带电流截止负反馈的单闭环脉宽调速系统

1、百度文库好好学习,天天向上1前言直流调速系统是目前电力拖动领域应用最广泛的一直自动调速系统。它可 以在一定范围内平滑调速，并且具有良好的静态和动态性能。由于直流电动机 具有良好的运行性能和控制特性，长期以来直流调速系统一直占据垄断地位。 例如，轧钢机，矿井卷扬机，电梯，金属加工机床，纺织，造纸，海洋钻机， 电力机车等要求性能可控电力拖动场合，广泛采用直流调速系统。近年来，交 流调速发展较快。交流电动机以其结构简单，制造和维护方便，价格低廉等有 点，足以与直流电动机相抗衡。特别是随着计算机技术，电力电子技术和控制 技术的不断完善，为交流调速的发展提供了强有力的技术支撑，这就为交流调 速系统取代直

2、流调速系统奠定了基础。任何一台需要控制转速的设备，生产工艺对拖动系统的调速性能都有一定 的要求，例如，最高转速和最低转速的调节范围，是平滑调速还是有级调速， 稳态时允许的静态速降，扰动发生时克服的能力，动态变化时的系统控制能力 等，所有这些要求都可以归纳为生产设备要求的技术指标。经过一定这算，可 以转换为电力拖动自动控制系统的稳态和动态性能指标，作为设计调速系统时 的依据。各种生产机械对调速系统提出不同转速控制要求，调速，在一定的最 高转速范围和最低范围内，有级或无级的调节转速。稳速，以一定精度在所需 转速上稳定运行，不因各种可能发生的外来干扰（如负载变化，电网电压波动 等）而变化过大的转速波

3、动，以保证产品质量。加减速控制，对频繁启动，制 动的设备，要求尽快地完成加减速，缩短启动，制动时间以提高效率。对不宜 经受剧烈速度变化的生产机械，则要求启动，制动平稳。如果我们对系统突加一个阶跃转速给定来启动系统，初期由于系统的机械 惯性较大，电动机的转速不可能立即建立起来，因此启动初期转速反馈型号为0, 乂111于比例调节器及电力变换装置的惯性较小，所以控制电压增长很快，整流 装置产生的整流电压儿乎是立即达到满压，也就是说直流电动机相当于满压启 动，启动电流可高达额定电流的几十倍。我们从电动机的角度来分析，由电机学的只是可知，此种情况会使电动机的转换情况恶化，产生严重的火花，而且 与电流成正

4、比的转矩将会损坏拖动系统的传动机构，因此系统中一定会有过电 流保护继电器保护电机，一旦电流过大，过电流保护继电器会立刻动作，使系 统跳闸。因此对系统要限制电流的大小，使电机在启动，制动，堵转时电流都 不超过其过载能力。那么我们引入电流负反馈，这样会使电流保持基本不变， 我们只希望启动，制动，堵转这些特殊的时候电流不超过允许值，所以我们设 计带电流截止负反馈单闭环调速系统，来有效的控制电机的转速。2总体方案设计该带电流截止负反馈的单闭环脉宽调速系统的设计，是在单闭环反馈调速 的系统上加上电流截止环节，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。总的

5、来说，是在开环调 速系统的基础上，按反馈控制原理，增加了转速检测环节一一测速发电机，与 电动机装在同一个轴上，引出了与转速成正比的负反馈电压Un。在此基础上增 加电流截止负反馈环节，引出电流反馈信号Ui。两者反馈电压与给定电压U*n 比较后得到偏差电压Kn,经过调节器产生触发装置的控制电压Uc, Uc控制触 发装置输出脉冲的位置，通过调节反馈系数，以达到控制整流电压的目的，进 而控制电动机的转速，使转速大小稳定在某个值左右。若想改变电动机转速， 只需要改变转速给定电压U*n的大小，从而实现电动机的平滑无级调速。通过 引入电流截止负反馈解决转速反馈闭环调速系统启动和堵转时电流过大的问 题，而且这

6、个作用只在电机启动和堵转时存在，在正常的稳速运行时乂得取消， 让电流随着负我的增加而变化。电流负反馈 Uc 调节器 比例调节器等执行元件触发整流器等Ud0控制对象电动机等3系统硬件设计主电路的设计在本设计中主电路我们选用的是PWM整流电路，可逆的PWM变换器主电路 有多种形式，最常用的是桥式电路，电动机两端的电压的极性随全控型电力电 子器件的开关状态而改变。可逆PWM变换器的控制方式有双极式，单极式，受 限单极式等多种，但在本设计中我们选用的是双极式控制的可逆PWM.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供电

7、，不可能 回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这是电容器两端电压升高称作 “泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻消耗掉这些能量，所以PWM可逆 调速系统的制动过程实际上是能耗制动过程。其原理图如下图3-1图3-1调速系统主电路双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点：1）电流一定连续。2）可使电动机在四象限运行。3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。4）低速平稳性好，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。双极式逆变器的四个驱动电压波形如图3-2所示,图3-2驱动电压波形在一个开关周期内，当时，晶体管0、R饱和导通而V7；、呸截止, 这时当口 时，9、忆截

8、止，但已、«不能立即导通，电 枢电流id经M3、VQ续流，这时U,8=-U,。八8在一个周期内正负相间，这是 双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图2所示。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；如果正负脉冲相等，心=工，2 平均输出电压为零，则电动机停止。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为力=)4-= |当1 Us如果定义占空比0=号，电压系数片如 则在双极式可逆变换器中/ = 2p-l调速时，p的可调范围为01相应的/ = 一1+1。当寸，/为正，电 2动机正转；当夕时，了为负，电动

9、机反转；当夕=；时，y = 0,电动机停止。 22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。PI调节器环节采用比例放大器控制的有静差的调速系统，Kp越大，系统精度越高；但Kp 过大，将降低系统稳定性，使系统动态不稳定，在采用比例调节器控制的自动 系统中，输入偏差是维系系统运行的基础，必然要产生静差。比例调节器的输 出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全

10、 部历史。如果既要稳态精度高，乂要动态响应快，而且要消除系统误差，只要把比制技 积分 部分 示。图3-3比例积分(PI)调节器模拟电子控比例控制和 补充。比例 如图3-3所转速检测环节转速检测电路如图3-4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U0,与给定电压U：相比较后，得到转速 偏差电压AU”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3-4所示，通过调节电位器即可改变转速反 馈系数。图3-4转速检测电路电流截止负反馈环节电动机的转速不可能立即建立起来，因此启动初期转速反馈型号为0, 乂山 于比例调节器及

11、电力变换装置的惯性较小，所以控制电压增长很快，整流装置 产生的整流电压几乎是立即达到满压，也就是说直流电动机相当于满压启动， 启动电流可高达额定电流的几十倍。由电机学的知识可知，此种情况会使电动 机的转换情况恶化，产生严重的火花，而且与电流成正比的转矩将会损坏拖动 系统的传动机构，因此系统中一定会有过电流保护继电器保护电机，一旦电流 过大，过电流保护继电器会立刻动作，使系统跳闸。因此对系统要限制电流的 大小，使电机在启动，制动，堵转时电流都不超过其过载能力。那么我们引入 电流负反馈，这样会使电流保持基本不变，我们只希望启动，制动，堵转这些 特殊的时候电流不超过允许值，所以我们设计带电流截止负反

12、馈单闭环调速系 统，来有效的控制电机的转速。电流截止负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大的电阻，因而稳态速 降极大，使特性急剧下垂。比较电压与给定电压的作用一致，把理想空载转速 提高。电流截止负反馈环节有以下图3-4所示的两种方式，一种是利用独立直a）利用独立直流电源作比较电压b）利用稳压管产生比较电压图3-4电流截止负反馈环节Ui图3-5带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构图当Id W Ider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，当Id >Idcr阿二寺戊，嗣瀚武强（篇除瞬”O -（1）电流负反馈的作用相当于在上南舜帚入与,大电阻Kp Ks Rs ,因

13、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j _ -W； +Sg）db， R + KdKR这样的两段式静特性常称作下垂特性。当过载时，电动机停下，电流也不过是 堵转电流，令n=0,得oU* * LJ一般 Kp Ks Rs » R,因此RId/(I + 70<SC(1 + K)Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取/Y（L22）/n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-174参数计算1设计给出的参数有：直流电动机的额定参数为60 kW、220V、305A、100

14、0 r/min,电枢电阻Rs=C, 电机过载系数为A =,系统总电感为（2）电枢回路总电阻可取为R=Ra+Rrec=Q,系统总飞轮矩GD2=78 N-m。设计要求是：试设计闭环系统，使系统达到静态指标D=20, S<1%,动态性能指标为相位 裕量丫260° ,并使系统可以在阶跃给定信号下直接启动。根据设计的要求并结合本次设计中我们在转速测速环节选用的电动机型号ZYS231/110 型,其额定数据为,110V, 1800r/min在整流环节运用的是PW整流电路，其放大系数为（二442参数计算（1）为了满足调速性能的D = 20, S<1%,额定负载时调速系统的稳态速降为_

15、1000x001 -Q51/n</- £>（1-S） - 20（1-0.01） "'（2）根据%以乙 ,求出系统的开环放大系数电动机电势常数220-305x0.0661000= 02%n开环系统额定速降305x0.18 02=274.5 %lin闭环系统开环放大系数Ar = _l>3ZiL_i = 537.24 ntl 0-51（3）计算测速反馈环节的放大系数和参数对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，测速反馈系数a包含测速发电机的电动势转速比Iq。4和电位器的分压系数的，即根据测速发电机数据C =- = 0.

16、061m%R 1800试取二，因为测速发电机与主电动机同轴连接，则在测速发电机最高转速为1000 r/min,转速反馈电压为U=avCm 您=°2 x 0 061 x 1000 = 12.2V稳态时A；n很小，°”只要略大于 5 即可，若稳压电源为15V,就能完全 满足给定电压的需要，这样转速反馈系数戊为a = q, 以g = 0.2 x 0.061 = 0.0122rnii%电位器的选择方法如下：考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定 值的确20蛤这样，测速机电枢压降对检测信号的线性度影响较小，于是RPl02 入0.061x10000.2x0.18= 1694.44

17、0此时RP? RP2所消耗的功率为WRp=X 021 nJ 0.061x1000x0.2x0.18 = 2.19卬为了使电位器温度不是很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故选RPzRP?为10W,。的可调电位器。（4）运算放大器的放大系数和参数K =，4x0.21 0Go .8K、a 44x0.0122根据调速指标要求，闭环系统开环放大系数之，则运算放大器的放大倍数为KI=1 oQ实取八p=10Ui,很砧妗昇以人命itj空节明正.4刖八电阻至3。区。一 则R = Kp,Ru = l0°lxl0 = 10010KC系统稳定性计算电磁时间常数机电时间常数="曳=78xO8=0

18、098$"375&c“： 375xO.2xf x0.2三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为丁 =0.001675从原始系统的开环对数频率特性来分析研究闭环传递函数在一般情况下,Tm > 4rzTm >47；,因此(7；7y+7> + l)项有两个负实根,令其为l/n-1/T；和1/口-1/4。也就是说，可将该项分解为两个因式，于是开环传递函数变成T,JlS2 + Tms + 1 = (Txs + 1)(7；5 +1)因为 丁尸 0.012 s T,广 0.098 sT= 0.00167。所以0.098 x 0.012 小+0.098s +1 = (0

19、.014s +1)(0.084$ + l)x 850.23W(s)=匚T. = 0.017s原系统的开环传递函数G + i)(GX+G + i)则原始闭环系统的开环传递函数W(s) =537.24(0.00167 5 +1)(0.014 5 +1)(0.084 5 +1) x 850.23所以11_W = 0.00167 S = 600sW. = = 1 = 71.435 “2 T、0.014S卬3 = 丁 3 = O.O84S = 15系统仿真搭建仿真截止电流环的实现使用Switch开关，开关具有选择功能，设置门槛电压等于0, step2也为0,当输入大于0时，输出上开关，当输入小于0时，输

20、出下开关， 如下图5-1所示，即能实现电流截止功能。使用constant模块作为转速给定电 压，ramp模块作为负载扰动，并用staturation模块限幅，选择Gain模块作为 传递函数模块，sum模块作为信号综合点，最后加上示波器。由此建立有静差调 速系统的数学模型，并用MATLAB软件对系统进行仿真mg图5-1带电流截止负反馈的单闭环脉宽调速系统仿真模型仿真结果转速的响应比较迅速，稳定后加入负载，转速先变小再迅速恢复稳定。电流 受到截止作用，开始时维持较大数值使得转速迅速增长，转速快要达到稳定时 电流急剧下降直到0,效果较为理想。其仿真结果如下图5-2图5-2带电流截止负反馈的单闭环脉宽

21、调速系统仿真结果6总结体会本设汁的主要工作是设汁带电流截止单闭环直流调速控制器的电路，设计的电 路都是模拟电路，详细地介绍了各个控制环节，有PI调节环节，电流负反馈环 节以及转速检测环节以及晶闸管的触发电路的设计过程，当然还有其它电路的 设计，最后实现带电流截止负反馈单闭环调速功能。在了解的情况下运用公式 按要求设计出所要的型号。运用了 protel绘制电气原理图及简单电路图，一些 简单的图形用画图板和Word中的画图工具画出来。通过建立数学模型，运用 MATLAB/SIMULINK对整个电路进行仿真。通过做设计，也有了不少的收获进一步 了解和掌握了单闭环直流调速系统及其控制电路的一些特性，比

22、较全面的将所 学的电力电子和电力拖动方面的知识此外这次课程设计让我感受颇深，首先在刚拿到这个设计要求时，很是束手 无策，但是通过老师悉心指导后，一次一次的翻阅参考资料，一次一次的捉摸, 终于在自己的努力下，完成了这次课程设计。在设计的过程中，同学们提出好 的简易是我意识到学习贵在交流，只有在交流中才能提升自己，才能丰富自己 的只是，只有在交流的过程中，才能产生多心的火花新的思想。要完成设计， 必须做到一丝不苟，对各个部位的电路图都要检查，无比达到完美，因为电子 方面只要出现一点小错误都会导致整体的瘫痪，因此不能粗心大意。在设计的 过程中，我知道了做任何事情都要以严谨的态度对待，找个课程设计我有了能 够综合运用所学知识的机会，让我的动手能力，逻辑思维能力得到了相应的锻 炼。也让我学习有了新的理解。本设计在有限的条件下和本人有限的学识，做出的设计还是存在着一些不 足。本设计采用PI调节器，输出的转速存在这超调量比较大，而且快速性也相 对受到影响。则今后可以采用PID调节器可以全面的提高系统的控制性能，但 是具体实现与调试要复杂，做的工做比现在就更多。设计研究是一个漫长的过 程，要想