双闭环直流调速系统的设计

电力拖动与运动控制系统电力拖动与运动控制系统 课程设计课程设计 姓 名 专 业 3 专 题 双闭环直流调速系统的设计 指导教师 设计地点 电工电子实验中心 2012 年 4 月 课程设计任务书 专业年级 任务下达日期 任务下达日期 2012 年 5 月 15 日 设计日期 设计日期 2012 年 5 月 21 日 至 2012 年 6 月 3 日 设计专题题目 设计专题题目 双闭环直流调速系统的设计 设计主要内容和要求 设计主要内容和要求 直流调速系统凭借其优良的调速性能在现场中得到了广泛使用 虽然 交流电机得到了越来越多的使用 但直流调速系统的理论完全适用于交流 电机调速系统的设计 针对附录中提供的直流电机参数 进行直流电机调速系统的设计 要 求该直流调速系统调速范围宽 起制动性能好 可四象限运行 具体设计 内容如下 1 根据直流调速系统的要求 制定系统总体方案 主要包括如下方面 根据直流调速系统的要求 制定系统总体方案 主要包括如下方面 1 对现有的直流调速产品进行调查 并运行所学知识加以分析 要求 必须给出一种具有代表性的直流调速产品 并给出系统控制框图 2 给出本设计中拟采用的主电路拓扑结构 并给出选择依据 3 采用数字处理器作为控制器 对目前调速系统中采用的数字处理器 进行调查 并选择一款用于本系统的数字处理器 2 直流调速系统的主电路设计 针对总体方案中选定的主电路拓扑结直流调速系统的主电路设计 针对总体方案中选定的主电路拓扑结 构 并结合附录中提供的直流电机参数进行如下设计 构 并结合附录中提供的直流电机参数进行如下设计 1 功率器件的选型 要求给出依据 2 针对所选择的功率器件 给出其触发或驱动电路的原理图 并对驱 动电路的原理简要说明 3 根据系统控制要求 选择相应的电压 电流和温度等传感器 要求 给出具体型号 4 要求在主回路设计中需给出相应的保护电路 3 直流调速系统的控制理论直流调速系统的控制理论 1 给出双闭环直流调速系统的动态结构框图 2 根据直流电动机和主回路参数 确定动态结构框图的具体参数 3 运用工程化设计方法对直流调速系统的调节器进行参数设计 要求 必须给出限幅的具体参数及依据 4 根据设计的 PI 调节器参数 要求给出带有内外限幅的 PI 调节器的 模拟量电路图 5 给出直流调速系统的完整结构框图 4 双闭环直流调速系统的双闭环直流调速系统的 Matlab 仿真仿真 1 根据上述双闭环直流调速系统的动态结构框图 建立 Matlab 仿真 模型 并对调节器参数设计的合理性进行验证 2 运用 Matlab Simulink 下的电机模型 建立基于电机模型的仿真模 型 并对调节器的参数作出调整 5 数字控制器的设计数字控制器的设计 1 硬件设计 根据所选数字处理器 进行相应硬件电路的设计 要求 包括 PWM 输出 AD 采样及信号处理电路 编码器接口等 2 软件设计 给出双闭环直流调速系统的整体控制流程图 并给出增 量式 PI 调节器 数字测速的程序流程框图 指导教师签字 日 期 摘 要 直流调速系统具有调速范围广 精度高 动态性能好和易于控制等优 点 所以在电气传动中获得了广泛应用 本文从直流电动机的工作原理入 手 建立了双闭环直流调速系统的数学模型 并详细分析了系统的原理及 其静态和动态性能 然后按照自动控制原理 对双闭环调速系统的设计参 数进行分析和计算 利用 Simulink 对系统进行了各种参数给定下的仿真 通过仿真获得了参数整定的依据 在理论分析和仿真研究的基础上 本文 设计了一套实验用双闭环直流调速系统 详细介绍了系统主电路 反馈电 路 触发电路及控制电路的具体实现 对系统的性能指标进行了实验测试 表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠 具有较好的静态和动态性能 达到了设计要求 采用 MATLAB 软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调 速系统进行计算机辅助设计 并用 SIMULINK 进行动态数字仿真 同时查看仿 真波形 以此验证设计的调速系统是否可行 关键词 直流电机 直流调速系统 速度调节器 电流调节器 双 闭环系统 仿真 Abstract DC motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment simple method and DC motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment simple method and smooth control in a wide range besides its control performance is excellent Beginning with the theory of DC motor this dissertation builts up the mathematic model of DC speed control system with double closed loops detailedly discusses the static and dynamic state performance of the system Afterward according to automation theroy this papar calculates the parameters of the system Then this dissertation simulates and analyzes the system by means of Simulink The results of simulation are consistent with theory calculation Some experience was acquired through simulation Based on the theory and simulation this dissertation designs a DC speed control system with double closed loops discusses the realization of main circuit feedback circuit control circuit and trigger circuit The results of experiment show that the static and dynamic state performance of this system are good which indicate that the design can meet the requirements Computer aided analysis and design are carried out for speed controlling system of the d c motorby by using TOOL BOX and SIMULINK Keywords DC motor DC governing system speed governor current governor double loop control system simulink 目目 录录 第一章 系统总体方案 0 1 1 直流调速器 0 1 2 现有调速产品调查 6RA70 调速系统 0 1 3 直流调速系统 2 1 3 1 主电路结构及选择依据 2 1 3 2 数字处理器的选用 2 第二章 直流调速系统主电路设计 4 2 1 双闭环直流调速系统硬件结构 4 2 2 主电路拓扑结构 5 2 3 桥式可逆 PWM 变换器 5 2 4 器件选择 8 2 4 1 绝缘栅双极晶体管的选择 8 2 4 2 三相全波整流桥参数的计算 8 2 4 3 去耦电容 9 2 4 4 极性电容 9 2 4 5 限流电阻 9 2 5 驱动电路 10 2 6 保护电路 11 2 7 泵升电压保护电路 11 第三章 直流调速系统参数设计 13 3 1 双闭环直流调速系统的动态结构框图 13 3 2 电流环设计 13 3 2 1 确定时间常数 14 3 2 2 选择电流调节器参数 16 3 2 3 检验近似条件 16 3 2 4 计算 ACR 的电阻和电容 17 3 3 转速环的设计 17 3 3 1 确定时间常数 17 3 3 2 ASR 结构设计 18 3 3 3 选择 ASR 参数 18 3 3 4 校验近似条件 18 3 4 5 计算 ASR 电阻和电容 18 3 4 6 检验转速超调量 19 3 4 7 校验过渡过程时间 19 3 4 带限幅的 PI 调节器 19 第四章 双闭环直流调速系统的 Matlab 仿真 21 第五章 数字控制器的设计 23 5 1 硬件设计 23 5 1 1 速度检测电路 23 5 1 2 A D 转换电路 23 5 1 3 PWM 波形产生电路 24 5 1 4 整流电路 25 5 2 软件设计 27 附录 28 附录 1 数字控制双闭环直流调速系统硬件结构图 28 附录 2 主电路拓扑结构图 28 附录 3 双闭环直流调速系统的动态结构框图 29 附录 4 双闭环直流调速系统仿真波形 29 附录 5 器件选择 30 附录 6 给定参数 30 参考文献 31 课程设计总结 32 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 1 页 第一章第一章 系统总体方案系统总体方案 1 1 直流调速器直流调速器 直流调速器是一种电机调速装置 包括电机直流调速器 脉宽直流调 速器 可控硅直流调速器等 一般为模块式直流电机调速器 集电源 控 制 驱动电路于一体 采用立体结构布局 控制电路采用微功耗元件 用 光电耦合器实现电流 电压的隔离变换 电路的比例常数 积分常数和微 分常数用 PID 适配器调整 具有体积小 重量轻等特点 可单独使用也可 直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机 可具有调速器所应有的 一切功能 本文仅对西门子 SIMOREG K 6RA23 24 系列全数字直流调速产品进行 简要介绍 1 2 现有调速产品调查 现有调速产品调查 6RA70 调速系统调速系统 西门子 SIMOREG K 6RA23 24 系列全数字直流调速产品 自在中国市 场推出以来 得到了广大用户的认同 最新推出的 SIMOREG DC Master 6RA70 系列全数字直流调速产品 在 6RA24 产品的基础上更具有以下特 点 1 单台装置输出额定电枢电流 15A 3000A 额定励磁电流 3A 85A 装置并联后输出额定电枢电流可达 12000A 2 输入电压分为 6 个等级 400V 460V 575V 690V 830V 950V 3 强大的通讯能力 有 SIMOLINK 高速直接的装置 装置通讯 还可 支持 PROFIBUS CAN BUS DeviceNet USS 协议等 4 所有工艺板 通讯板及 OP1S 操作面板都可与新一代的 SIMOVERT MASTERDRIVES 矢量控制交流调速产品通用 6RA70 的应用 6RA70 SIMOREG DC MASTER 系列整流器为全数字紧凑型整流器 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 2 页 输入为三相电源 可向变速直流 驱动用的电枢和励磁供电 额定电枢电流从 15A 至 3000A 紧凑型整 流器可以并联使用 提供高至 12000A 的电流 励磁电路可以提供最大 85A 的电流 此电流取决于电 枢额定电流 6RA70 工作方式 所有的开环和闭环驱动控制及通讯功能由两台功能强大的微处理器实 现 驱动控制功能可以通过参数 将软件所提供的程序块 连接 来实现 铭牌上规定的额定直流电流 连续直流电流 在负载等级 I 可以过载 到 180 过载允许的持续时间由各个整流器而定 微处理器周期地计算功 率部份电流的 I2t 值 以确保晶闸管在过载运行时不被损坏 整流器可自动适应电源频率范围为 45Hz 65Hz 电枢和励磁互不相关 工作在扩大的频率范围 23Hz 110Hz 需询问 设计 V M 双闭环直流可逆调速系统技术数据 额定功率 2 2kW 额定电压 220V 额定电流 Ie 12 5A 额定转速 ne 1500r min 电枢回路总电阻R 2 5 电磁时间常数Tl 0 010s 机电时间常数Tm 0 073s 电动势系数 C 0 1352V r min 1 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 3 页 图 1 1 6RA70 调速系统结构框图 1 3 直流调速系统直流调速系统 1 3 1 主电路结构及选择依据主电路结构及选择依据 直流双闭环调速系统的结构图如图 1 2 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 用双闭环转速电流调节方法 虽然相对成本较高 但保证了系统的可 靠性能 保证了对生产工艺的要求的满足 既保证了稳态后速度的稳定 同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程 在启动过程的主要阶段 只有 电流负反馈 没有转速负反馈 不让电流负反馈发挥主要作用 既能控制 转速 实现转速无静差调节 又能控制电流使系统在充分利用电机过载能 力的条件下获得最佳过渡过程 很好的满足了生产需求 ASRACRPWMKs R 1 Ce Un Ui n Id 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 4 页 图 1 2 直流双闭环调速系统结构图 1 3 2 数字处理器的选用数字处理器的选用 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础 由运算放大器 非线性 集成电路以及少量的数字电路组成 控制系统的硬件部分非常复杂功能单 一 而且系统非常不灵活调试困难 受到器件性能温度等因素的影响 阻碍 了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广 以微处理器为核心的数 字控制系统 硬件电路的标准化程度高 制作成本低 软件能够进行逻辑 判断和复杂的运算 可以实现不同于一般线性调节的最优化 自适应 非 线性 智能化等控制规律 此外还拥有信息存储 数据通信和故障诊断等 模拟控制系统无法实现的功能 SPMC75F2413 单片机作为高性能的 16 位 MCU 平台 拥有多种功能模块 包括高性能的 CPU 内核 高效益的中断 系统 可编程 I O 口 模拟量测量用的 ADC 外部通信用的同步和异步串 行接口 普通的定时计数器等常见硬件模块 以及多功能捕获比较模块 BLDC 电机驱动专用位置侦测接口 两项增量编码器接口 能产生各种电 机驱动波形的 PWM 发生器等特殊硬件模块 同时 SPMC75F 系列单片 机内部还集成了 32KWords 的 Flash 和 2K Words 的 SRAM 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 5 页 图 1 3 数字处理器硬件系统 第二章第二章 直流调速系统主电路设计直流调速系统主电路设计 2 1 双闭环直流调速系统硬件结构双闭环直流调速系统硬件结构 根据系统原理我们设计了数字控制双闭环直流调速系统硬件结构 如 图 2 1 所示 系统的特点 双闭环系统结构 采用微机控制 全数字电路 实现脉冲触发 转速给定和检测 采用数字 PI 算法 由软件实现转速 电 流调节系统由主电路 检测电路 控制电路 给定电路 显示电路组成 主电路 三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源 再经过直流 PWM 变换器得到可调的直流电压 给直流电动机供电 检测回路 包括电压 电流 温度和转速检测 电压 电流和温度检 测由 A D 转换通道变为数字量送入微机 转速检测用数字测速 光电码盘 故障综合 利用微机拥有强大的逻辑判断功能 对电压 电流 温度 等信号进行分析比较 若发生故障立即进行故障诊断 以便及时处理 避 免故障进一步扩大 这也是采用微机控制的优势所在 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 6 页 AB U 图 2 1 数字控制双闭环直流调速系统硬件结构图 2 2 主电路拓扑结构主电路拓扑结构 主电路由二极管整流器 UR PWM 逆变器 UI 和中间直流电路三部分 组成 一般都是电压源型的 采用大电容 C 滤波 同时兼有无功功率交换 的作用 可逆 PWM 变换器主电路有多种形式 最常用的是桥式 亦称 H 形 电路 如图 3 2 为桥式可逆 PWM 变换器 这时电动机 M 两端电 压 的极性随开关器件驱动电压极性的变化而变化 其控制方式有双极式 单极式 受限单极式等多种 本设计用的是双极性控制的可逆 PWM 变换 器 双极性控制的桥式可逆 PWM 变换器有电流一定连续 可使电动机在 四象限运行 电动机停止时有微振电流可消除静摩擦死区 低速平稳性好 等优点 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 7 页 图 2 2 主电路拓扑结构 2 3 桥式可逆桥式可逆 PWM 变换器变换器 可逆 PWM 变换器主电路有多种形式 最常用的是桥式 亦称 H 型 电路 如图 2 3 所示 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 8 页 图 2 3 桥式可逆 PWM 变换器 双极式控制可逆 PWM 变换器的 4 个驱动电压波形如图 2 4 所示 图 2 5 双极式控制可逆 PWM 变换器的驱动电压 输出电压和电流波形 它们之间的关系是 Ug1 Ug4 Ug2 Ug3 在一个开关周期内 当 0 t ton 时 Uab Us 电枢电流 id 沿回路 1 流通 当 ton tT 2 则 Uab 的平 均值为正 电动机正转 反之 则反转 如果正 负脉冲相等 t T 2 平均 输出电压为零 则电动机停止 图 3 6 所示的波形是电动机正转时的情况 双极式控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为 若占空比 和电压系数 的定义与不可逆变换器相同 则在双极式 是可逆变换器中 2 1 就和不可逆变换器中的关系不一样了 调速时 的可调范围为 0 1 相应的 1 1 当 1 2 时 为正 电动机正转 当 1 2 时 为负 电动机反转 当 1 2 时 0 电动机停止 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为零 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 在电动机停止时仍有高频微振电流 从而消除了正 反向时的静 s on s on s on d U 1 T t2 U T tT U T t U 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 9 页 摩擦死区 起着所谓 动力润滑 的作用 图 2 4 驱动电压波形 图 2 5 驱动电压 输出电压 和电流波形 双极式控制的桥式可逆 PWM 变换器有下列优点 1 电流一定连续 2 可使电动机在四象限运行 3 电动机停止时有微振电流 能消除静摩擦死区 4 低速平稳性好 系统的调速范围可达 1 20000 左右 5 低速时 每个开关器件的驱动脉冲仍较宽 有利于保证器件的 可靠导通 双极式控制方式的不足之处是 在工作过程中 4 个开关器件可能都处 于开关状态 开关损耗大 而且在切换时可能发生上 下桥臂直通的事故 为了防止直通 在上 下桥臂的驱动脉冲之间 应设置逻辑延时 为了克 服上述缺点 可采用单极式控制 使部分器件处于常通或常断状态 以减 少开关次数和开关损耗 提高可靠性 但系统的静 动态性能会略有降低 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 10 页 2 4 器件选择器件选择 2 4 1 绝缘栅双极晶体管的选择绝缘栅双极晶体管的选择 最大工作电流 Imax 2Us R 440 0 6 733 A 集电极 发射极反向击穿电压 2 3 Us 440 660v CEO BV CEO BV 所以在实际的应用中选择了日本三菱公司的 CM 800 HA 24H E 其 额定电压 1200V 额定电流 800A 可以满足要求 2 4 2 三相全波整流桥参数的计算三相全波整流桥参数的计算 整流部分采用不可控整流 整流二极管的电流额定为 直流侧的最大 电流为 根据电力电子学的相关知识 三相全控桥通过二极管的电流有 效值 和直流侧电流 的关系为 再根据二极管的通态平均电流与电流的有效值的关系为 所以综上二极管的电流的额定电流即二极管的通态平均电流为 考虑 到安全裕度 考虑到滤波电容充电电流的影响 需要有更大的电流裕量 取 200 ND IA 电压额定 二极管两端断态重复峰值电压为 交流电源的线电压 所以电压额定为 选用 为了减小主电路的体积 使之易于安装 选用 ZP 系列普通整流二极 管 200A 200 2000V 的二极管两单元模块三个构成整流桥 m I2 1 2 55 232368 64102 96 1 5731 573 ND IA m 1 I 3 VT I 1 57 VT Ta I I 1600 ND UV 23 23 238010721596 NDm UUV m I VT I m I 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 11 页 2 4 3 去耦电容去耦电容 由于通过整流桥后的直流是含有脉动的直流 必须通过电容加以滤波 根据三菱公司 IPM 的要求需要在直流侧加以个无极性的去耦电容 decoupling capacitor 这里选择 1200V 0 47 的无极性电容 2 4 4 极性电容极性电容 在设计主电路时 滤波电容是根据负载的情况来选择电容 C 值 使 RC 3 5 T 2 且有 Udmax 0 9 220 0 95 188 V 2 C 1 5 0 02 即 C 15000uF 故此 选用型号为 CD15 的铝电解电容 其额定直流电压为 400v 标称容 量为 22000 2 4 5 限流电阻限流电阻 为了避免大电容 C 在通电瞬间产生过大的充电电流 在整流器和滤波 电容间的直流回路上串入限流电阻 或电抗 通上电源时 先限制充电电 流 再延时用开关 K 将短路 以免长期接入时影响整流电路的正常工作 并产生附加损耗 2 5 驱动电路驱动电路 IR2110 是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩 锁 CMOS 技术 于 1990 年前后开发并且投放市场的 IR2110 是一种双通 道高压 高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器 它把驱动高压侧 F 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 12 页 和低压侧 MOSFET 或 IGBT 所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装 内 外接很少的分立元件就能提供极快的功耗 它的特点在于 将输入逻 辑信号转换成同相低阻输出驱动信号 可以驱动同一桥臂的两路输出 驱 动能力强 响应速度快 工作电压比较高 可以达到 600V 其内设欠压封 锁 成本低 易于调试 高压侧驱动采用外部自举电容上电 与其他驱动 电路相比 它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目 使得 MOSFET 和 IGBT 的驱动电路设计大为简化 而且它可以实现对 MOSFET 和 IGBT 的最优驱动 还具有快速完整的保护功能 与此同时 IR2110 的 研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性 降低了产品成 本和减少体积 图 2 3 PWM 控制 H 桥双极性主电路 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 13 页 2 6 保护电路保护电路 电路中主要的保护器件是快速熔断器 FU 压敏电阻过电压抑制器 RV 阀器件换相过电压抑制用 RC 电路 直流侧 RC 抑制电路 阀侧浪涌 过电压抑制电路 阀侧浪涌过电压抑制用 RC 电路等 2 7 泵升电压保护电路泵升电压保护电路 当脉宽调速系统的电动机减速或停车时 储存在电机和负载传动部分的 动能将变成电能 并通过 PWM 变压器回馈给直流电源 一般直流电源由 不可控的整流器供电 不可能回馈电能 只好对滤波电容器充电而使电源 电压升高 称作 泵升电压 如果要让电容器全部吸收回馈能量 将需要 很大的电容量 或者迫使泵升电压很高而损坏元器件 在不希望使用大量 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 14 页 电容器 在容量为几千瓦的调速系统中 电容至少要几千微法 从而大大 增加调速装置的体积和重量时 可以采用由分流电阻 R 和开关管 VT 组 成的泵升电压限制电路 如图 3 3 用 R 来消耗掉部分动能 R 的分流电 路靠开个器件 VT 在泵升电压达到允许数值时接通 第三章第三章 直流调速系统参数设计直流调速系统参数设计 3 1 双闭环直流调速系统的动态结构框图双闭环直流调速系统的动态结构框图 首先要画出双闭环直流系统的动态结构图如图 2 4 所示 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 相当与使该调节环 开环 当调节器不饱和时 PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是为零 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 15 页 图 3 1 双闭环直流调速系统的动态结构框图 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 为了获得近似理想的过度过程 并克服几个信号综合于一个调节器输 入端的缺点 最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控 制 用两个调节器分别调节转速和电流 构成转速 电流双闭环调速系统 所以本文选择方案二作为设计的最终方案 3 2 电流环设计电流环设计 H 型单极式 PWM 变换器供电的直流调速系统 采用宽调速直流电动机 额定力矩为 4 9N m 电枢电阻 Ra 1 64 电枢回路总电感 L 10 2mH 额定电流nomI 55A 额定电压nomU 220V 调速系统的最小负载电流oI 1A 电源电压sU 122V 电力晶体管集电极电 阻cR 2 5 设1K 2K 2 1000r min 电枢回路总电阻 R 0 6 电 流过载倍数 2 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 16 页 3 2 1 确定时间常数确定时间常数 1 脉宽调制器和 PWM 变换器的滞后时间常数PWMT与传递函数的计算 电动机的启动电流为 122 61 2 s s U IAA R 启动电流与额定电流比为 61 1 11 55 s s N I I 晶体管放大区的时间常数为 6 11 0 159 22 3 14 10 ceTss f 电流上升时间 rt 的计算公式为 1 1 ln 0 95 rce k tT k 式中 1k 晶体管导通时的过饱和驱动系数 取 1k 2 则 1 1 2 ln0 159ln0 103 0 9520 95 rce k tTss k 电流下降时间 ft 的计算公式为 2 2 1 ln 0 05 fce k tT k 式中 2k 晶体管截止时的负向过驱动系数 取 2k 2 则 2 2 112 ln0 159ln0 061 0 050 052 fce k tTss k 最佳开关频率为 2 33 26 10 167 0 3320 3324434 8 0 0051 0 1030 061 10 s op lrf fHzHz Ttt 开关频率 f 选为 4 4kHz 此开关频率已能满足电流连续的要求 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 17 页 于是开关周期 1 0 23PWMTms f 脉宽调制器和 PWM 变换器的放大系数为 220 22 10 d PWM i U K U 于是可得脉宽调制器和 PWM 变换器的传递函数为 22 10 000231 PWM PWM PWM K WS Tss 2 电流滤波时间常数 oiT 取 0 5ms 3 电流环小时间常数 0 230 50 73iPWMoiTTTmsmsms 3 2 2 选择电流调节器参数选择电流调节器参数 0 00833ilTs 要求 5 i 时 应取 0 5IiKT 因此 11 0 50 5 684 93 0 00073 I i Kss T 又 10 0 091 2 55 im N U VA I 于是 684 93 0 00833 0 6 3 49 0 091 22 i iI PWM R KK K 3 2 3 检验近似条件检验近似条件 1 684 93ciIKs 1 要求 1 3 ci PWMT 现 11 11 s1449 3 33 0 00023 ci PWM s T 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 18 页 2 要求 1 3ci mlT T 现 11 11 33155 23 0 045 0 0083 ci ml ss T T 3 要求 11 3 ci PWMoiTT 现 1 1111 982 95 330 00023 0 0005 ci PWMoi s TT 可见均满足要求 3 2 4 计算计算 ACR 的电阻和电容的电阻和电容 取 0R 40k 则 取01 046 4041 84iiRKRk 40iRk 6 0 00833 100 2083 40000 i i i CFF R 6 3 0 44 0 0005 100 05 40 10 oi oi T CFF R 3 3 转速环的设计转速环的设计 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 19 页 图 3 3 转速环结构框图 3 3 1 确定时间常数确定时间常数 1 电流环等效时间常数为 22 0 00730 00146s i T 2 取转速滤波时间常数 0 005 on Ts 3 20 001460 0050 00646 nion TTTsss 3 3 2 ASR 结构设计结构设计 根据稳态无静差及其他动态指标要求 按典型 II 型系统设计转速环 ASR 选用 PI 调节器 其传递函数为 1 n ASRn n s WsK s 3 3 3 选择选择 ASR 参数参数 取 h 5 则 5 0 006460 0323nnhTss 22 222 16 2875 5 22 25 0 00646 N n h Kss h T 则 1 6 0 091 0 1925 0 045 0 0055 22 5 22 0 6 0 00646 em n n hC T K h RT 3 3 4 校验近似条件校验近似条件 1 2875 5 0 032392 88 cnNn Ks 1 要求 1 5 cn i T 现 1 11 273 97 55 0 00073 cn i s T 2 要求 11 32 cn ion T T 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 20 页 现 11 1111 123 4s 3232 0 00073 0 005 cn ion s T T 可见均能满足要求 3 4 5 计算计算 ASR 电阻和电容电阻和电容 取 0 40Rk 则 取 70 0 1 786 4071 44n n RK Rkk 取 0 5 6 3 0 0323 100 453 70 10 n n n CFF R 6 3 0 44 0 005 100 5 40 10 on on T CFF R 3 4 6 检验转速超调量检验转速超调量 max n 2 Nn bNm CnT z CnT 当 h 5 时 max 81 2 b C C 而 因此 55 0 6 176 5 minmin 0 187 N N e I R rr n C 176 50 00646 81 2 2 10 16719 6 20 10000 103 n 可见转速超调量满足要求 3 4 7 校验过渡过程时间校验过渡过程时间 空载起动到额定转速的过渡过程时间 12 0 1925 0 045 1000 0 1310 5 0 6 2 55 emN s N C T n TTTss R I k F 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 21 页 可见能满足设计要求 3 4 带限幅的带限幅的 PI 调节器调节器 根据偏差的比例 P 积分 I 微分 D 进行控制 简称 PID 控制 是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律 本系统的控制对象是直流电 机 对直流电机的控制可以有多种方式 最常见的即是 PID 调节方式 PID 控制是连续控制系统中技术最成熟 应用最广泛的一种控制算法 其实质 是根据输入的偏差值 e t 按比例 积分 微分的函数关系进行运算 运算的 结果用于控制输出 在实际的应用中 可以根据控制对象的特性和控制要 求 灵活地改变 PID 结构 如纯比例调节 P 比例积分调节 PI 比例 积分微分调节 PID 等 为了进一步改善控制效果 在 PID 算法的基础上 做一些改进 产生了积分分离 PID 算法 不完全微分 PID 算法和变速积分 PID 算法等 其控制规律为 dt tde T t te T teKtu d i p 0 1 第四章第四章 双闭环直流调速系统的双闭环直流调速系统的 Matlab 仿真仿真 4 14 1 根据上述双闭环直流调速系统的动态结构框图 建立根据上述双闭环直流调速系统的动态结构框图 建立 MatlabMatlab 仿真模型 并对调节器参数设计的合理性进行验证仿真模型 并对调节器参数设计的合理性进行验证 4 24 2 运用运用 Matlab SimulinkMatlab Simulink 下的电机模型 建立基于电机模下的电机模型 建立基于电机模 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 22 页 型的仿真模型 并对调节器的参数作出调整 型的仿真模型 并对调节器的参数作出调整 电器系统原理结构图的 MATLAB 仿真 面向传递函数的 MATLAB 的仿真 第五章第五章 数字控制器的设计数字控制器的设计 5 1 硬件设计硬件设计 DCS800 I O 配置 包括模拟测速发电机 脉冲编码器和 PTC 接口 与 DCS500 600 的端子布置相同 扩展 I O RDIO 和 RAIO 最多 8 AI 7 AO 14 DI 12 DO 徐海学院 09 级 电力拖动与运动控制系统 课程设计 第 23 页 隔离 I O 通过 Rxxx 现场总线适配器的串行通讯 5 1 2 A D 转换电路转换电路 SPMC75X 系列微控制器内嵌一个 100Ksps 转换速率的高性能 10 位 通用 ADC 模块 采用 SAR 逐次逼近 结构 它与 IOA 7 0 复用引脚作 为输入通道 最多能提供 8 路模拟输入能力 同时 ADC 模块有多种工 作模式可选 它的转换触发信号可以是软件产生也可以通过来自外部 IOA15 PDC 位置侦测 MCP 等定时器的信号 利用此 ADC 模块 可以同电机驱动定时器联合动作 实现电机驱动过程中电参量的同步测量 满足电机驱动的需要 此外 ADC 模块也可以实现一些普通的模拟测量动 作 如电压测量 温度信号测量 低频信号的采集等 4 SPMC75X 系列 微控制器内嵌的 ADC 模块共有 4 个控制寄存器 通过这 4 个控制寄存器 可以完成 ADC 模块所有功能的控制 表 5 1 ADC 控制寄存器 5 1 3 PWM 波形产生电路波形产生电路 SPMC75X 系列微控制器提供了两个 PDC PhaseDetection Control 定时 器 PDC 定时器 0 和 PDC 定时器 1 用于捕获功能和产生 PWM 波形输 出 同时具有侦测无刷直流电机位置改变的特性 PDC 定时器能够处理总 计 6 路 每个定时器 3 路 捕获或霍尔信号输入 PDC 定时器非常适用于 机械速度的计算 SPMC75X 系列微控制器