转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计

运动控制系统课程设计速度电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计专业：* * * * * *年级：* * * *学号：* * *名称：* * *导师：* * *速度电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计一、设计目的1、应用所学交流、直流调速系统的基本知识和工程设计方法，确定生产实践、系统性能指标和实施方案，进行运动控制系统的初步设计。2、计算机仿真技术的应用，在MATLAB软件中建立了运动控制系统的数学模型，对控制系统进行了性能仿真研究，掌握了系统参数对系统性能的影响。3、基于原理设计和仿真研究，采用PROTEL的控制系统的PCB设计为毕业设计的综合使用提供了坚实的基础。2、系统设计参数直流电动机控制系统设计参数：(直流电动机(3)16输出为：5.5千瓦电枢额定电压220V电枢额定电流30A额定励磁电流1A额定励磁电压110V功率因数0.85电枢电阻0.2欧姆电枢电路电感100mH电动机机电时间常数1S电枢允许过载系数=1.5额定速度970rpm直流电动机控制系统设计参数环境条件：电网额定电压：380/220v；电网电压波动333610%；环境温度：-摄氏40-40度；环境湿度333610%至90%。控制系统性能指标：电流超调低于5%。空载启动到额定速度的速度超调低于30%。速度调节范围d=20静态百分比小于0.03。1、设计内容和数据数据直流电动机拖动机械系统。主马达技术资料如下：，电枢回路的总阻力，机电时间常数，电动势速度比率，Ks=40，Ts=0.0017ms，电流反馈系数，速度反馈系数，对系统进行初步设计尝试。2、技术指标要求电动机可以实现可逆运行。静态静态无静态要求。动态转换过程时间、电流过冲、在空载状态下以额定速度启动时的速度过冲。3、确定主电路程序和控制系统主电路选择直流脉宽调速系统，控制系统选择转速、电流双闭环控制方案。主电路包含25JPF40电源二极管控制整流器、逆变、更新二极管的电源开关管IGBT，构成h型双极控制可逆PWM转换器。其中，脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延迟链路DLD、完全控制绝缘栅极双极晶体管驱动器GD和PWM转换器。该系统设置了电流检测链路、电流调节器和速度检测链路、速度调节器，因此电流环和速度环都构成了，前者通过电流元件的反馈稳定电流，后者通过速度检测元件的反馈保持速度稳定，最终消除速度偏差，这使系统达到调节电流和速度的目的。该系统启动时速度外环饱和，无效，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，速度线性变化，快速达到指定值。正常运行时，转速负反馈外环起主要作用，速度取决于指定电压的速度，电流内环调节电动机的电枢电流，从而平衡负载电流的原理图如图所示1、选择PWM转换器PWM转换器有两种类型：可逆和非可逆。可逆变换器有双极、单极和有限单极等。标题要求电机可逆运行，本设计配置了具有连续流动的绝缘栅双极晶体管IGBT的h型双极控制PWM变换器。其中电源电压Us使用不受控制的电源二极管25JPF40整流提供，由大型电容器c过滤。电源管开关必须接受2Us的电压，以选择FGA25N120AN绝缘栅双极晶体管IGBT，并提供在电源开关二级管关闭IGBT的情况下解除电枢电路电感能量存储的更新流。FGA25N的参数：Vce=200V，Ic=15A。选择10CTF30英寸电源二极管(If=10A，Urm=300V)。单相交流220V电源、变压器二次电压67V、桥式整流二极管最大反向电压至少为电源振幅的两倍，最大整流电流为额定电流的两倍。选取25JPF40、If=25A、Urm=400V。与整流桥输出相关的电容在整流后过滤电压纹波，在负载变化时保持电压稳定。此外，脉宽调速系统的马达减速或停止时，马达和负载的旋转部分存储的动能被电容器吸收，因此使用的电容器更大。如果在此选择4000uf，则电压选择为2倍以上。2、选择传感器和转速测量仪这里，霍尔电流传感器HNC-025A、HNC-025A传感器可以通过电流传感器测量的额定电流为5A、6A、8A、12A、25A，当一侧电线通过电流传感器时，一侧电流IP产生磁力线，一侧磁力线集中在核心气隙周围，一侧磁力线集中在一侧磁间隙周围。大小只有几毫伏的感应电压通过后续电子电路将此小信号转换为二次电流IS，并具有IS* NS=IP*NP关系。外环需要速度反馈。其中使用永磁ZYS231/110作为转速测量仪。3、选择驱动电路驱动电路的作用是将控制电路输出的PWM信号放大到足以保证IGBT的稳定传导或关机。主电路与控制电路分离，故障后可以自动保护和延迟。此处是上海马克电气公司AST96X系列的MAST5-2C-U12 IGBT驱动器板；ast 96x是具有短路、低压和过电压保护的单方式光耦合眼BT驱动器模块MAST系列是1-7方向，易于使用，电源要求低，支持600v-1700v的各种IGBT驱动器类型；以及两者都提供两种驱动器方法：单电源、输入电压范围宽度、内置正负电压发生器和电压过滤器、内置短路保护电路、内置驱动器低压和过电压保护电路、用于内置VCE检测的高速恢复高压二极管、用于传输驱动保护/故障信号的内置光电耦合器，以及内置栅极过电压钳元件。MAST5-2C-U12是专用集成电路设备，为控制和驱动电动机设计，用于双通道推拉功率放大，将各个电路集成到单片IC中，从而降低外围设备成本，提高整体设备可靠性。它是大型集成式基本驱动器电路，为IGBT提供理想的基本电流优化驱动器和自我保护。4、选择调节器根据标题要求，PI调节器尝试了动态补偿，但是如果有情况，PI调节器可以进一步提高正常状态性能，达到消除正常状态速度差异的点。在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离调节量很远，调节效果受到多个链路的延迟作用，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能略差。在双闭环系统中，随着电流内环的添加，电压波动通过电流的反馈进行相对及时的调节，无需等待影响转速，即可再次得到反馈，从而大大改善了抗干扰问题。为了实现良好的静态、动态性能，有两个调节器，即速度和电流，这里使用的是PI调节器。5、选择脉宽调制器脉宽调制器用于生成PWM信号，控制PWM转换器的电源设备失去连接。模拟、数字和专用集成电路的典型类型包括：我们选择了Texas institute of the American Texas instrument TL 494专用集成电路作为双端输出脉宽调制器，该调制器是锯齿波信号、振荡频率和值的范围。四、主电路的原理该系统属于双闭环调速系统，称为速度环、外环、电流环。其中内环，外环从速度测量仪收集信号，获得对ASR的电压信号反馈。内环我们在这里使用直流PWM控制系统。其中，脉宽调速系统由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延迟链路DLD和绝缘栅双极晶体管的GD和脉宽调制转换器组成。直流PWM控制系统是直流脉宽调制速度控制系统控制系统，与晶闸管直流速度控制系统的区别在于，用系统的电源驱动器替换晶闸管交流设备，用直流PWM变换器代替。脉宽调制器由一个运算放大器和几个输入信号组成电压比较器。运算放大器在开环状态下工作，在电流调节器输出的控制信号的控制下，产生等宽、宽度由Uc控制的方波脉冲序列，提供PWM所需的脉冲信号。逻辑延迟链路DLD在一个管道产生阻塞脉冲时，延迟后向另一个管道发送开放脉冲，在延迟时引入瞬时动作限制电流保护FA信号，以在桥臂电流超过允许的最大电流值的情况下，同时切断工作管，保护电力晶体管。双闭环直流调速系统的稳态结构Ksa1/CeU*nUcIdenUd0联合国-ASRU*i-rbACR-UiUPE正常运行时，电流调节器达不到饱和状态。因此，对于静态特性，仅在速度调节器饱和和不饱和两种情况下，双闭环直流调速系统的静态特性是形式a，b 速度和电流反馈系数，如上图所示。要获得前面静态属性的CA段，可在第一个关系中使用它。与此同时，由于ASR未饱和，因此从上述第二种关系中可以知道： Id Idm。也就是说，CA分段静态特性从理想空载状态的Id=0持续到Id=Idm，Idm通常大于额定电流IdN。这是水平性质静态性质的作业区段。此时，ASR输出达到限制值U*im，旋转外环处于开放循环状态，旋转速度的变化不再影响系统。双闭环系统改为无电流静态的单电流闭环调节系统。在稳态品尝中，最大电流Idm由设计者根据电动机的允许过载容量和拖动系统允许的最大加速度选择。样式中描述的静态特性是上图中的AB段，是垂直特性。这些挠曲性质仅适用于n n0。n n0表示Un U*n，ASR终止饱和。双闭环调速系统的静态特性在负载电流小于Idm时表现为速度不稳定，此时速度负反馈起到主要调节作用。负载电流到达Idm时，速度调节器饱和，电流调节器充当主调节，系统在电流中没有静态，并自动受过电流保护。系统稳态结构和动态结构图双闭环调速系统的静态结构图U*naUc-IdLnUd0联合国-b-UiWASR(s)WACR(s)KsTss 11/RTl s 1rTmsU*iId1/Cee五、双闭环调节器的设计5.1，电流回路设计1.确定时间常数脉宽调制器和PWM转换器滞后时间常数交换机周期。脉宽调制器和PWM转换器的放大系数如下脉宽调制器和PWM变换器的传递函数如下：电流过滤器时间常数。电流回路小时间常数。2.电流调节器结构选择根据设计要求，可根据代码类型I系统设计。电流调节器选择PI类型，传递函数如下：3.选择电流调节器参数因为我们必须按要求拿走所以，4.近似条件验证要求，现在。要求，现在。要求，现在。可见均满足要求。ACR电阻和电容的计算拿着，对吧醉意醉意醉意根据上述参数，电流环能够达到的动态指标是满足设计要求的。5.2，速度环设计1.确定时间常数电流回路等效时间常数为。取速度滤波时间常数。Asr结构设计根据稳态非静态和其他动态指标要求，代码系统设计速度环、ASR选择PI调节器，其传递函数如下3.选择ASR参数拿着，对吧邮报4.近似条件验证要求，现在。要求，现在，即可从workspace页面中移除物件。ASR电阻和电容的计算拿着，对吧醉意醉意醉意6.检查速度超冲当时，所以可见速度超驰符合要求。7.检查转换过程时间空载启动到额定速度的转换过程时间可见，可以满足设计要求。5.3，负反馈设备1.选择速度检测器转速测量仪参数永磁ZYS231/110，额定值数据，即可从workspace页面中移除物件。测速反馈电位器的选择当速度测量仪考虑输出最大电压时，其电流大约是额定值。这样，转速测量仪就成了发电机电枢压降对检测信号的线性度影响不大。转速表工作最大电压速度反馈电位器电阻此时消耗的电力如下为了防止电位器温度升高，实际瓦特数必须是消耗功率的两倍以上，所以选择，选择。6、系统MATLAB模拟6.1，系统模拟模型6.2，模拟输出波形曲线六、系统部分电气原理图：七、设计摘要通过此次双闭环直流脉宽调速系统的课程设计，对电力拖动自动控制系统进行了自学习的深刻理解。学习本课程的时候，首先感受到很多内容，多少理解抽象，在做作业和设计的时候受到比较大的干扰。我刚考完直流考试，前面复习了，终于有了调节直流速度的系统概念。老师给我们发设计资料的时候，结构图简直是被遮住了。该设计比以前的课题或实验更复杂，而且困难更大。看了课本，去图书馆找资料，慢慢皱眉头，然后向老师和前辈请教，部分理解不了。完成这一困难的第一步后，对解决整个问题的宏观把握，对解决问题的方法也有大体的思考。第二步是详细分析、线参数计算和方块图。此步骤执行得比较顺利。下一个想法是仔细执行潮流计算，在进行潮流计算时，需要进行更多的计算，更多的线路参数，需要大量的时间，并保证正确的比率。完成整个