h桥可逆直流调速系统课设

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1、燕山大学课 程 研 究 项 目 报 告项目名称： H桥可逆直流调速系统设计与实验 学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 日期： 2014年6月3日 目 录第一章 摘要1第二章 前言2 第三章 报告研究正文3 3.1 调速控制系统设计3 3.2 电源及操作系统设计7 3.3 双闭环调节器电路设计11 3.4 参数计算与计算机仿真12 3.5 实物制作17 3.6 性能测试19第四章 结论20参考文献 21第一章 摘要本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，利用MOSFET、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸

2、管调速系统，并利用MATLAB对其进行仿真。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。关键词：双闭环控制系统 MATLAB 电流调节器 转速调节器第二章 前言目前，转速电流双闭环控制直流调速系统是性能很好应用最广泛的直流调速系统。我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统

3、就难以满足需要。故需要引入转速电流双闭环控制直流调速系统，本文着重阐明其控制规律性能特点和设计方法，是各种交直流电力拖动自动控制系统的重要基础。首先介绍转速电流双闭环调速系统的组成及其静特性，接着说明该系统的动态数学模型，并从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用。在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺

4、点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。 在现代化的工业生产中，几乎无处不使用电力拖动装置。轧钢机、电铲、提升机、运输机等各类生产机械都要采用电动机来传动。随着对生产工艺，产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械能实现自动调速。从20世纪60年代以来，现代工业电力拖动系统达到了全新的发展阶段。这种发展是以采用电力电子技术为基础的，在世界各国的工业部门中，直流电力拖动至今仍

5、广泛的应用着。直流拖动的突出优点在于：容易控制，能在很宽的范围内平滑而精确的调速，以及快速响应等。在一定时期以内，直流拖动仍将具有强大的生命力。20项目预期成果：设计一个双闭环可逆直流调速系统，实现电流超调量小于等于5%；转速超调量小于等于5%；过渡过程时间小于等于0.1s的无静差调速系统。项目分工如下表所示：组长组员项目分工电机参数测量参数计算仿真电路设计电路焊接电路调试方案设计、方案论证、PPT制作、方案总结第三章 研究报告正文3.1 调速控制系统设计3.1.1动静态性能指标规划：a 静态指标：稳态无静差。b 动态指标：电流超调量小于等于5%； 转速超调量小于等于5%； 过渡过程时间小于等

6、于0.1s。3.1.2控制系统动静态数学模型建立：a 双闭环直流调速系统的静特性分析:分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压U在稳态时总为零。 图一 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。图二 双闭环直流调速系统的静特性b

7、控制系统动态性能分析：由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的、三个阶段 ：第一阶段是电流上升阶段，第二阶段是恒流升速阶段，第三阶段是转速调节阶段。图三 启动过程电流转速波形动态抗干扰性分析:一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动。1. 抗负载扰动由双闭环直流调速系统的动态结构图上可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。2. 抗电网电压扰动 电网电压变化对调速系统也

8、产生扰动作用。在双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电波动引起的转速动态变化会小得多.3.1.3调速系统总体结构设计：双闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速

9、启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。 图四 双闭环调速系统的结构图3.1.4

10、调节器选型：典型型系统可以在跟随性能上做到超调量小，但抗扰性能稍差；典型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。根据这一依据，实际控制系统对于各种动态指标的要求各不相同选用的系统类型也不同。如调速系统的动态特性以抗扰性能为主，则应首先典型系统；而随系统的动态性能指标以跟随性能为主，可按典型型系统设计。3.2电源及操作系统设计3.2.1供电电源设计此电路用于产生15V电压作为转速给定电压以及基准电压 图五 给定基准电源电路3.2.2控制电源设计 H桥双极式逆变器的工作原理脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以

11、调节电机转速。H形双极式逆变器电路如图所示。这时电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。图六 H形双极式逆变器电路双极式逆变器的四个驱动电压波形如图所示。图七 H形双极式逆变器的驱动电压波形他们的关系是：。在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。当时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，则的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出电压为零，则电动机停止。双极式控制可逆PWM

12、变换器的输出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。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点：1）电流一定连续。2）可使电动机在四象限运行。3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽

13、，有利于保证器件的可靠导通。PWM调速系统的静特性:由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下 按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是，平均电流用表示，平均转速，而电枢电感压降的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成则机械特性方程式3.2.3电路设计H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图所示。PWM逆变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。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这时电容器两端电压升高称作

14、“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rz消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VTz。图八 H桥式直流脉宽调速系统主电路3.3 双闭环调节器电路设计为了实现闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较，决定调节器的输出，反馈的关键是对被控量进行采样与测量。3.3.1 电流调节器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。图九 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器3.3.2 转速调

15、节器转速反馈电路如图所示，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原理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。图十 含给定滤波与反馈滤波的PI型电转速调节器3.4 参数计算与计算机仿真3.4.1参数计算设计要求：电流超调量5%转速超调量 过渡时间本报告设计为H桥可逆直流双闭环调速系统，分为内环电流环ACR与外环转速环ASR两部分，现将参数整定如下：设计已知基本参数为：直流电动机额定电压： UN=54V额定电流： IN=3.24A额定转速： nN=1450r/min电枢电阻： Ra=1.5电枢回路总电阻： R=4电枢电感

16、： L = 2mH 转动惯量： J=0.76g.触发整流环节的允许过载倍数：=1.5时间常数： =0.03389 Cm=0.3236 =0.02903s电流反馈系数V/A转速反馈系数：0.0069V.min/r控制电压Uc的调节范围是0-10V整流电压Ud的变化范围是0-54VPWM装置放大系数： 开关频率f=20KHZ整流装置滞后时间常数取电流滤波常数：转速滤波常数：Ton=0.001s先设计电流内环，再设计转速外环（1） 电流调节器设计a 选择电流调节器结构根据设计要求电流超调量，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流控制。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计

17、成PI型的，其传递函数为 式中 电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数b 计算电流调节器参数 电流环小时间之和按小时间常数近似处理：(和一般都比小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)。ACR超前时间常数；电流环开环时间增益:要求，故应取，因此 于是，ACR的比例系数为:c 校验近似条件电流环截止频率 晶闸管装置传递函数近似条件：即满足近似条件；忽略反电动势对电流环影响的条件：即满足近似条件；小时间常数近似处理条件：即满足近似条件。按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随指标为,满足设计要求。转速调节器设计a. 选择调节器结构按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有

18、了一个积分环节,为了实现转速无静差还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型型系统选用设计PI调节器，其传递函数为b. 计算转速调节器参数电流环等效时间常数=2转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取=+Ton=0.00111s根据跟随性和抗干扰性能都较好的原则取，则ASR超前时间常数为转速开环增益：ASR的比例系数：c. 近似校验转速截止频率为：电流环传递函数简化条件： 现在 满足简化条件。转速环小时间常数近似处理条件：现在 满足近似条件。当h=5时，查表得，=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于这是按线性系统计算的，而突加阶跃给

19、定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。设理想空载起动时，负载系数z=0。当h=5时，因此满足设计要求。3.4.2计算机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。利用Matlab系统仿真结构下图所示 图十一 Matlab仿真结构图仿真结果如下：图十二 Matlab仿真结果观察上图可得：过渡时间ts=0.0750.1s满足设计要求。35实物制作下图为根据所设计的电路搭建的平台实物图：图十三 实物制作图3.6性能测试首先测试现有H桥电路板的工作正常性，然后利用焊接好的电路板驱动空载电动机，观察示波

20、器，通过调节占空比来实现电机的正反转，本报告提供在调节占空比的过程中的示波器波形：图十四 脉宽调制两路互补的波形第四章 总结1、主要工作 ：在这次的CDIO项目中，我在小组中参与的主要 任务有方案的设计，参数的计算，仿真，ppt制作与报告的完成这些项目。2、主要结果：在这次的“H桥可逆直流调速系统设计与实验” 中，我们组完成了电源、控制系统、驱动系统等方面的设计。具体完成了（1）调速系统调节器的设计，包括调节器结构选型、参数设计及动静态性能指标校验；（2）电源设计及保护，包括供电电源设计、控制电源设计、控制系统设计、系统保护设计；（3）系统的仿真，用matlab进行了双闭环调速系统的仿真；（4

21、）完成实体制作与性能测试，包括电路的焊接与调试。3、心得感受：通过本学期的CDIO项目，我首先是对所学的电力拖动的知识有了加深和巩固。在整个实验过程中，我学习到的不仅仅是怎样进行调速系统的设计，更是分析与设计其他系统的方法，从而培养一种分析一般系统的思维。通过matlab仿真更加直观的了解了调速系统的工作方式和原理。在本次的报告制作过程中，让每一个成员熟悉和掌握word文档的制作和毕业论文的格式为以后的毕业论文的撰写打下了基础。而本次仿真中学习了matlab的使用为以后的学习奠定了基础。虽然在设计的时候很多方案不可行，但是，在提出方案的过程中，我们的思维方式有了一定的转变，善于发现问题，解决问题。只是我们知识善少，很多事情考虑不全面，优化方案很多也仅仅是天马行空。虽然课程已经结束，很多知识我们尚未牢固掌握，但是，我们在整个课程中，思想思维发生的很大的转变。参考文献： 电力拖动自动控制系统，上海工业大学 陈伯时 机械工业出版社电气传动控制系统设计指导 李荣生主编 机械工业出版社 新型电力电子变换技术 陈国呈 中国电力出版社电力电子技术 王兆安 黄俊主编 机械工业出版社