转速电流双闭环直流调速系统设计.doc

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1、 运动控制系统 期中作业 转速电流双闭环直流调速系统专业：自动化 班级：1102班 姓名：鱼 轮 学号：1106050218 日期：2014年05月27日设计题目：转速电流双闭环直流调速系统1.已知参数：某转速电流双闭环直流调速系统采用桥式可逆pwm变换电路供电。(1) 直流电动机:Unom = 220V, Inom = 136A, nnom = 1460r/min,电枢电阻Ra=0.2,允许过载倍数= 1.5;(2) 电枢回路总电阻:R= 0.5;(3) 电枢回路总电感:L= 10mH;(4) 电动机轴上的总飞轮力矩:GD2= 22.5Nm2;设计要求:电流超调量i5%,转速无静差;空载起动

2、到额定转速的转速超调量n10%. 目录一、引言4二、整体设计思路4三、系统构成和原理4 四、各电路设计模块5 1.PWM主电路设计-桥式可逆直流脉宽调速系统 5 2.控制电路-基于SG3525为核心构成的控制电路的设计 7 3.电流环的设计 9 4.转速环的设计 12 5.给定的设计 15 6.直流稳压电源的设计 15 7.电动机电源设计 16 8.转速检测电路设计 16 9.电流检测电路设计 16 10.驱动电路设计 17 11.保护电路设计 17五、 仿真结果截屏显示 18六、参考文献21七.电气原理图21八.设计心得总结 22一、引言 在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中

3、起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。 通过对于理论知识的学习，我们已经深刻的体会到闭环控制系统要优于开环控制系统，然而更深入的学习我们又了解到电流-转速反馈控制的直流调速系统是静、动态特性优良、应用最广的直流调速系统，其性能受到各个领域的关注。那么，如何通过MATLAB仿真模拟，了解工作性能以及如何设计出满足要求的调速系统，就是我们重点要掌握的一项技

4、能。二、整体设计思路 首先，从宏观上考虑到的就是将一个系统分成各个部分来设计，大体包含主电路部分，控制电路部分，反馈电路部分，保护电路部分等设计等大体设计环节。每个环节又有各自详细的设计思路，将会在各部分设计中体现。交流电源主变压器副变压器主电路控制电路电机执行方式控制器件电路保护三、系统构成和原理 直流双极式可逆PWM调速系统的组成见图1。图中可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET所构成的H型结构形式，它由四个功率MOSFET管和四个续流二极管组成的双极式PWM可逆变换器，根据脉冲占空比的不同，在直流电机上可得到+或-的直流电压。PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电

5、压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。TG是与直流电动机连动的测速发电机，经过速度变换器FBS后可获得一反映转速变化的速度反馈信号，此信号接入速度调节器ASR的反馈输入端，G为电压给定器，可提供正、负电压，电压大小可以调节。SG3525为脉宽调制器。R1、C1、VD1、R2、C2、VD2构成逻辑延时环节。二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，正常情况下，交流输入为380V，经过整流后变为220V直流电，电阻R1为起动限流电阻,在VT1和VT4的源极回路中，串接两个取样电阻，其上的电压分别反映流过VT2、VT4的电流,经过差分放大输出一反映电流

6、大小的电压，可作为双闭环系统的电流反馈信号，接到电流调节器ACR的输入端。回路中的电阻R2有两个作用。第一，可以用来观察波形,其上的电压波形反映了主回路的电流波形。第二，作为过流保护用。当R2的电压超过整定值后，过流保护电路动作，关闭脉冲，从而保护功率MOSFET管。 整个过程实现，从电网引入380V的电压，一路经电流检测电路，获取与主电路电流成比例的电流信号，经过滤波整流后，作为电流反馈信号输出至电流反馈端；另一路经整流为220V的电压为电动机提供电源，220V的电压经过桥式整流为直流电源。系统运转后，通过与电动机同轴相连的测速电动机测出转速，输送转速负反馈信号与给定比较，电流环中电流通过电

7、流检测电路实现电流信号的反馈。四、 各电路设计模块1、PWM主电路设计-桥式可逆直流脉宽调速系统 1.1按电路能否始终保持电流连续分为受限式和非受限式两种，而按输出电压极性是否单一又分为单极性和双极性两种类型。图1中装置系统结构图采用的是H型变换器。采用恰当的控制方式可让其工作于双极性非受限式的状态下。功率开关管VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电压Ug1=Ug4；VT2和VT3同时动作，其驱动电压Ug2=Ug3=-Ug1。经分析易知，不论电流路径如何，只要VT1和VT4上加的是正向的控制信号，电机电枢两端电压UAB=Us（Us指电容两端电压），只要VT2和VT3两端加的是正向的控制信号，电

8、机电枢两端电压UAB=-Us。设VT1开关周期为T，一个周期内VT1上所加正向控制信号的时间是ton，则电机电枢的平均电压为：，如果定义占空比，电压系数，则在双极式可逆变换器中调速时，的可调范围为01相应的。当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，电动机停止。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，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、负反向时的静磨擦死区，使电机低速时有较

9、好的动静态特性。电枢电压极性在每个周期内都是变化的，但是开关管的频率做得很高，电机运行时由于惯性其转速瞬间不会变化，再加上电枢电感对电流有滤波作用，所以电机转速可以认为是稳定的。但是这里的稳态，指的是电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，电枢电流实际上是周期变化的，只能算是准稳态。脉宽调速系统在准稳态下的机械特性是其平均转速与平均转矩（电流）的关系。由图可知：PWM变换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。由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间传入电阻Rz

10、，合上电源后，用延时开关将Rz短路，以免在运行中造成附加损耗。1.2元器件选择 选取晶闸管作为三相桥式全控整流开关器件。材料的选取：在选取晶闸管时，对于额定参数是要求很高的。晶闸管的额定电压是指断态重复峰值电压和反向重复峰值电压的较小值。考虑到电源电压的波动及过电压保护等因素，选用时额定电压为承受峰值电压的23倍。即：UTN=（23）UTM 其中UTN为晶闸管的额定电压，UTM为晶闸管实际所承受的峰值电压，（2-3） 为安全裕量。1.2.1. 晶闸管的额定电流的选择晶闸管的额定电流是按电流的平均值标定的，元件的电流有效值定额是其通态平均电流值的1.57倍。 I= 1.57 ITa （1-2）I

11、Ta为通态平均电流值。而ITa为 ITa = （1.5-2）IVT/1.57 (1-3)其中IVT为晶闸管实际通过电流的有效值。在主电路中使用变压器将交流380V降为24V,经过计算UTN为134V，I为20A.所以晶闸管我们选择为KP20-2E.1.2.2二极管的选择D1-D6我们选择IN5822，图中从电网到D1-D6所组成的整流电路中需要一个电流互感器。IN5822的参数为：VRRM = 40V; VRMS = 28V; IFMS = 80A; IO = 3A2、 控制电路-基于SG5255为核心构成的控制电路的设计（1）SG3525芯片的内部结构及工作原理 SG3525 是一种性能优良

12、、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。 SG3525采用恒频脉宽调制控制方案,适合于各种开关电源,斩波器的控制。其内部包含精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器等,并含有欠压锁定电路,闭锁控制电路和软起动电路。采用集成芯片产生PWM信号进行控制具有线路较为简单，易于控制，无需编程等特点，是目前PWM常用的方法。美国硅通公司的SG3525A是性能优良，功能齐全，通用性强的单片集成PWM控制器。原理如下：基准电压

13、部分对内部供电，对外作为基准参考电压；振荡器产生近似的锯齿波，锯齿波的频率由和振荡器相连接的外接的电阻电容决定，同时对应于锯齿波的下降沿产生一时钟脉冲CP；在时钟脉冲CP的作用下，分相器（T触发器）的两输出端产生两相位相反的方波信号，其频率是锯齿波频率的一半；误差放大器是差动输入放大器，同相输入端端2接给定电压，闭环控制制时反向输入端1接反馈电压，端9和端1之间接入适当的反馈网络构成调节器可满足系统动静特性的要求；外加于端9的信号和误差放大器的输出叠加于比较器的一反向输入端，比较器的同相输入端加振荡器产生的锯波信号，这样比较器的输出端产生PWM信号，改变外加于端9的信号或来自于端2的反馈信号或

14、端1的给定信号均可改变PWM信号的占空比；内部PWM锁存器可以使关闭更可靠；两个输出级结构是一样的，门电路输出上侧为或非门，下侧为或门，门电路的输入A端，C端和D端所加的信号是一样的，分别是欠压锁定输出，时钟脉冲CP和来自锁存器的PWM信号，分相器的两输出端分别加到两输出级的门电路B端，由于分相器输出两相位相反的方波，所以芯片两对外输出端输出的是两波形一样而相位相差180的PWM信号，而且频率是比较器产生的PWM信号的一半。另外此芯片还带有闭锁控制，软起动，欠压锁定功能。本装置结构图中SG3525A的5、6、7管脚接上恰当的固定大小的电阻电容，以决定最终输出的PWM信号的频率。管脚9开环时加给

15、定信号，闭环时加ACR（或ASR）的输出，9端所加电压的大小决定PWM的占空比。定频调宽控制方式。13端作为PWM信号的输出端。（2） 逻辑延时环节 主电路功率开关管的控制所需要信号是对角上两管控制信号相同，而同一桥臂上的控制信号相反。这样主电路需要两路互为反向的控制信号。SG3525的13端的输出信号作为一路信号，其经过一反向器后作为另一路信号即可满足所需。虽然目前的工艺水平可以使电力电子半导体开关器件开关频率做得很高，但其导通和关断仍会占用一极短的时间，控制信号消失的瞬间并不意味着功率开关管就真正关断。假如一功率开关管的控制信号刚消失的同时给同一桥臂另一功率开关管加控制信号很可能造成同一桥

16、臂的两管子同时导通而形成对电源短路。为了避免这种情况发生，设置了逻辑延时环节。逻辑延时环节的二极管使低电平信号或说负信号照样通过R和C延迟高电平信号向后传送的时间。这样就可以保证一功率开关管可靠关断后再给与其同一桥臂上的功率开关管加高电平信号，避免其同时导通。电路连接图见图5所示。3、电流环的设计 在本次设计中，采用电流、转速双闭环构成的反馈，使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换装置UPE。从而改变电机的转速。通过电流和转速反馈电路

17、来实现电动机转速无静差的运行。 框图如下所示3.1 电流环的设计 电流调节器的作用是：对电网电压波动起及时抗扰作用。启动时保证获得允许的最大电流（过大的起动电流、过载电流）。在转速调节中，使电流跟随其给定电压变化。当电机过载甚至处于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能过自动恢复正常。 选择pwm开关频率为8khz，Ks=44 选用15V电路供电，则转速反馈系数=0.01Vmin/r; 电流反馈系数:3.1.1. 确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数 T平均失控时间 电磁时间常数：=0.01/0.5=0.02s 机电时间常数：s（2）电流滤波时间常数。

18、（3）电流环小时间常数之和 按小时间常数近似处理，取 3.1.2. 选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电流无差，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PI型电流调节器。而且其传递函数为 3.1.3 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数： 电流环开环增益：要求时，应取 ，因此 于是，ACR的比例系数为 3.1.4. 校验近似条件电流环截止频率（1）校验pwm装置传递函数的近似条件: 现在，,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： 现在，, 满足近似条件。（3）校验电流环小时间常数近似处理条件: 现在， 满足近似条件。3.1.5.

19、 计算调节器电阻和电容所用运算放大器取 Ro = 40k,各电阻和电容值计算如下， 取, 取0.513F, 取0.2F按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：,满足设计要求。 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。 如下图3.1.6所示含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器其中为电流给定电压，为电流负反馈电压，为电力电子变换器的控制电压.4.转速环的设计 转速调节器的作用：能有效地消除转

20、速偏差，保持转速恒定；当转速出现较大偏差时，它能迅速达到最大输出电压，输送给电流调节器，使电流迅速上升，实现快速响应。转速反馈电路如图4.1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道理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。 图4.1 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器4.1.1确定时间常数（1）电流环等效时间常数,取，则 =（2）转速滤波时间本常数 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 4.1.2. 选择转速调节器结构 由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；

21、又根据动态要求，应按典型型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为 =4.1.3.计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为 转速开环增益于是，ASR的比例系数为4.1.4检验近似条件 转速环截止频率（1）电流环传递函数简化条件为： 现在，满足简化条件。（2） 小时间常数近似处理条件： 现在，满足简化条件。4.1.5.计算调节器电阻和电容取，则，取 ，取，取4.1.6.校核转速超调量 当h=5时，；而因此 能满足设计要求。5、给定的设计 在系统的整过实现过程中，需要一个稳定的给定电压。通常转速给定电路由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大

22、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。 图5.1：转速双闭环直流调速系统给定电压电路图6、直流稳压电源的设计 给定中电压为直流稳压电源，其主要由整流电路和滤波电路组成。整流电路利用了二极管的单向导通作用进行整流工作。整流方式多样，但考虑到桥式整流电路输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，整流效率高，因此采用桥式整流电路进行整流。 图6.1： 15V电源电路原理图在上述电源的设计中主要采用7815,7915元件。7815为三端正稳压器电路, 而7915为三端负稳压器电路。都为TO-220F封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围

23、广，内含过流、过热和过载保护电路。由于一般的双电源（正负对称电源）都没有连续可调的功能，给使用带来一定程度上的不便。所以在此用一块7815和一块7915三端稳压器对称连接，来获得一组正负对称的正负15V稳压电源。 7、电动机电源设计 为了给电动机供电，采用三相桥式全控整流电路。图7.1 电动机电源电路原理图8.转速检测电路设计转速反馈电路由测速发电机测转速，通过转速变换器反馈相应电压信号，然后将电压信号反馈回转速调节器ASR。转速变换FBS用于在转速反馈的调速系统中，反映转速变化并把与转速成正比的电压信号,变换成适用于控制单元的电压信号。电路图如图8所示。 9.电流检测电路设计电流反馈电路主要

24、是采用霍尔，霍尔元件具有结构简单、体积小、无活动部件，便于与测量电路一起作为霍尔传感器。具体测量电路如见图7所示，图中控制电流有VCC提供，可以是直流也可以是交流电源，电位器R1是用来调节控制电流I的大小，R4是霍尔输出电压的负载电阻，通常是放大电路的输入电阻。霍尔电压一般为毫伏数量级，因而后面需要接差动放大器，霍尔电压为线性量，因而该电路设计为线性型。 10.驱动电路设计 本脉宽调速装置中主电路是强电，控制电路属弱电。控制电路对主电路进行控制时就需要隔离环节。SG3525A产生的PWM信号较小，不能直接驱动大功率的开关管。所以要加上驱动环节。本装置功率开关器件用的是MOSFET，可以选择用专

25、用的集成驱动芯片。 IR2110是美国IR公司生产的高压、高速PMOSFET和IGBT的理想驱动器。它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。该芯片采用HVIC和闩锁抗干扰制造工艺，集成DIP、SOIC封装。IR2110具有独立的低端和高端输入通道：悬浮通道电源采用自举电路，其电压最高可达500V；功率器件栅极驱动电压范围10V20V；输出电流峰值为2A;逻辑电源范围5V20V，而且逻辑电源地和功率地之间允许+5V的偏移量；带有下拉电阻的COMS施密特输入端，可以方便地与LSTTL和CMOS电平匹配；独立的低端和高端输入通道，具有欠电压同时锁定

26、两通道功能;两通道的匹配延时为10ns；开关通断延时小，分别为120ns和90ns；工作频率达500kHz。其内部结构主要包括逻辑输入，电平转换及输出保护等。 11.保护电路设计A.过电压保护闸管的过电压保护：晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也会被反向击穿而损坏。如果正向超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不使电路可能出现过电压，常采用简单有效的过电压保护措施，如在电路中接入吸收能量的原件，使能量得以消散，或采用电子线路进行保护，以及在回路中接入快速熔断器等。 B.过电流保护晶闸管的过电流保护:在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大负载

27、超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。所以我们要设置保护，以避免损害管子。 常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，限流与脉冲移相保护，直流速开关过电流保护。 快速熔断器保护是最有效，使用最广泛的一种措施。桥臂串快熔，这是一种最直接可靠的保护；交流侧快熔，直流侧快熔，这两种保护接法虽然简单，但保护效果不好。 过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（约几百毫秒）只有在短路电流不大时才有用。限流与脉冲移相保护电路保护比较复杂。直流快速开关过电流保护功能好，但造价高，体积大，不宜采用。 因此，最佳方案是选用快速熔断器保护，并采用桥串快熔接法。 五、仿真结果截屏显示1.电流环

28、在simulink下的框图： 2.电流环对应仿真波形由图可看出在KT=0.5时，基本无超调。3. 转速环在simulink下的框图4. 转速环对应波形 由仿真图可看出，超调量在设计参数内，基本符合设计要求。双闭环的实现： 从仿真得到的结果中可以看到，采用PI调节器设计转速环和电流环是可行的，而且符合设计要求。由此得到双闭环的整体电路图如下（图中参数见设计部分的电阻电容计算）。六.参考文献【1】 陈伯时 电力拖动运动控制系统 北京：机械工业出版社【2】 尔桂花 窦日轩 运动控制系统 北京：清华大学出版社【3】 刘树林 程红丽 低频电子线路 北京：机械工业出版社【4】 王兆安 电力电子技术 西安：

29、西安交通大学出版社【5】杨荫福 段善旭 朝泽云 电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社，【6】李发海 王岩 电机拖动基础 北京：清华大学出版社七.电气原理图八.设计心得总结本次设计为期一个月，题目是针对双闭环直流电机调速系统，主要工作是设计直流调速控制器的电路，由于我编程不太在行，故我采用的电路都是模拟电路，在这个过程中，我通过借用图书馆的书籍以及通过网络上的搜索、与实验室的同学互相交流，查阅了许多关于本设计的书籍和资料对该电路的设计有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计，其中，在器件参数选择、器件保护、各器件的优弱势比较、电源电路（整

30、流）、电流调调节器、转速调节器、驱动电路等的设计过程，给我留下了深刻的印象，学习了不少有用的知识。拿到课题时，我仔细分析、整理和研究课题，经查阅相关资料，先确立了整体设计基本思路，然后，在各个小模块中，互相对比现有的方案优缺点（比如控制电路那一块有的选用555定时器进行PWM控制，有的选用单片机程序控制有的选用sg3525），最终定下了如上的方案，在设计过程中也温习了protel 绘制电气原理图，学习了MATLAB/SIMULINK对整个电路进行仿真。 当然，本设计在有限的条件下，依托我有限的学识，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的多，做的工作就更多。设计研究是一个漫长的过程，要想让它真正的使用到现实中，还需要不断的改善。最后，还是非常感谢胡老师提供这次的实习，让我对前三章所学知识又有了一个新的认识，有了一个更好的掌握，为下来的期末考试和将来的毕业设计做了良好的铺垫！谢谢胡老师！