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1、运动操纵系统课程设计转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计专业：*年级：*学号：*姓名：*指导教师：*转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计 一、设计目的1、 应用所学的交、直流调速系统的大体知识与工程设计方式，结合生产实际，确信系统的性能指标与实现方案，进行运动操纵系统的初步设计。2、 应用运算机仿真技术，通过在MATLAB软件上成立运动操纵系统的数学模型，对操纵系统进行性能仿真研究，把握系统参数对系统性能的阻碍。3、 在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行操纵系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。二、 系统设计参数直流电动机操纵系统设计参数：（ 直流电
2、动机(3) ） 输出功率为: 电枢额定电压220V电枢额定电流 30A 额定励磁电流1A额定励磁电压110V 功率因数电枢电阻欧姆 电枢回路电感100mH电机机电时刻常数1S 电枢许诺过载系数=额定转速 970rpm直流电动机操纵系统设计参数环境条件：电网额定电压:380/220V; 电网电压波动:10%;环境温度:-40+40摄氏度; 环境湿度:1090%. 操纵系统性能指标：电流超调量小于等于5%; 空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;调速范围D20;静差率小于等于.一、设计内容和数据资料某直流电动机拖动的机械装置系统。主电动机技术数据为：,，电枢回路总电阻，机电时刻常数，电动
3、势转速比，Ks=40，Ts=，电流反馈系数，转速反馈系数，试对该系统进行初步设计。二、 技术指标要求电动性能够实现可逆运行。要求静态无静差。动态过渡进程时刻，电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。三、 主电路方案和操纵系统确信主电路选用直流脉宽调速系统，操纵系统选用转速、电流双闭环操纵方案。主电路采纳25JPF40电力二极管不可控整流，逆变器采纳带续流二极管的功率开关管IGBT组成H型双极式操纵可逆PWM变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部份主若是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、电流调剂器和转速检测环节、转速调剂器
4、，组成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳固电流，后者通过转速检测元件的反馈作用维持转速稳固，最终排除转速误差， 从而使系统达到调剂电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起要紧作用，调剂起动电流维持最大值，使转速线性转变，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起要紧作用，使转速随转速给定电压的转变而转变，电流内环跟从转速外环调剂电机的电枢电流以平稳负载电流原理图如下图一、PWM变换器的选用PWM变换器有可逆和不可逆两类。可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种。由于题目要求须事前电动机可逆运行，故本设计选用带续流的绝缘栅双极晶体管IGBT组成H型双极
5、性操纵PWM变换器。其中，电源电压Us选用不可控电力二极管25JPF40整流提供，并采纳大电容C进行滤波。功率管开关管应经受2Us的电压，为此选用FGA25N120AN绝缘栅双极晶体管IGBT并接在功率开关管两头二级管用在IGBT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流。FGA25N的参数：Vce=200V，Ic=15A。选用10CTF30型电力二极管，If=10A，Urm=300V。采纳单相交流220V供电，变压器二次电压为67V，桥式整流二极管最大反向电压大于电源的幅值的2倍，最大整流电流按2倍额定电流考虑。选25JPF40，If=25A，Urm=400V。整流桥输出端所并接的电容作用滤除整
6、流后的电压纹波，并在负载转变时维持电压平稳。另外，当脉宽调速系统的电动机减速或停车时，贮存在电动机和负载转动部份的动能将由电容器吸收，因此所用的电容较大，那个地址选用4000uf，电压按大于2倍电压选择。二、传感器和测速发电机的选用由于题目要求需要对电流进行采样，故此那个地址咱们选用霍尔电流传感器HNC-025A，HNC-025A传感器所能测量的额定电流为 5A、6A、8A、 12A、25A，当原边导线通过电流传感器时，原边电流 IP会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通事后续电子电路可把那个微小的信号转变
7、成副边电流 IS，并存在以下关系式： IS* NS= IP*NP。在外环中，咱们需要有速度的反馈，那个地址咱们选用永磁式ZYS231/110型作为测速机。3、驱动电路选用驱动电路的作用是将操纵电路输出的PWM信号放大至足以保证IGBT靠得住导通或关断的程度。同时具有实现主电路与操纵电路相隔离、故障后自动爱惜及延时等功能。那个地址咱们选用上海马克电气公司的AST96X 系列的MAST5-2C-U12型IGBT驱动板 ，AST96X 为单路光电耦合隔离带短路、欠压和过压爱惜功能的 IGBT 驱动模块； MAST 系列为 1 7 路、带隔离电源的 IGBT 驱动板，易于利用，对供电电源要求低，适用
8、600V 1700V 的各类不同类型 IGBT 驱动；二者均提供 电流源或电压源电阻两种驱动方式，具有单电源供电、输入电压范围宽、内置正负电压发生器和电压滤波器、内置短路爱惜电路、内置驱动欠压和过压爱惜电路、内置 VCE 检测的快恢复高压二极管、内置光电耦合器以传输驱动爱惜故障信号、内置栅极过压箝位元件等特点。MAST5-2C-U12是为操纵和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC 当中，使外围器件本钱降低，整机靠得住性提高。该产品为大规模集成基极驱动电路，可对IGBT实现较理想的基极电流优化驱动和自身爱惜。4、调剂器的选择 依照题目要求咱们尝试用P调剂器
9、进行动态校正，可是存在静差，PI调剂器能够进一步提高稳态性能，达到排除稳态速差的境界。在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调剂作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抗击电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动能够通过电流反馈取得比较及时的调剂，没必要等它阻碍到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。为了取得良好的静、动态性能，转速和电流两个调剂器，而且那个地址咱们采纳PI调剂器。五、 脉宽调制器选用脉宽调制器用于产生操纵PWM变换器的功率器件通断的PWM信号。经常使用种类有：模拟式、数字式和专用集成电路。那个地址选用美国德克萨斯仪器公司TL494
10、专用集成电路作为双端输出型脉宽调制器，其载波为锯齿波信号，振荡频率，其中和取值范围：，。四、主电路的原理该系统是属于双闭环调速系统，其中具有转速环，称为外环，还有确实是电流环，那个地址称为内环，外环由测速机搜集信号通过反馈系数取得电压信号反馈给ASR，内环咱们那个地址采纳直流PWM操纵系统相结合，其中脉宽调速系统由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD和绝缘栅双极性晶体管的GD和脉宽调制变换器组成。直流PWM操纵系统是直流脉宽调制式调速系统操纵系统，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管交流装置，作为系统的功率驱动器。脉宽调制器是有一个运算放大器和几个输入
11、信号组成电压比较器。运算放大器工作在开环状态，在电流调剂器输出的操纵信号的操纵下，产生一个等幅、宽度受Uc操纵的方波脉冲序列，为PWM提供所需要的脉冲信号。逻辑延时环节DLD保证在一个管子发出关断脉冲时，经延时后再发出对另一个管子的开通脉冲，在延时环节中引入瞬时动作限流爱惜FA信号，一旦桥臂电流超过许诺最大电流值时，使工作管子同时封锁，以爱惜电力晶体管。 双闭环直流调速系统的稳态结构图 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE在正常运行时，电流调剂器是可不能达到饱和状态的。因此，关于静特性来讲，只有转速调剂器饱和与不饱和两种情形 双闭环直流
12、调速系统的静特性如上图所示，式中a，b 转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得，从而取得上图静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，U*i U*im，从上述第二个关系式可知: Id Idm。 这确实是说， CA段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一直延续到 Id = Idm ，而 Idm一样都是大于额定电流 IdN 的。这确实是静特性的运行段，它是水平的特性。这时，ASR输出达到限幅值U*im ，转速外环呈开环状态，转速的转变对系统再也不产生阻碍。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调剂系统。稳态时式中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电机的允许过载能力和拖动系统许诺的最大加
13、速度。式中所描述的静特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。如此的下垂特性只适合于 n n0 ，那么Un U*n ，ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起要紧调剂作用。当负载电流达到 Idm 后，转速调剂器饱和，电流调剂器起要紧调剂作用，系统表现为电流无静差，取得过电流的自动爱惜。系统稳态结构图和动态结构图双闭环调速系统的静态结构图U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E五、双闭环调剂器的设计、电流环的设计1. 肯按时刻常数脉宽调制
14、器和PWM变换器的滞后时刻常数开关周期。 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电流滤波时刻常数取。电流环小时刻常数。2. 选择电流调剂器结构依照设计要求，而且，因此可按典型系统设计。电流调剂器选用PI型，其传递函数为3. 选择电流调剂器参数要求时，应取，因此于是，4. 校验近似条件要求，现。要求，现。要求，现。可见均知足要求。5. 计算ACR的电阻和电容取，那么 取 取 取依照上述参数，电流环能够达到的动态指标为，故知足设计要求。、 转速环的设计1.肯按时刻常数电流环等效时刻常数为。取转速滤波时刻常数。2. ASR结构设计依照稳态无静态及其他动态指标
15、要求，按典型系统设计转速环，ASR选用PI调剂器，其传递函数为3. 选择ASR参数取，那么那么 4. 校验近似条件要求，现。要求，现。5. 计算ASR电阻和电容取，那么 取 取 取6. 校验转速超调量当时，而,因此 可见转速超调量知足要求。7. 校验过渡进程时刻空载起动到额定转速的过渡进程时刻可见能知足设计要求。、负反馈单元1. 转速检测装置选择测速发电机参数永磁式ZYS231/110型，额定数据为,。测速反馈电位器的选择考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的，如此，测速发电机电枢压降对检测信号的线性度阻碍较小。测速发电机工作最高电压测速反馈电位器阻值现在所消耗的功率为为了使电位器温
16、度不要提高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，应选为，取。六、 系统的MATLAB仿真 、系统仿真模型 、仿真输出波形曲线图六、系统部份电气原理图：七、设计总结通过这次双闭环直流脉宽调速系统的课程设计，对自己学习电力拖动自动操纵系统有了较深刻的熟悉。在学习本科目时第一感觉内容很多，而且有些明白得很抽象，因此在做作业和设计的时候碰到比较大的阻碍。因为方才终止直流的考试，在之前的温习下来，总算对直流调速有个系统的概念。在教师发给咱们设计材料的时候，看到了原理图简直就蒙住了，那个设计比以往的作业仍是实验都复杂，同时难度也加大。通过看讲义，和去图书馆找资料慢慢看出了些眉头后，通过请教教师和师兄把部份不懂
17、的细节弄清了。完成那个艰巨的第一步后，对整个题目解析宏观的把握，对解题方式也有了大致思路。第二步确实是详细分析，计算线路参数作出原理框图，这一步相对进行的比较顺利。接下来确实是理清思路认真做潮流计算，在做潮流计算的时候由于计算量比较大，线路参数比较多，所花的时刻很多，而且要保证正确率。完成整个计算后，面临这一个更艰巨的任务，确实是仿真：这一步进行的异样艰巨，步履维艰，因为咱们没有开设matable软件，从来没有接触这软件。后面通过自学软件实行仿真，终于完成调试。在本次的双闭环调速系统课程设计，我从头了熟悉到，咱们对把握的知识还不扎实。在考完以后或是通过一段时刻咱们就对前面学过的知识没有印像了，
18、这主若是因为没有明白得性学习。因此，在以后的学习中，必然要学的扎实，学的牢靠，而且能学以致用，活学活用。九、参考文献1.电力拖动自动操纵系统陈伯时.机械工业出版社.2.电力拖动操纵系统设计手册朱仁初.机械工业出版社.3.电气传动自动化技术手册天津电气传动研究所.机械工业出版社.4.毕业设计指导刘祖润.机械工业出版社.5.电力电子变流技术黄俊.机械工业出版社.6.电力拖动自动操纵系统张明达.冶金工业出版社.7.电力传动操纵系统原理与应用冯信康.水利电力出版社.8.电气传动操纵系统的设计周德泽.机械工业出版社.9.电工电子实践教程吴新开，人民邮电出版社10.电气自动化杂志11.电气传动自动化杂志12. 电力电子技术杂志
