TTT 如果定义占空比 电压系数 on t T d s U U 则在双极式可逆变换器中 沈阳理工大学课程设计论文 4 2 21 调速时 的可调范围为 0 1 相应的 当时 为正 1 1 1 2 电动机正转 当时 为负 电动机反转 当时 电动机停 1 2 1 2 0 止 但电动机停止时电枢电压并不等于零 而是正负脉宽相等的交变脉冲电压 因而电流也是交变的 这个交变电流的平均值等于零 不产生平均转矩 徒然 增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点 但它也有好处 在电动机停止时仍 然有高频微震电流 从而消除了正 反向时静摩擦死区 4 3 课程设计实验内容 4 3 1 PWM 控制器 SG3525 性能测试 分别连接 3 和 5 4 和 6 7 和 27 31 和 22 32 和 23 然后打开面板右下角的电源开关 1 用示波器观察 25 端的电压波形 记录波形的周期 幅度 包括 S1 开 关拨向 通 和 断 两种情况 2 S5 开关打向 0V 用示波器观察 30 端电压波形 调节 RP2 电位器 使 方波的占空比为 50 S5 开关打向 给定 分别调节 RP3 RP4 记录 30 端 输出波形的最大占空比和最小占空比 分别记录 S2 打向 通 和 断 两种情 况 4 3 2 控制电路的测试 1 逻辑延时时间的测试 S5 开关打向 OV 用示波器观察 33 和 34 端的输出波形 并记录延时 时间 Td 2 同一桥臂上下管子驱动信号死区时间测试 分别连接 7 和 8 10 和 11 12 和 13 14 和 15 16 和 17 18 和 19 用双踪示波器分别测量 Vvt1 gs 和 沈阳理工大学课程设计论文 Vvt2 gs 以及 Vvt3 gs 和 Vvt4 gs 的死区时间 Td vt1 vt2 Td vt3 vt4 4 3 3 开环系统测试 1 速度反馈系数的测试 断开主电源 并逆时针调节调压器旋钮到底 断开 9 10 所接的电阻 接入直流电动机 M03 电机加上励磁 S4 扳向上 合上主电源 调节 RP3 电位器使电机转速逐渐升高 并达到 1400r min 调节 FBS 的反馈电位器 RP 使速度反馈电压为 2V 2 开环系统机械特性测定 使电机转速达 1400r min 改变直流发电机负载电阻 Rd 在空载至额定负载范 围内测取 7 8 个点 记录相应的转速 n 和直流发电机电流 Id 表 4 1 N 1400r min n r min1400130812901270125012401225 Id A0 140 370 420 50 60 650 75 调节 RP3 使 n 1000r min 和 n 500r min 做同样的记录 可得到电机在中速和 低速时的机械特性 表 4 2 N 1000r min n r min1000932915900875856836 Id A0 120 280 350 40 50 60 7 沈阳理工大学课程设计论文 表 4 3 N 500r min n r min500460430425400395375 Id A0 10 20 250 30 350 40 5 断开主电源 S4 开关拨向 负给定 然后按照以上方法 测出系统的反向机 械特性 表 4 4 N 1500r min n r min 1500 1390 1380 1369 1355 1340 1335 1300 Id A 0 1 0 35 0 4 0 44 0 5 0 55 0 6 0 75 表 4 5 N 1000r min n r min 1000 923 900 890 875 865 848 Id A 0 1 0 28 0 35 0 4 0 45 0 5 0 6 表 4 6 N 500r min n r min 500 455 428 414 400 387 375 348 Id A 0 08 0 16 0 25 0 3 0 35 0 4 0 45 0 6 4 3 4 闭环系统测试 将 ASR ACR 均接成 PI 调节器接入系统 形成双闭环不可逆系统 1 速度调节器的测试 a 反馈电位器 RP3 逆时针旋转到底 使放大倍数最小 沈阳理工大学课程设计论文 b 5 6 端接入 MEL 11 电容器 预置 5 7 5uF c 调节 RP1 RP2 使输出限幅为正负 2V 2 电流调节器的测试 a 反馈电位器 RP3 逆时针旋转到底 使放大倍数最小 b 5 6 端接入 MEL 11 电容器 预置 5 7 5uF c S5 开关打向给定 S4 开关板向上 调节 MCL 10 的 RP3 电位器 使 ACR 正 饱和 调节 ACR 的正限幅电位器 RP1 用示波器观察 30 的脉冲 不可移出 范围 S5 开关打向给定 S4 开关打向下至负给定 调节 MCL 10 的 RP4 电位器 使 ACR 输出负饱和 调整 ACR 的负限幅电位器 RP2 用示波器观察 30 的脉 冲 不可移出范围 4 3 5 系统静特性测试 由于采用了脉宽调制 电流波形都是连续的 因而机械特性关系式比较简 单 电压平衡方程如下 4 3 d sd di URiLE dt 0 on tt 4 4 d sd di URiLE dt on ttT 按电压平衡方程求一个周期内的平均值 即可导出机械特性方程式 电枢 两端在一个周期内的电压都是 平均电流用表示 平均转速 ds UU d I 而电枢电感压降的平均值在稳态时应为零 于是其平均值方程 e nE C d di L dt 可以写成 4 5 sdde URIERIC n 则机械特性方程式 沈阳理工大学课程设计论文 4 6 0 s dd eee URR nInI CCC 1 机械特性 n f id 测定 S5 开关打向给定 S4 开关扳向上 调节 MCL 10 的 RP3 电位器 使电机空载转 速至 1400r min 再调节发电机负载电阻 Rd 在空载至额定负载范围内分别记录 7 8 点 可测出系统正转时的静特性曲线 表 4 7 N 1400r min n r min151915201525152215221522 Id A0 130 40 50 550 60 7 S5 开关打向给定 S4 开关打向下至负给定 调节 MCL 10 的 RP4 电位器 使电 机空载转速至 1400r min 再调节发电机负载电阻 Rd 在空载至额定负载范围 内分别记录 7 8 点 可测出系统反转的静特性 表 4 8 n 1500r min 2 闭环控制特性 n f UG 的测定 S5 开关打向给定 S4 开关扳向上 调节 MCL 10 的 RP3 电位器 记录 Ug 和 n 可得出闭环控制特性 n f UG 表 4 9 n r min510709237900103511881319 Ug V1 121 510 581 882 132 422 67 n r min 1510 1510 1499 1502 1503 1504 1503 Id A 0 4 0 45 0 5 0 55 0 65 0 7 0 75 沈阳理工大学课程设计论文 4 3 6 系统动态波形的观察 用示波器观察动态波形并记录动态波形 在不同调节器参数下观察 记录下列 波形 1 突加给定启动时 电动机电枢电流波形和转速波形 2 突加额定负载时 电动机电枢电流波形和转速波形 3 突降负载时 电动机电枢电流波形和转速波形 图 4 4 4 3 7 系统参数测定 1 主电路电阻 R 及电机的电枢电阻 Ra 平波电抗器的直流电阻 Rl 和整流装 置的内阻 Rn 首先测出主电路电阻 R 然后将 Ra 短路 测出 Rl 和 Rn 总和 用 R Rl Rn 即可得出电阻 Ra 的值 接着将电阻 Rl 短路 测出 Rn 和 Ra 之和 用 R Rn Ra 即可得出 Rl 的值 最后用 R Rl Ra 即可得出 Rn 的值 表 4 10 测定总电阻 R 沈阳理工大学课程设计论文 I A0 90 45 U v6483 可得 R U I 83 64 0 9 0 45 42 23 将电枢电阻 Ra 短路 表 4 11 测得其他电阻 I A0 90 45 U v7483 可得 Ra