[工学]电电力拖动与控制系统课程设计

1、.电力拖动与运动控制系统课程设计姓 名： 学 号： 专 业： 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 6 月课程设计任务书专业年级 学号 学生姓名 任务下达日期：2012年6月5日设计日期： 2012年6月11日 至 2012年6月28日设计专题题目：双闭环直流调速系统的设计设计主要内容和要求：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

2、限运行，具体设计内容如下。1. 绪论介绍直流调速在工业生产中的应用及直流调速理论的发展。2. 直流调速系统的主电路设计(1) 主电路采用的是：基于H桥的脉宽直流调速系统；(2) 根据附录中所提供的直流电机参数，对主电路中的功率器件进行型号选择，要求给出选择依据；(3) 给出全控型器件IGBT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及缓冲电路。3. 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

3、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Matlab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(可选)(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

4、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 要本设计通过分析直流双闭环调速系统的组成，设计出系统的电路原理图。同时，采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调节器系统的一个环节，再来设计转速调节器。遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。之后，再对系统的启动过程进行分析，以了解系统的动态性能。最后用Matlab 软件中的simuli

5、nk 模块对设计好的系统进行模拟仿真，得出仿真波形。关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器，Simulink.目 录1. 设计目的、任务及要求11.1 课程设计的目的11.2课程设计任务11.3课程设计的要求12.系统总体方案设计22.1具有代表性的直流调速产品22.1.1产品介绍22.1.2 产品设计22.2主回路拓扑结构选择32.2.1直流调速系统主回路拓扑结构42.3数字处理器的选择42.3.1数字处理器的概要42.3.2产品的特征52.3.3 芯片管脚图52.3.4 NJU26060-03A原理图63.直流调速系统主电路的设计63.1 转速给定电路设计73.2 转速检测电路设计

6、73.3 电流检测电路设计83.4 整流及晶闸管保护电路设计83.4.1 过电压保护和du/dt限制93.4.2 过电流保护和di/dt限制93.4.3 整流电路参数计算103.5电源设计113.6 控制电路设计123.7参数计算133.7.1确定时间常数133.7.2选择电流调节器的结构143.7.3计算电流调节器的参数143.8 转速环的设计153.8.1确定时间153.8.2选择转速调节器结构153.8.3计算转速调节器参数153.9工程化校验及限幅153.9.1电流校验环节及限幅153.9.2电压校验环节及限幅163.10检验转速超调量174 双闭环直流调速系统的Matlab仿真175

7、 数字控制器的设计205.1硬件设计205.2软件设计215.2.1双闭环直流调速系统的整体控制流程图215.2.2数字控制器PI 的程序流程框图216 个人小结23参考文献24附录25.1. 设计目的、任务及要求1.1 课程设计的目的课程设计是教学计划规定的一个重要教学环节，是一个综合运用所学知识的过程。本课程设计不仅需要控制理论、程序设计等方面的基础知识，而且还需要具备一定的生产工艺知识。设计包括确定控制任务、系统总体方案设计、硬件系统设计、控制软件的设计等，以便使学生掌握微型计算机控制系统设计的总体思路和方法。1.2课程设计任务试设计一双闭环V-M直流调速系统。采用三相桥式全控整流电路，

8、二次相电压有效值。已知直流电动机参数为：Pe=3.7kW，Ue=220V，Ie=20A，ne=1000r/min，主回路总电阻等于电枢绕组电阻，即=1.5，电枢回路电磁时间常数TL=0.018s，系统机电时间常数Tm=0.080s，电动势系数C=0.206/（r.min-1），转速和电流给定电压最大值分别为 。1.3课程设计的要求 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。按工程

9、设计方法设计，要求调速系统的电流超调量5，空载起动到额定转速时的转速超调量10%其过渡过程时间Ts=0.5s，堵转电流Idbl=2.0Ie，稳态无静差。2.系统总体方案设计2.1具有代表性的直流调速产品 SIMOREG DC-MASTER 6RA702.1.1产品介绍最新推出的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: 15A3000A，额定励磁电流: 3A85A。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/

10、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。2.1.2 产品设计6RA70 SIMOREG DC MASTER 系列整流器以其紧凑和节省空间的结构为特色，由于各个的部件容易接近，其紧凑式设计使他们特别容易保养与维护，电子板箱包含基本电子板和任何附加板。所有SIMOREG DC MASTER 装置均配备一个安装在整流器门上的简易操作面板PMU，面板由一个5位，

11、7 段显示，作为状态显示三个LED 和三个参数设置键组成。PMU 还具有根据RS232 或RS485标准同USS 接口的连接器X300。操作面板提供了为了启动整流器所需进行的调整和设定及测量值显示的所有工具。OP1S 整流器选件操作面板既可以安装在整流器门上，又可外部安装，例如在柜门上。因此，他可以通过一根5 米长电缆连接。如果有一个独立的5V 电源可以使用，则电缆可长至50 米。OP1S 通过X300 连接到SIMOREG。OP1S 可以作为一个经济的测量仪器安装在控制柜，用来显示一定数量的物理测量值。OP1S 提供一个4 16 字符的LCD 以简单文字显示参数名称，可以选择德语，英语，法语

12、，西班牙语和意大利语作为显示语种。为了容易地下载参数到其他装置，OP1S 可以存储参数组。通过基本单元上的串行接口，应用适当的软件，标准的PC 机也可以对整流器进行参数设置。这个PC接口可用在启动、停机维护和运行诊断过程中。此外，整流器的软件升级可通过这个接口，装载存储到闪存中。单象限工作的整流器，电枢由三相全控桥B6C 供电，四象限工作整流器通过两个三相全控桥(B6)A(B6)C 无环流反并联连接电路供电。励磁供电采用2 脉冲单相半控桥方案B2HZ。电枢和励磁的供电频率可以不相同(在4565Hz 范围之内)，工作在扩大的频率范围23Hz110Hz 需询问。电枢回路的供电相序不要求。对于额定直

13、流电流为15850A(在400V 电源电压时1200A)的整流器，电枢和励磁的功率单元采用独立晶闸管模块结构，散热器是绝缘的。对于高于上述额定电流的整流器，电枢回路的功率单元由平板式晶闸管和散热器构成(晶闸管组件)，其外部是带电的。机箱和电源联接处的端子盖为在附近工作的操作人员提供意外触电保护，所有的接线均位于正面。功率单元的冷却系统通过温度传感器来监控。进线电压为460V 的装置的特点 该系列装置额定直流电流为30A1200A. 额定直流电流为450A1200A 的装置用一台单相风机。 额定直流电流为60A850A 的装置功率端子在装置的下部和顶部。按UL 508C 标准将SIMOREG 装

14、置安装在柜中 当装置装入一个柜(外壳)中，柜体必须通风且设计为“1 型”。 柜体(外壳)最小尺寸为600mm(宽) 600mm(深) 2200mm(高)。2.2主回路拓扑结构选择 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，转速检测用数字测速。微机控制具备故障检测功能，对电压、电流、温度等信号进行实时监测和报警。一般选用专为电机控制设计的单片微机，配以显示、键盘等外围电路，通过通信接口与上位机或其他外设交换数据。 2.2.1直流调速系统主回路拓扑结构 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理

15、图2.3数字处理器的选择 数字处理器，又称为音频处理器。数字处理器就是对数字信号的处理，其内部的构普遍是由输入部分和输出部分组成，其中属于音频处理部分的功能一般如下：输入部分一般会包括，输入增益控制（INPUTGAIN），输入均衡（若干段参数均衡）调节（INPUT EQ),输入端延时调节（INPUT DELAY)，输入极性（也就是大家说的相位）转换（input polarity)等功能。而输出部分一般有信号输入分配路由选择（ROUNT)，高通滤波器(HPF），低通滤波器（LPF），均衡器(OUTPUTEQ），极性（polarity），增益（GAIN），延时（DELAY），限幅器启动电平（LIM

16、IT）等功能。2.3.1数字处理器的概要产品名称：NJU26060-03A功能名称：PWM输出的数字信号处理器 NJU26060-03A是搭载有采样率转换器(SRC)、PWM 调制器，作为声音处理的24bit DSP。此DSP具有SRS音响技术的TruVolume和WOW HD功能，并通过TruVolume能够进行自然的动态范围压缩，通过WOW HD能够获得有临场感的3D音响效果。NJU26060-03A最适合于扬声器系统、组合音响、电视等有立体声输出的音响设备。2.3.2产品的特征硬件24bit固定小数点的数字信号处理器外部时钟频率 (内置24.576MHz、 PLL)采样率转换器(SRC)

17、 (Fs=8kHz192kHz 48kHz)PWM调制器 (4ch（立体声2系统）输出)数字接口发射器(DIT) (1端口输出)数字音频接口 (3输入端口、2输出端口(由PWM输出来切换)数字音频格式 (I2S 24bit、对应左对齐和右对齐、BCK：32/64fs)对应主/从模式 (采样率转换器：从属工作/DSP：主工作(fs=48kHz)主接口 (I2C总线接口(Fast-mode/400kbps)工作电源 (3.3V)输入端子容许电压 (承受5V电压)封装 (SSOP44(Pb-Free)软件SRS TruVolumeSRS WOW HD主音量看门狗时钟输出2.3.3 芯片管脚图 NJU

18、26060-03A管脚图 2.3.4 NJU26060-03A原理图 NJU26060-03A原理图3.直流调速系统主电路的设计主电路就是在电力电子装置中，起到能量变换和传递作用的部分。它具有高电压、大电流的特点。3.1 转速给定电路设计转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图3.1所示。 图3.1 转速给定电路原理图3.2 转速检测电路设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要

19、由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图3.2所示。 图3.2 转速检测电路原理图3.3 电流检测电路设计电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图3.3所示。 图3.3 电流检测电路原理图3.4 整流及晶闸管保护电路设计整流电路如图3.4所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管具有许多

20、优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和du/dt限制，过电流保护和di/dt限制。 图3.4 整流电路及晶闸管保护电路3.4.1 过电压保护和du/dt限制凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主要是通过阻容吸收电路

21、，连线如图4.4所示。阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。3.4.2 过电流保护和di/dt限制由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过

22、电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种：1.快速熔断器 普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。2.硒堆保护 硒堆是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。本系统采用快速熔断

23、器对可控硅进行过流保护。3.4.3 整流电路参数计算(1)的计算负载要求的整流电路输出的最大值；晶闸管正向压降，其数值为0.41.2V，通常取；n主电路中电流回路晶闸管的个数；A理想情况下时，整流输出电压与变压器二次侧相电压之比；C线路接线方式系数；电网电压波动系数，通常取；最小控制角，通常不可逆取；变压器短路电压比，100Kv以下的取；变压器二次侧实际工作电流额定电流之比；已知，取、，查表得，取,查表得代入上式得：，应用式，查表得，取，取，电压比 （2）一次和二次向电流和的计算由式得 ，由表得 ，考虑励磁电流和变压器的变比K，根据以上两式得：（3）变压器的容量计算(4)晶闸管参数选择由整流输

24、出电压，进线线电压为100V，晶闸管承受的最大反向电压是变压器二次线电压的电压峰值，即：，晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即：。考虑安全裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为：3.5电源设计该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源，众所周知，电源是一切电路的心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作，本文特设计一款15V的直流稳压电源供电，其电路图如图3.5所示。直流稳压电源主要由两部分组成：整流电路和滤波电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关

25、键元件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。 图3.5 15V电源电路原理图滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两侧并联电容器；或在整流电路输出端与负载间串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。3.6 控制电路设计本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如图3.6所示。 图3.6 双环调速系统原理图为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器。图4

26、.7中标出了两个调节器的输入输出的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图3.7为双闭环调速系统的稳态结构图。图3.8为双闭环调速系统的稳态结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR的输出Uct为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求ACR的输入Ui*为负极性，所以，要求ASR输入的给定电压Un*为正极性。本文基于这种思想进行ASR和ACR设计。 图3.7 双闭环调速系统稳态结构图 图3.8 双闭环调速系统动态结构图3.7参数计算3.7.1确定时间常数（1）脉宽调制器和PW

27、M变换器的滞后时间常数与传递函数的计算电动机的启动电流为 启动电流与额定电流比为 晶体管放大区的时间常数为 电流上升时间的计算公式为 取=2则电流下降时间的计算公式为 又最佳开关频率为 开关频率f选为5.5kHz，此开关频率已能满足电流连续的要求。于是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1.5ms（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取= Ts+Toi=0.00168s。3.7.2选择电流调节器的结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用

28、PI型调节器3.7.3计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：要求时，取，因此 于是，ACR的比例系数为3.8 转速环的设计3.8.1确定时间（1）电流环等效时间常数。由前述已知，则（2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取3.8.2选择转速调节器结构按典型型系统选用设计PI调节器，其传递函数式为：3.8.3计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为则转速环开环增益 可得ASR的比例系数为3.9工程化校验及限幅3.9.1电流校验环节及限幅1.校验：电流环截止频率： （1）

29、 PWM装置传递函数的近似条件 满足近似条件。（2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件。（3） 电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。电流环可以达到的动态指标为：，也满足设计要求。2.限幅：按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为： , 取 ，取 3.9.2电压校验环节及限幅1.校验转速截止频率为：（1）电流环传递函数简化条件为： 满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为： 满足近似条件。2.限幅根据图2-10 所示，取，则 取 , 取 3.10检验转速超调量当h=5时，,不能满足要求.按ASR退饱和的情况计算超调量: 调速系统开环机械特性的额定稳态

30、速降 :为基准值，对应为额定转速。计算得：4 双闭环直流调速系统的Matlab仿真由于本文只进行了理论性设计，故在系统安装与调试阶段只对控制电路部分进行了MATLAB仿真，以分析直流电机的启动特性。采用MATLAB中的simulink工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应（主要为转速和电枢电流）进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。系统仿真结构如图4.1所示。 图4.1 系统仿真结构图在仿真过程中，Matlab设置很多不同的算法，而不同的算法，对仿真出来波形影响很大。对于用数值方法求解常系数微分方程(Ordina

31、ry Differential Equation,简写为ODE)或微分方程组，MATLAB提供了七种解函数，最常用的是ODE45。ode45可用于求解一般的微分方程，他采用四阶、五阶龙格-库塔法。仿真结果如图4.2-4.3所示。 图4.2 双闭环调速系统仿真结果图上部为电机转速曲线，中部为扰动电流曲线，下部为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。在第二秒时，外加一扰动信号，此时转速受扰动信号影响有所下降，但因为转速环的作用重新将转速拉入稳定值。图4.3转

32、速开环调速系统仿真结果 图上部为转速曲线，下部为电流曲线。因为开环系统中没有反馈信号，而电机在带载的一瞬间要有一个做功的过程，也就是建立系统带载状态下的稳定状态的过程，这部分功需要增大电机的电流来补偿，同时也会牺牲一部分动能，也就是电机的转速，所以产生了静态速降。5 数字控制器的设计5.1硬件设计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 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

33、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。 图 2 微机数字控制双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图5.2软件设计5.2.1双闭环直流调速系统的整体控制流程图系统主程序设计总体流程图为了使微机控制系统各种硬件设备能够正常运行，有效实现各个控制环节的实时控制和管 理，除了要设计合理的硬件电路，还必须要有高质量的软件支持。因此，用汇编或其他高级语 言编写电机微机实时控制系统的应用程序，是整个系统设计中十分重要的内容。本系统采用 8051 单片机生成 PWM 信号，同时