《电力拖动与运动控制系统》课程设计.doc

中国电子科技大学电力拖动与运动控制系统课程设计双闭环直流调速系统的设计学院名称信息与通信工程学院 专业名称自动化学生学号123456789学生姓名学生姓名指导教师教授姓名 助理指导老师老师姓名202X年X月课程设计任务书专业年级 自动化 学号 学生姓名 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，通过调查市场上的直流调速产品，了解目前直流调速产品的结构与功能。2. 直流调速系统的主电路设计(1) 根据提供的直流电动机参数，选择相应的主电路形式，主电路主要采用两种形式：基于H桥的直流脉宽调速系统、晶闸管电动机直流调速系统。(2) 根据附录中所提供的直流电机参数和选择的主电路形式，对主电路中的功率器件进行型号选择，并要求给出选择依据；(3) 根据选择的主电路拓扑结构所采用的电力电子器件，设计或选择电力电子器件的驱动电路。要求给出所设计或选择的晶闸管触发电路、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。(4) 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；(5) 要求在主回路设计中需给出相应的保护及缓冲电路；(6) 列出所选用主电路的器件清单(包括：名称、型号、厂商、数量、参考价格)。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，掌握双闭环直流调速系统的起动过程与特点；(2) 根据提供的直流电动机参数和所设计的电力电子变换环节参数，确定动态结构框iii图各环节的具体参数；(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，以表格的形式总结所设计的转速调节器、电流调节器的参数；(4) 利用Protel软件绘制带有内外限幅的PI调节器的模拟电路图，要求根据设计的PI调节器参数确定调节器中电阻和电容的参数；(5) 给出确定各环节参数后的直流调速系统完整结构框图。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(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。6. 直流脉宽调速实验装置的调试(1) 根据提供的实验套件，焊接、调试控制板硬件电路；(2) 编写液晶屏显示、模拟量采集、转速检测、PI调节器、PWM输出等程序，并在所提供的实验套件上进行实验。摘 要转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。直流调速系统的快速发展，在许多的行业被广泛的使用。怎样更高效的设计与应用成为了当起发展的关键。本文首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算，用MATLAB进行系统仿真，实现了控制器参数整定。通过对系统硬件和软件的设计实现了直流电动机双闭环调速系统的设计。关键词：直流调速；双闭环；PWM；仿真第 6 页1 绪论1.1调速系统的应用随着时代的进步和科技的发展,电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用,生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长,使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。因此,对电机调速的研究有着积极的意义。对可调速的电气传动系统,可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,易于在大范围内平滑调速,过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起制动和反转,能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求,至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用。近年来交流调速系统发展很快,然而直流控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟,而且从反馈闭环控制的角度来看,它又是交流系统的基础,长期以来,由于直流调速系统的性能指标优于交流调速系统.因此,直流调速系统一直在调速系统领域内占重要位置.1.2电机调速方法电枢串电阻调速：范围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求不高的场所。图1.1电枢串电阻调速弱磁调速：虽然能实现平滑调速，但其调速范围太小，特性较软，因而只是在额定转速以上作小范围升速时才使用。图1.2弱磁调速调压调速：额定励磁保持不变，理想空载转速n随U减小而减小，各特性线斜率不变，因此，可在动系统中被广泛采用。图1.3调压调速1.3电力电子装置在调速系统中的位置及作用电力电子装置是以满足用电要求为目标，以电力半导体器件为核心，通过合理的电路拓扑和控制方式，采用相关的应用技术对电能实现变换和控制的装置。电力电子装置和负载组成的闭环控制系统称为电力电子控制系统，它是通过弱电控制强电实现其功能的。控制系统根据运行指令和输入、输出的各种状态，产生控制信号，用来驱动对应的开关器件，完成其特定功能。 在电力系统中，许多功能的实现都需要靠电力电子装置来完成。随着科技的日益发展，大功率、高电压电力电子器,件的发展，变换器单元化、模块化以及智能化水平的提高，控制策略和调制策略性能的提升电力电子装置在电力系统中的作用会越来越大。1.4电力电子装置的发展电力电子装置在电力系统中的应用十分广泛，也是电力系统中的重要组成部分之一，电力电子装置在我国的起步较晚，但是发展却非常迅速。同时，电力电子装置的快速发展与改善，对促进我国电力系统的发展作出了突出贡献，主要表现在以下几个方面：第一，体现在控制方法方面，模拟控制数字控制；第二，体现在装置方面，半控型装置全控型装置复合型装置；第三，体现在关键技术壁垒方面，硬件设计软件设计；第四，体现在电能传输介质方面，电缆传输光纤传输等等。 2 主电路设计2.1 主电路拓扑结构及其依据 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。 直流脉宽调速系统与V-M系统相比的优越性：主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。             双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。图2.1直流脉宽调速系统2.2功率器件的选型及其依据2.2.1额定电流的选择在选用智能功率模块时，需要考虑到电机的过载要求，安全裕度等要求，从逆变部分的主电路可以看出，流过一只 IGBT 管子的最大电流应当等于电动机定子一相的最大电流，所以功率元件的电流额定为：。其中为过载倍数，取1.2，为正常情况下流过的最大电流瞬时值，取24A，安全裕量为即电流的额定值为2.2.2额定电压的选择 其中安全裕量，Um：器件承受的最高瞬时电压 综上所述：在实际选取的情况下采用的富士下的IGBT型号为 1MBH60D-100,额定电流60A，额定功率为260W。有续流二极管,可以满足上述的要求。主电路参数计算包括整流二极管计算，滤波电容计算、功率开关管IGBT的选择及各种保护装置的计算和选择等。2.2.3二极管二极管工作原理可以简单的理解为正向导电，反向不导电。晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电常当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。  图2.2二极管示意图2.2.4IGBT的参数选定IGBT这种器件具有MOS门极的高速开关性能和双极动作的高耐压、大电流容量的两种特点。其开关速度可达1mS，额定电流密度100A/cm2，电压驱动，自身损耗小。其符号和波形图如图2-6所示。设计中选的IGBT管的型号是IRGPC50U,它的参数如下： 管子类型：NMOS场效应管 极限电压Vm：600V 极限电流Im：27A 耗散功率P：200W  额定电压U：220V 额定电流I：1.2A   此外，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400v，22000 uF 2.3传感器的选择和依据为有效的监控直流电机的运行情况，需要用于与电路相匹配的传感器如（电流传感器，电压传感器，温度传感器等）2.3.1电流传感器LT508电流传感器原边和副边之间是绝缘的，用于测量直流。图2.3 LT508结构图电流传感器 LT 508-S6性能：（1）应用霍尔原理的闭环（补偿）电流传感器、（2）符合 UL 94-V0标准的绝缘外壳优势：出色的精度、良好的线性度、低温漂、最佳的反应时间、宽频带、无插入损失、抗干扰能力强、电流过载能力。图2.4LT508参数选择图2.3.2电压传感器 LV100-1000 电压传感器 特性：应用霍尔原理的闭环(补偿)电流传感器； 符合 UL 94-V0标准的绝缘外壳使用原则；对于电压测量,电流与被测电压的比,须通过外部电阻R1；R1是由用户选择并且串联在传感器原边回路上。参数指标： 图2.5 Lv100-1000连接图 图2.6 LV100-1000参数图2.3.3温度传感器测量温度的关键是温度传感器，因此需要灵敏度高、测温范围宽、稳定性好，同时还要考虑成本和实际情况。热敏电阻的主要特点是：灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-27355；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择；易加工成热电偶传感器的灵敏度,线性和温度范围是和所用的金属有关。多年来,已经有几种热电偶成为标准,在美国,NIST公布了八种热电偶,让字母代码来识别的毫伏温度表。其中五种J、K、T、G和N是由碱金属合金制成,有不同的温度范围和用途,灵敏度一般是每摄氏度几十毫伏,其中三种R、S和B是用的金属白金制成的,但是这种热电偶价格昂贵，最常用于高温工作，不适合常温的测量，而且灵敏度很低。图2.7惠斯登电桥电路2.4保护电路主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。2.4.1限流电阻 为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入 时影响整流电路的正常工作，并产生附加损耗.2.4.2泵升电压限制 目前使用的电压型变频器，当所带电动机减速制动时，电动机进入发电制动状态，其能量通过逆变电路中的反馈二极管流入整流回路输出的直流中间回路，使直流电压升高产生过电压（泵升电压），而导致器件击穿。为了限制泵升电压，在直流侧电容两端并接功率开关管T0和能耗电阻R0，组成泵升电压限制电路。当泵升电压超过一定值时，T0导通，将回馈能量消耗在R0上，泵升电压设定较高时，T0导通时间短，消耗在R0上的功率少，对提高传输效率有利，但制动力较弱。反之，泵升电压若限定太低，T0导通时间长，R0上的功耗增加，T0和R0发热严重。为增大制动力，可减小R0的值，但R0值的减小会使流过T0的电流增大，而通常变频器开关管T0的电流和电压额定值都不太大，由于电梯需满足升降四象限运行，对起、制动加减速有一定要求，为乘坐舒适和准确平层精度，对制动时间和制动力有较高要求，普通变频器用于电梯时，容易产生T0过流；另一方面，若制动电阻R0含有电感时，在T0由导通转为关断的时刻，会产生一个瞬间反电势，其值为泵升电压正常值的几倍，容易使T0过压。为克服上述现象，除R0选用无感电阻外，可在T0处并接一个大功率管与T0构成复合功率管，以提高制动单元释放电流的能力。2.4.3短路过电流保护采用漏极电压的识别方法，通过导通压降判断漏极电流大小。进而切断门极控制信号。注意：识别时间和动作时间应小于IGBT允许的短路过电流时间（几个us），同时判断短路的真与假，常用方法是利用降低门极电压使IGBT承受短路能力增加，保护电路动作时间延长来处理。通过检测IGBT导通压降，通过电流和导通压降的关系曲线，判断IGBT是否发生过流。驱动电流的过流保护针对的是短路电流，对于负载过大引起的电流不能保护。图2.8短路过电流保护3 参数设计与仿真分析3.1双闭环直流调速系统动态结构框图图3.1 双闭环直流调速系统动态结构框图3.2双闭环直流调速系统的起动过程与特点由于在起动过程中转速调节器ASR经历了快速进入饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。 实际启动过程IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt图3.2 启动过程起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。 由于在起动过程I 、两个阶段中电流不能突变，所以实际起动过程与理想起动过程相比有一些差距。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。 双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点： （1）饱和非线性控制； （2）转速超调； （3）准时间最优控制。3.3具体参数的确定 3.3.1直流电机相关数据额定功率 Pe=1.5kW；额定电压 Ue=156V 额定电流 Ie=11.5A；额定转速 ne=1000r/min 电枢回路总电阻 R=2.4; 电磁时间常数 Tl=0.004s;机电时间常数 Tm=0.07s； 电动势系数 Ce=0.144V/（r.min-1 ) 3.3.2电流调节器的设计(1) 确定时间常数：取： (2) 电流滤波时间数： 电流环时间常数：(3)选择电流调节器结构 根据设计要求：电流超调量，且 电流环设计为典型系统，选择PI调节器，其传递函数为 (4)计算电流调节器参数: ACR超前时间常数： ， 电流开环增益：要求电流超调量，所以应取，所以 ACR的比例系数为： 3.3.3 转速调节器的设计(1)确定时间常数: 电流环等效时间常数： 机电时间常数： (2)选择转速调节器结构: 由于设计要求无静差，且要求设计为典型II型系统，转速调节必须含有积分环节;故ASR选择PI调节器，传递函数为(3)计算转速调节其参数: 取h=5，则ASR的超前时间常数为: 转速环开环增益: ASR的比例系数: 反馈系数： 3.4仿真分析图3.3 MATLAB图3.4 仿真图空载启动图3.5空载 满载启动图3.6 满载抗扰动图3.7 抗扰动4 硬件电路设计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4.1 电路图4.1驱动电路驱动电路是电力电子装置中，实现对电力电子器件开通、关断控制的电路，是弱电、强电的接口，弱电侧一般与控制器连接，强电侧则直接连接到功率器件。图4.2驱动电路示意图本次设计需要四路IGBT驱动电路，每一路的驱动电路都如上图所示。触发脉冲的输入端为Ui。M57962L是由日本三菱电气公司为驱动IGBT而设计的厚膜集成电路。在驱动模块内部装有2500V高隔离电压的光电耦合器，过流保护电路和过流保护输出端子，具有封闭性短路保护功能。M57962L是一种高速驱动电路，驱动信号延时tPLH和tPHL最大为1.50s。可以驱动600V/400V级的IGBT模块。M57962L工作程序:当电源接通后，首先自检，检测IGBT是否过载或短路。若过载或短路，IGBT的集电极电位升高，经外接二极管流入检测电路的电流增加，栅极关断电路动作，切断IGBT的栅极驱动信号，同时在“8”脚输出低电平“过载/短路”指示信号。lGBT正常时，输入信号经光电耦合接口电路，再经驱动级功率放大后驱动IGBT。M57962L采用双电源+Vcc和VEE。4.2控制芯片的硬件资源和功能ADC0809介绍ADC0809是8位、逐次比较式A/D转换芯片，具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一的+5V电源，其模拟量输入电压的范围为0V-+5V，其对应的数字量输出为00H-FFH，转换时间为100s，无须调零或者调整满量程。ADC0809的引脚及其功能ADC0809有28个引脚，其中IN0-IN7接8路模拟量输入。ALE是地址锁存允许，、接基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电电源就可以作为基准电源。START是芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿起动一次新的A/D转换。EOC是转换结束信号，可以用于向单片机申请中断或者供单片机查询。OE是输出允许端。CLK是时钟端。DB0-DB7是数字量的输出。ADDA、ADDB、ADDC接地址线用以选定8路输入中的一路，详见下图。图4.3 ADC0809介绍4.3编码器接口现代高精度的机电一体化产品，对伺服系统的要求越来越高。高性能伺服电动机、控制器、变流器及高性能的位置和速度传感器等都是伺服系统不可少的组成部分，特别是高性能、高精度的传感器是伺服系统的关键技术。在某种意义上说，机电一体化产品的性能优劣主要取决于传感器的性能。本文利用DSP通过接口芯片MMI4832完成对绝对式光电编码器进行位置采集。该系统具有精度高，易于实现等特点。 5 软件设计与系统调试微机数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有： （1）主程序 （2）初始化子程序 （3）中断服务子程序等   主程序：完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其他外设通信等功能。 初始化子程序：完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初时化。中断服务子程序中断服务子程序完成实时性强的功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调节等,中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。当故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保护中断，而转速调节和电流调节均采用定时中断。三种中断服务中，故障保护中断优先级别最高，电流调节中断次之，转速调节中断级别最低。图5.1图5.2数字测速方法:1.旋转编码器 在数字测速中，常用光电式旋转编码器作为转速或转角的检测元件。2.测速原理 由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。 M/T法测速电路  工作原理：T0定时器控制采样时间；M1计数器记录PLG脉冲；M2计数器图5-3M/T测速原理图计算公式：检测精度：低速时M/T法趋向于T法，在高速段M/T法相当于T法的M1次平均，而在这M1次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差。 因此，M/T法测速可在较宽的转速范围内，具有较高的测速精度。图5.4 M/T法测速的基本原理6 总结本次课程设计，主要是完成直流调速系统主电路的设计，器件的选型，参数的设定，双闭环直流调速系统MATLAB的仿真，硬件电路以及软件的设计，最后，实现双闭环直流调速系统的设计。在设计中，我们遇到过很多问题，如MATLAB仿真时，总是不能仿真出想要的图形，我们一步一步的进行修改，先确定所画的仿真是否正确的，在这个基础上，在进行参数的设置，在设置参数时，理论值和实验值是有所不同的。理论值只是参考，实验值是在理论值的基础上进行不断的修改，直到得到我们想要的参数。在这个过程中，充分体现了实验是检验真理的唯一标准。 这次的课程设计让我有种学长学姐做毕业设计的感觉，在这个过程中，有太多的心酸和挫败感，刚开始，老师任务已经布置下来了，我们却完全不知道该干什么，很茫然，大概就是我们平时不思考，一味的服从和复制所导致的，到后来，慢慢进入佳境，可以有目标的查找资料，完成老师布置的任务，有一种成就感。通过这门课程，自己的能力提升太多，不仅是理论知识的学习，更多的是设计动手能力和思维的培养，在写论文时，利用VISIO画图，从刚开始的一无所知，到现在的可以很熟练的画出各种图形，以及以前不怎么用的公式编辑器现在也是越来越熟练，论文更是按照毕业论文的要求来写，算是提前锻炼自己，为以后的毕业设计做铺垫。参考文献1 段文泽童明倜.电气传动控制系统及其工程设计M.四川重庆大学出版社,1989.102 陈伯时. 电力拖动自动控制系统-运动控制系统M,第三版.北京:机械工业出版社, 2007年6月3 许家林.岩层移动与控制的关键层理论及其应用博士学位论文.徐州：中国矿业大学，19984 Borko H，Bernier C LIndexing concepts and methods .New York:Academic Pr,19785 中华人民共和国国家技术监督局.GB3100-3102.中华人民共和国国家标准.北京：中国标准出版社，1994-11-016Borko H，Bernier C LIndexing concepts and methods .New York:Academic Pr,1978 7 天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册M.北京:机械工业出版社,1992.9.8王兆安黄俊.电力电子技术M.北京机械工业出版社2006.第 26 页