电力电子运动控制课程设计

1、电力电子与运动控制课程设 计报告书学院：电气工程学院课程性质、作用、教学目标本课程为自动化专业“电力电子技术”、“运动控制系统”两门课程的综合性课程设计,通过指导学生 独立完成由IGBT组成的某不可逆直流PWM双闭环调速系统中主电路、控制器设计及系统动态性能仿 真，以使学生掌握电力电子装置设计的方法和运用工程设计方法进行实际自动控制系统设计的方法、步 骤，提高电力电子系统和自动控制系统的分析与设计能力和综合运用“电力电子技术”、“运动控制系 统”，“自动控制理论”、“建模与仿真”等课程所学知识的能力，促进理论联系实际和解决问题能力的 提高。课程设计的基本要求根据课程设计任务书的给定条件和技术指

2、标，在教师指导下，独立完成设计方案的选择与论证、 主电路设计、控制器设计、系统建模与仿真。独立完成课程设计报告的撰写。要求会查阅相关参考文献、资料。掌握电力电子装置设计的方法和运用工程设计方法进行实际自动控制系统设计的方法、步骤。课程设计说明书（一）设计题目和给定条件、技术指标设计题目：直流脉宽调速系统设计给定条件、技术指标系统形式：不可逆（无制动功能）直流PWM双闭环调速系统直流电动机（他励，励磁电路参数略）：额定功率PN为22kW、额定转速nN为1500 r/min、额定电流IN为113.24A、额定电压UN为220V、电枢电阻Ra为0.14Q、允许过载倍数入=1.5系统总飞轮矩GD2 :

3、 26.95Nm2测速发电机:额定转速为1900 r/min、额定电压为110V、额定电流为0.21A电流检测：采用霍尔电流传感器电枢回路总电阻（计及整流器的等效内阻等）：R=3Ra脉宽调制器的调制波周期TPWM设计值（建议）为100p s系统技术指标：调速范围D=25、静差率s 0.05、电流超调量。i %W5%、空载起动到额定转速时的转速超调量。n%o . =1250电流环截止频率3 ci=KI=1250s-i 1_=3333.3o . =12503Ts 3*10 3Ts 3*10 - 4忽略反电势对电流环影响条件3= 3* .”=171.2o , = 1250电流调节器电阻和电容计算取

4、R0=40 k。Ri=Ki*R0=18.52 k。，取 Ri=18.7 k。(标称值)Ci=T i/ Ri=0.09uF 取 0.1uF (标称值)Coi=4*Toi/ R0=0.03uFRbal=R0Ri=18.2k。14.转速环计算 电流环等效时间常数1/Kj=2 T/=0.0008s 转速滤波时间常数Ton=0.0i； 转速环小时间常数T n=1/KI+Ton=0.0108s根据设计要求选择PI调节器 WASR(s)=Kn(T n*s+1)/( T n*s)（5）转速调节器参数计算取中频宽h=5则ASR超前时间常数T n=h*&n=0.054s转速环开环增益 Ki= h +1 =6=10

5、28.8N 2h2*T 2 2*25*0.01082nASR 比例系数 Kn =（h + 1）&CeTm = 26.73 2haRT n（6）检验近似条件转速环截止频率3 cn=KN/3 1=Kn*t n=55.55s-1电流环传递函数简化条件：（勺又.侣=1250. （4*10-4）/3 = 589.3 转速环小时间常数近似处理：K 内=v；1250 0.01 = 117.9 ocn 33（7）转速调节器电阻和电容计算取 R0=40 k。Rn=Kn*R0=1069 k。，取 Rn=1M。（标称值） Cn=T n/ Rn=0.054uF,取 0.051uF （标称值） Con=4*Ton/ R

6、0=1uF （标称值） Rbal=R0Ri=38.3k。（标称值）电气原理图总的电气原理图如附图，现将各个子模块展示如下： 1.主回路电路图如下：图一、直流电动机调速系统主回路原理图2.电源模块分为+5V, +15V, -15V, +20V,分别如下：05051117图、电源模块的+5V、+20V子模块图二、电源模块的+15V、-15V子模块图三、ASR和ACR4.PWM脉波产生电路及IGBT驱动电路如下:图四、PWM脉波产生电路及IGBT驱动电路五.仿真模型T o Wo rksp 白 ce(0.Clo.2T o Wort*3p3ce2图五、直流电动机双闭环系统框图图六、转速调节器ASR内部结

7、构（内置抗饱和内限幅电路）图七、电流调节器ACR内部结构（一般不会饱和所以没有像ASR内部那样接法） 六.仿真结果及分析1）起动：阶跃给定转速分别为 190 r/min、375 r/min、750 r/min、1500 r/min； 给定转速190r/min时波形：图八、给定转速190r/min转速电流波形峰值：210.3r/min稳态值：190r/min超调量O %： 10.6%上升时间tr： 1.186s峰值时间他tp： 1.216s 给定转速375r/min时波形:图九、给定转速375r/min转速电流波形峰值：395.3r/min稳态值：375r/min超调量O %： 5.41%上升时

8、间tr： 1.367s峰值时间他tp: 1.396s 给定转速750r/min时波形:峰值：770.3r/min稳态值：750r/min超调量O %： 2.71%上升时间tr： 1.732s峰值时间他tp： 1.761s 给定转速1500r/min时波形:峰值：1520r/min稳态值：1500r/min超调量O %： 1.33%上升时间tr： 2.463s峰值时间他tp： 2.492s将四个给定转速作在一张图上:，然后在负载的作用转速 n(r/min)，然后在负载的作用转速 n(r/min)超调量CT %上升时间tr（s）峰值时间他tp（s）19010.6%1.1861.2163755.41

9、%1.3761.3967502.71%1.7322.49215001.33%2.4632.492作比较一下四种给定转速列表如下析：随着给定转增加超调量逐第一阶段是电流上升阶段：突加给定电压，由于转速很小，转速调节器输出保持限幅值，强迫电流Id迅速上升， 直到 Id=Idm,第二阶段恒流升速阶段：ASR始终饱和，Id保持恒定，转速线性增长。第三阶段转速调节阶段：当转速达到给定值，由于ASR的积分作用，仍在加速，转速超调后，ASR输出为负 开始退饱和，由于Id仍大于负载电流，转速仍然增加，直到Id等于负载电流，转速达到最大值。下，转速下降，经过一段时间调整，转速稳定，电流也达到稳定。简速渐减小，动态时间过程变长。2）抗扰：给定转速n*为1300 r/min，系统稳定运行中，负载转矩阶跃变化。仿真方法：先空载启动，再到2s时给额定负载运行（这为一个负载扰动），再到7s时减小负载（也为 一个负载扰动）仿真得到下图：图十三、2s和7s时给定两个负载扰动波形负载扰动在电流环之外，速度环之内，因此负载扰