运动控制课程设计报告正文

1、1、 设计背景在当今的社会生活中，电子科学技术的运用越来越深入到了各行各业之中，并得到了长足的发展和进步，自动化控制系统更是的到了广泛的应用，其中一项重要的应用就是自动调速系统。相较于交流电动机，直流电动机结构复杂、价格昂贵、制造困难且不容易维护，但由于直流电动机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强，适宜在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自调速系统中的重要形式。伴随着电力电子技术的不断发展，开关速度更快、控制更容易的全控性功率器件MOSFET和IGBT成为主流，PWM表现出了越大的优越性：主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热

2、都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。本设计采用PWM技术来对直流电机进行调速，与一般直流调速相比，既减少了对电源的污染，而且使控制过程更简单方便，减少了对人力资源的使用，又因为线路的简单化、功率器件需用的减少，使系统的维护、维修变得更加简单了，但动、静态性能却提高了。二、系统设计分析 1、双闭环调速系统原理为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调

3、节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图2所示。把转速调节的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就形成了转速双闭环调速系统。调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就形成了转速双闭环调速系统。 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的原理图如图3所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正

4、电压的情况标出的并考虑到运算放大器的倒向作用。双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时，对应转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静态特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采取“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差。 双闭环直流调速系统电路原理图 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU

5、*iLMMTGUPE2、调速系统起动过程的电流和转速波形 如图所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b) (a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程 调速系统起动过程的电流和转速波形3、H桥双极式逆变电路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下图所示。这时电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性

6、变化而变化。 H桥式可逆PWM变换器双极式控制方式（1）正向运行： 第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug1 、 Ug4为正， VT1 、 VT4导通， Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止，电流 id 沿回路1流通，电动机M两端电压UAB = +Us ； 第2阶段，在ton t T期间， Ug1 、 Ug4为负， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3续流， 并钳位使VT2 、 VT3保持截止，电流 id 沿回路2流通，电动机M两端电压UAB = Us ；（2）反向运行： 第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止， VD1 、

7、VD4 续流，并钳位使 VT1 、 VT4截止，电流 id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB = +Us ； 第2阶段，在ton t T 期间， Ug2 、 Ug3 为正， VT2 、 VT3导通， Ug1 、 Ug4为负，使VT1 、 VT4保持截止，电流 id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = Us ； 双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为 如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中 调速时，的可调范围为0-1， 1< <+1。当>0.5时， 为正，电机正转；当<0.5时，为负，电机反转；当= 0.5时， = 0

8、，电机停止。 当电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，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。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）可使电机在四象限运行；（3）电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

9、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。 三、系统各环节建模及系统模型主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路采用电力二极管不可控整流，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。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延时环节DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD和PWM变换器。系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测

10、元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流原理图如图所示。 直流PWM传动系统结构图1、 主电路设计H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图所示。PWM逆变器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容滤波，以获得恒定的直流电压。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这

11、时电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rz消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VTz。 H桥式直流脉宽调速系统主电路泵升限制电压当脉宽调速系统的电动机转速由高变低时（减速或者停车），储存在电动机和负载转动部分的动能将会变成电能，并通过双极式可逆 PWM 变换器回送给直流电源。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回送电能，电机制动时只好给滤波电容充电，从而使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。过高的泵升电压会损坏元器件，所以必须采取预防措施，防止过高的泵升电压出现。可以采用由分流电阻R和开关元件（电力电子器件）VT组成的泵升电压限制电路，如图所示。当滤波电容器

12、C两端的电压超过规定的泵升电压允许数值时，VT导通，将回馈能量的一部分消耗在分流电阻R上。泵升电压限制电路2、给定基准电源此电路用于产生±15V电压作为转速给定电压以及基准电压，如图所示：3、双闭环调节器电路设计为了实现闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较，决定调节器的输出，反馈的关键是对被控量进行采样与测量。（1）电流调节器由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数，以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。 含

13、给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器（2） 转速调节器转速反馈电路如图所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数。根据和电流环一样的原理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。 含给定滤波与反馈滤波的PI型电转速调节器（3）限幅电路 R1C1VS1VS2R0Rlim 由双闭环直流调速系统电路原理图中容易看出，电流调节器和转速调节器这两个调节器的输出都是带限幅作用的。下面给出两种限幅电路分别为二极管钳位的外限幅电路和稳压管钳位的外限幅电路。C1R1R0RlimVD1VD2二极管钳位的外限幅电路稳压管钳位的外限幅电路4、信号产生电路本设计

14、采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。根据主电路中IGBT的开关频率，选择适当的、值即可确定振荡频率。电路中的PWM信号由集成芯片SG3524产生，SG3524采用是定频PWM电路,DIP-16型封装。由SG3524构成的基本电路如图所示，由15脚输入+15V电压，用于产生+5V基准电压。在6、7引脚之间接入外部阻容元件构成PI调节器，可提高稳态精度。12、13引脚通过电阻与+15V电压源相连，供内部晶体管工作，由电流调节器输出的控制电压作为2引脚输入，通过其电压大小调节12、13引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。 SG3524管脚图SG3524引脚接线图

15、SG3524内部框图主要参数：输入电压Uimax：40V 输出电流：500mA 耗散功率：1W5、 驱动电路设计 （1）工作原理图（如下图所示） EXB841内部结构图EXB841 系列驱动器的各引脚功能如下：脚1 ：连接用于反向偏置电源的滤波电容器；脚2 ：电源（ 20V ）；脚3 ：驱动输出；脚4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）；脚5 ：过流保护输出；脚6 ：集电极电压监视；脚7 、8 ：不接；脚9 ：电源；脚10 、11 ：不接；脚14 、15 ：驱动信号输入（-，）；（2）基于EXB841驱动电路设计驱动电路中V5起保护作用，避免EXB841

16、的6脚承受过电压，通过VD1检测是否过电流，接VZ3的目的是为了改变EXB模块过流保护起控点，以降低过高的保护阀值从而解决过流保护阀值太高的问题。R1和C1及VZ4接在+20V电源上保证稳定的电压。VZ1和VZ2避免栅极和射极出现过电压，Rge是防止IGBT误导通。针对EXB841存在保护盲区的问题，可如图12所示将EXB841的6脚的超快速恢复二极管VDI换为导通压降大一点的超快速恢复二极管或反向串联一个稳压二极管，也可采取对每个脉冲限制最小脉宽使其大于盲区时间，避免IGBT过窄脉宽下的低输出大功耗状态。针对EXB841软关断保护不可靠的问题，可以在EXB841的5脚和4脚间接一个可变电阻，

17、4脚和地之间接一个电容，都是用来调节关断时间，保证软关断的可靠性。针对负偏压不足的问题，可以考虑提高负偏压。一般采用的负偏压是-5V，可以采用-8V的负偏压(当然负偏压的选择受到IGBT栅射极之间反向最大耐压的限制)，输人信号被接到15脚，EXB841正常工作驱动IGBT.EXB841驱动IGBT设计图主要参数：电源电压：20V 最大输出功率：47mA 最高工作频率：10kHz6、锯齿波信号发生电路锯齿波信号发生器SG的输出信号Us与控制信号在PWM转换器（SG3524）中进行比较，PWM输出幅度恒定、宽度变化的方波脉冲序列，即PWM波。SG电路可有UJT或者PUT构成。UJT锯齿波信号发生器

18、基本电路如图所示。锯齿波信号发生电路7、 转速、电流检测电路（1）转速检测电路转速检测电路如图 所示。与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压输送给转速调节器。测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，测速电路如图所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。 转速检测电路（2） 电流检测电路 通过霍尔传感器测量电流的电流检测电路原理如图所示。  闭环霍尔电流传感器的工作原理 电流检测简化电路如下图：TA 电流检测电路 TA电流互感器霍尔电流传感器的结构如图13所示。用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流

19、流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。闭环霍尔电流传感器主要有以下特点： 1）可以同时测量任意波形电流，如：直流、交流、脉冲电流； 2）副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电压一般为2kV12kV； 3）电流测量范围宽，可测量额定1mA50kA电流； 4）跟踪速度di/dt>50A/s； 5）线性度优于0.1IN； 6）响应时间<1s； 7）频率响应0100kHz。8、保护电路（1）限流保护电流截止负反馈 考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自

20、由地随着负载增减。如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。 当 Id Idcr 时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式相同。 当 Id >Idcr时，引入了电流负反馈，静特性变成 静特性的几个特点：（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。（2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作用一致， 好象把理想空载转速提高到 （3）两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而

21、过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流，在式（1）中，令 n = 0，得 一般,因此（4）最大截止电流应小于电机允许的最大电流，一般取 ： Idbl =（1.5-2.0） IN从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取： Idcr （1.1-1.2）IN（2）直流电动机过流保护电路 下图是一实用的大功率电动机过流保护电路图，Ro为电流取样电阻。为了防止电机在启动时产生的大电流造成电路的误动作，由Cl、Rl、RPl及与非门l组成了开机保护延时电路。电机开始启动时，Cl上无电压，此时与非门1输出低电平，与非门3则输出高电平，使VT2处于截止状态，继电器

22、Kl不工作，其触点仍保持常闭状态，直流电机可获得正常供电。当Cl的端电压逐渐升高到一定值时，与非门1发生翻转，输出端变为高电平，开机保护启动电路结束工作，此后与非门3的输出状态则由RP2、R2、VTl及Ro等组成的电流检测电路控制。 图 直流电动机过流保护电路图4、 调节器参数整定 选用直流电机，有关参数为：Pnom =100W，Unom=48V，Inom 3.7A，nnom =200r/min，电枢电阻Ra=6.5，飞轮矩GD2=2.9。电枢回路总电阻R=8，电枢回路总电感L=40mH。电源电压US=60V，给定值和调节器输出限幅均为10V双闭环调速系统的静态结构图如下： 双闭环调速系统的静

23、态结构图U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E 1、电流环的设计（1）确定时间常数1）脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数开关周期。 脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传递函数为2）电流滤波时间常数取。3）电流环小时间常数。（2）选择电流调节器结构根据设计要求，而且，因此可按典型系统设计。电流调节器选用PI型，其传递函数为（3）选择电流调节器参数要求时，应取，因此于是，（4）校验近似条件1）要求，现。2）要求，现。3）要求，现。可见均满足要求。（5）计算ACR