運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計--雙閉環(huán)pwm雙極式直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計及仿真

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p><b>　　1. 緒 論1</b></p><p>　　1.1 課題概述1</p><p>　　1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速功能1</p><p

2、>　　1.3 課題的主要任務(wù)1</p><p><b>　　2. 原理分析2</b></p><p>　　2.1 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的原理2</p><p>　　2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2</p><p>　　2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點3</p><p>　　2.4 轉(zhuǎn)速、電

3、流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)4</p><p>　　2.5 PWM變換器介紹6</p><p>　　3. 設(shè)計電路12</p><p>　　3.1 PWM（雙極式）主電路設(shè)計12</p><p>　　3.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計12</p><p>　　3.2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計12</p><p&

4、gt;　　3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計13</p><p>　　3.3 IGBT基極驅(qū)動電路原理14</p><p>　　3.4 信號產(chǎn)生電路14</p><p>　　3.5 鋸齒波信號產(chǎn)生電路15</p><p>　　3.6 基于EXB841驅(qū)動電路設(shè)計16</p><p>　　4. 系統(tǒng)參數(shù)的計算19&l

5、t;/p><p>　　4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計19</p><p>　　4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計21</p><p>　　5. 利用MATLAB建模并對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行仿真25</p><p>　　5.1 MATLAB簡要介紹25</p><p>　　5.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖26</p>&

6、lt;p><b>　　總 結(jié)28</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)29</b></p><p>　　雙閉環(huán)PWM雙極式直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計及仿真</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快。雖然高性能

7、的交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)，然而，直流調(diào)速系統(tǒng)不僅在理論上和實踐上都比較成熟，目前還在大量應(yīng)用。</p><p>　　在當(dāng)代工業(yè)上PWM控制調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，其優(yōu)點還是日益突現(xiàn)，而帶有雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)更是受到廣泛歡迎。在本次設(shè)計中，為了使調(diào)速達(dá)到高精度、高準(zhǔn)度的要求，我使用了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，以此來組成雙閉環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。這樣的設(shè)計能夠達(dá)到任務(wù)要求的靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)。特

8、別是把此兩環(huán)校正為典型Ⅰ型和典型Ⅱ型后的性能指標(biāo)更是達(dá)到了要求。本次設(shè)計中的電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器都是使用PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器是由運(yùn)放和各種電子元器件組成的。</p><p>　　關(guān)鍵詞 PWM 直流調(diào)速 雙閉環(huán) 雙極式 </p><p><b>　　緒 論</b></p><p><b>　　1.1 課題概述</b>

9、;</p><p>　　在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎無處不使用電力傳動裝置，生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，使得越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實現(xiàn)自動調(diào)速。對可調(diào)速的傳動系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實現(xiàn)頻繁地?zé)o級快速啟動與制動和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求，至今在金屬切

10、削機(jī)床、造紙機(jī)等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域仍有廣泛的應(yīng)用，到目前為止是調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。</p><p>　　1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速功能</p><p>　　雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)用來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，電流環(huán)控制輸出電流；</p><p>　　該系統(tǒng)可以自動限制最大電流，能有效抑制電網(wǎng)電壓波動的影響；</p><p>　　采用雙閉環(huán)控制提高了

11、系統(tǒng)的阻尼比，因而較之單閉環(huán)控制具有更好的控制特性。</p><p>　　1.3 課題的主要任務(wù)</p><p>　　⑴轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器及其反饋電路設(shè)計；</p><p>　?、齐娏髡{(diào)節(jié)器及其反饋電路設(shè)計；</p><p>　?、荘WM（雙極式）主電路設(shè)計；</p><p>　?、燃捎|發(fā)及驅(qū)動電路設(shè)計；</p>

12、<p>　　⑸利用MATLAB建模并對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。</p><p><b>　　原理分析</b></p><p>　　2.1 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的原理</p><p>　　ASR（速度調(diào)節(jié)器）根據(jù)速度指令Un*和速度反饋Un的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是電流指令的給定信號Ui*（對于直流電動機(jī)來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩

13、，相應(yīng)的可以調(diào)速）。</p><p>　　ACR(電流調(diào)節(jié)器)根據(jù)Ui*和電流反饋Ui的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是UPE（功率變換器件的）的控制信號Uc。進(jìn)而調(diào)節(jié)UPE的輸出，即電機(jī)的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te與TL不相等轉(zhuǎn)速會相應(yīng)的變化。整個過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速不變后，達(dá)到穩(wěn)定。<

14、/p><p>　　2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計要求。&l

15、t;/p><p>　　2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點</p><p>　　一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動機(jī)的過載能力，使電力拖動控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。這種理想的起動過程如圖2所示。為實現(xiàn)在約束條件快速起動，關(guān)鍵是要有一個使電流保持在最大值的恒流過程。根據(jù)反饋控制規(guī)律，要控制某個量

16、，只要引入這個量的負(fù)反饋。因此采用電流負(fù)反饋控制過程，起動過程中，電動機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負(fù)反饋；穩(wěn)定運(yùn)行過程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋為主。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖3所示。參考雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)圖和一些電力電子的知識，采用機(jī)理分析法可以得到雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。</p><p>　　2.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)</p><

17、p>　　雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要先探討它的起動過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖5所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分為三個階段，在圖中表以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。</p><p>　　第Ⅰ階段：0～t1是電流上升階段。突加給定電壓Un*后，通過兩

18、個調(diào)節(jié)器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，當(dāng)Id≥Idl后，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。由于電機(jī)慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會太快，因而ASR的輸入偏差電壓?Un=Un*－Un數(shù)值較大并使其輸出達(dá)到飽和值U*im，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。當(dāng)Id=Idm時，，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使Id不再迅速增加，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。</p><p&g

19、t;　　第Ⅱ階段：t1～t2是恒流加速階段。這一階段是起動過程的主要階段。在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒流給定U*im作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于ACR的參數(shù)），因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增加。又，n↑→↑→↑，這樣才能保持Id=cont。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，Id

20、應(yīng)略低于Idm。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時整流裝置的最大電流Ud0m也須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和，這都是設(shè)計中必須注意的。</p><p>　　第Ⅲ階段：t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。此時，Un=U*n，，但由于積分作用，，所以電動機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速必超調(diào)。當(dāng)時，，使ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓U*i迅速下降，Id也迅速

21、下降。但由于，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)增加。當(dāng)時，，，n達(dá)到最大值（t3時刻）。此后，電動機(jī)在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流Id也出現(xiàn)一段小與Idl的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是力圖使Id盡快地跟隨ASR的輸出量U*i，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。</p><p>　　綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系

22、統(tǒng)的起動過程有三個特點：</p><p>　　1.飽和非線性。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)。</p><p>　　2.準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。Ⅱ階段屬于電流受限制條件下的最短時間控制。采用飽和非線性控制方法實現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制是一種很有使用價值的控制策略，在各種多環(huán)系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。</p><p>　　3.轉(zhuǎn)速必超調(diào)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的

23、輸入偏差電壓為負(fù)值，才能使ASR退飽和。這就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必超調(diào)。</p><p>　　2.5 PWM變換器介紹</p><p>　　脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下面分別對各種形式的PWM變換器做一下簡單的介紹和分析。</p>&l

24、t;p>　　不可逆PWM變換器分為無制動作用和有制動作用兩種。圖6所示為無制動作用的簡單不可逆PWM變換器主電路原理圖，其開關(guān)器件采用全控型的電力電子器件。</p><p>　　電力晶體管VT的基極由頻率為f，其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動。在一個開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)時，為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機(jī)電樞兩端；當(dāng)時，為負(fù)，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電動機(jī)電樞兩端的平均電壓為式中，—

25、PWM電壓的占空比，又稱負(fù)載電壓系數(shù)。的變化范圍在0～1之間，改變，即可以實現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。圖6時電動機(jī)電樞的脈沖端電壓、平均電壓和電樞電流的波型。由圖可見，電流是脈動的，其平均值等于負(fù)載電流（——負(fù)載轉(zhuǎn)矩， ——直流電動機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比）。由于VT在一個周期內(nèi)具有開關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在期間,在期間 式中，R，L——電動機(jī)電樞回路的總電阻和總電感；E——電動機(jī)的反電動勢。 PWM調(diào)速

26、系統(tǒng)的開關(guān)頻率都較高，至少是1～4kHz，因此電流的脈動幅值不會很大，再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動勢E的波動就更小，在分析時可以忽略不計，視n和E為恒值。</p><p>　　這種簡單不可逆PWM電路中電動機(jī)的電樞電流不能反向，因此系統(tǒng)沒有制動作用，只能做單向限運(yùn)行，這種電路又稱為“受限式”不可逆PWM電路。這種PWM調(diào)速系統(tǒng)，空載或輕載下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能均差。</p><p

27、>　　圖7動作用的不可逆PWM變換電路，該電路設(shè)置了兩個電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流的通路。這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個象限中運(yùn)行。VT1和VT2的基極驅(qū)動信號電壓大小相等，極性相反，即。當(dāng)電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時，在一個周期內(nèi)平均電流就為正值，電流分為兩段變化。</p><p>　　在期間，為正，VT1飽和導(dǎo)通；為負(fù)，VT2截止。此時，電源電壓加到電動機(jī)

28、電樞兩端，電流沿圖中的回路1流通。在期間，和改變極性，VT1截止，原方向的電流沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使VT2不可能導(dǎo)通。因此，電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時，一般情況下實際上是電力晶體管VT1和續(xù)流二極管VD2交替導(dǎo)通，而VT2則始終不導(dǎo)通，其電壓、電流波型如圖7所示，與圖2-1沒有VT2的情況完全一樣。如果電動機(jī)在電動運(yùn)行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使電動機(jī)電樞

29、兩端的平均電壓降低。但是由于慣性，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n和反電動勢E來不及立刻變化，因而出現(xiàn)的情況。這時電力晶體管VT2能在電動機(jī)制動中起作用。在期間，VT2在正的和反電動勢E的作用下飽和導(dǎo)通，由產(chǎn)生的反向電流沿回路3通過VT2流通，產(chǎn)生能耗制動，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場能存儲在回路電感中，直到t=T為止。在（也就是）期間，因變負(fù)，VT2截止，只能沿回路4經(jīng)二極管VD1續(xù)流，對電源回饋制動，同時在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承

30、受反壓而不能導(dǎo)通。在整個制動狀態(tài)中，VT2和VD</p><p>　　這種電路構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)還存在一種特殊情況，即在電動機(jī)的輕載電動狀態(tài)中，負(fù)載電流很小，在VT1關(guān)斷后（即期間）沿回路2徑VD2的續(xù)流電流很快衰減到零，如在圖7中的期間的時刻。這時VD2兩端的壓降也降為零，而此時由于為正，使VT2得以導(dǎo)通，反電動勢E經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流，產(chǎn)生局部時間的能耗制動作用。到了期間，VT2關(guān)斷，又沿回路4經(jīng)VD1續(xù)

31、流，到時衰減到零，VT1在作用下因不存在而反壓而導(dǎo)通，電樞電流再次改變方向為沿回路1經(jīng)VT1流通。在一個開關(guān)周期內(nèi)，VT1、VD1、VT2、VD1四個電力電子開關(guān)器件輪流導(dǎo)通，其電流波形示圖7。</p><p>　　綜上所述，具有制動作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動機(jī)電樞回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實現(xiàn)二象限運(yùn)行，有較好的靜、動態(tài)性能?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T

32、型和H型兩種，其基本電路如圖8所示，圖中8 PWM變換器電路，H型PWM變換器電路。</p><p>　　T型電路由兩個可控電力電子器件和與兩個續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡單，構(gòu)成系統(tǒng)時便于引出反饋，適用于作為電壓低于50V的電動機(jī)的可控電壓源；但是T型電路需要正負(fù)對稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型電路的一半。H型電路是實際上廣泛

33、應(yīng)用的可逆PWM變換器電路，它由四個可控電力電子器件（以下以電力晶體管為例）和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路，這種電路只需要單極性電源，所需電力電子器件的耐壓相對較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)電樞兩端浮地。</p><p><b>　　3. 設(shè)計電路</b></p><p>　　3.1 PWM（雙極式）主電路設(shè)計</p><p>　　H型變換器電

34、路在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式三種，本次設(shè)計我們選擇雙極式H型可逆PWM變換器。H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖9所示，WM逆變器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機(jī)制動時只好對濾波電容充電，這時電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。</p><p>　　四單元IGBT模塊型號：20MT120

35、UF</p><p><b>　　生產(chǎn)廠家：IR公司</b></p><p><b>　　主要參數(shù)如下：</b></p><p>　　=1200V =16A =100 </p><p>　　3.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計</p><p>　　為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控

36、量進(jìn)行采樣，然后與給定值比較，決定調(diào)節(jié)器的輸出，反饋的關(guān)鍵是對被控量進(jìn)行采樣與測量。</p><p>　　3.2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計</p><p>　　由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時間常數(shù)，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。為了平衡反饋信號的延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時間上配

37、合恰當(dāng)。如圖10所示。</p><p>　　3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋電路如圖11所示，由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時間常數(shù)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的原理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。</p><p>　　3.3 IGBT基極驅(qū)動電路原理</p><p&

38、gt;　　工作原理如圖12所示</p><p>　　EXB841 系列驅(qū)動器的各引腳功能如下：</p><p>　　腳1 ：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；</p><p>　　腳2 ：電源(+20V)；</p><p><b>　　腳3 ：驅(qū)動輸出；</b></p><p>　　腳4 ：用于連

39、接外部電容器，以防止過流保護(hù)電路誤動作（大多數(shù)場合不需要該電容器）；</p><p>　　腳5 ：過流保護(hù)輸出；</p><p>　　腳6 ：集電極電壓監(jiān)視；</p><p>　　腳7 、8 ：不接；</p><p><b>　　腳9 ：電源；</b></p><p>　　腳10 、11 ：不接；

40、</p><p>　　腳14 、15 ：驅(qū)動信號輸入（-，＋）；</p><p>　　3.4 信號產(chǎn)生電路</p><p>　　本設(shè)計采用集成脈寬調(diào)制器SG3524作為脈沖信號發(fā)生的核心元件。根據(jù)主電路中IGBT的開關(guān)頻率，選擇適當(dāng)?shù)摹⒅导纯纱_定振蕩頻率。電路中的PWM信號由集成芯片SG3524產(chǎn)生，SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。</p

41、><p>　　由SG3524構(gòu)成的基本電路如圖13所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產(chǎn)生+5V基準(zhǔn)電壓。在6、7引腳之間接入外部阻容元件構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，可提高穩(wěn)態(tài)精度。12、13引腳通過電阻與+15V電壓源相連，供內(nèi)部晶體管工作，由電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓作為2引腳輸入，通過其電壓大小調(diào)節(jié)12、13引腳的輸出脈沖寬度，實現(xiàn)脈寬調(diào)制變換器的功能實現(xiàn)。</p><p><b>　　主要

42、參數(shù)：</b></p><p>　　輸入電壓Uimax：40V 輸出電流：500mA 好散功率：1W</p><p>　　3.5 鋸齒波信號產(chǎn)生電路</p><p>　　鋸齒波信號發(fā)生器SG的輸出信號Us與控制信號在PWM轉(zhuǎn)換器（SG3524）中進(jìn)行比較，PWM輸出幅度恒定、寬度變化的方波脈沖序列，即PWM波。SG電路可有UJT或者PUT構(gòu)成。UJT

43、鋸齒波信號發(fā)生器基本電路如圖15所示。</p><p>　　3.6 基于EXB841驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　驅(qū)動電路中V5起保護(hù)作用，避免EXB841的6腳承受過電壓，通過VD1檢測是否過電流，接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過流保護(hù)起控點，以降低過高的保護(hù)閥值從而解決過流保護(hù)閥值太高的問題。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現(xiàn)過

44、電壓，Rge是防止IGBT誤導(dǎo)通。</p><p>　　針對EXB841存在保護(hù)盲區(qū)的問題，可如圖16所示將EXB841的6腳的超快速恢復(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大一點的超快速恢復(fù)二極管或反向串聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管，也可采取對每個脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時間，避免IGBT過窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對EXB841軟關(guān)斷保護(hù)不可靠的問題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一個可變電阻，4腳和地之間接一個電容，都

45、是用來調(diào)節(jié)關(guān)斷時間，保證軟關(guān)斷的可靠性。針對負(fù)偏壓不足的問題，可以考慮提高負(fù)偏壓。一般采用的負(fù)偏壓是-5V，可以采用-8V的負(fù)偏壓，輸人信號被接到15腳，EXB841正常工作驅(qū)動IGBT.</p><p><b>　　主要參數(shù)：</b></p><p>　　電源電壓：20V 最大輸出功率：47mA 最高工作頻率：10kHz</p><p&g

46、t;<b>　　系統(tǒng)參數(shù)的計算</b></p><p>　　4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p><b>　　(1)確定時間常數(shù)</b></p><p>　　1) 整流裝置滯后時間常數(shù)：三相橋式電路的平均時空時間。</p><p>　　2)電流濾波時間常數(shù):三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms

47、,為了基本濾平波頭，應(yīng)有(1-2),因此取。</p><p>　　3)電流環(huán)小時間常數(shù)之和</p><p>　　。 (4-1)</p><p><b>　　4)電動勢系數(shù)</b></p><p>　　Ce=0.04 (4-2)</p&

48、gt;<p>　　轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cm=30Ce/3.14=0.38</p><p><b>　　電機(jī)時間常數(shù)</b></p><p>　　=0.084s (4-3)</p><p>　　(2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求：，電磁時間常數(shù)</

49、p><p>　　可按典型Ⅰ型設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計成PI型的，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　式中 ——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　——電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。</p><p>　　檢查對電

50、源電壓的抗擾性能：，對于Ⅰ型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標(biāo)都可以接受。</p><p>　　(3)選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：。</p><p>　　電流環(huán)開環(huán)時間增益:要求時應(yīng)取</p><p><b>　　因此</b></p><p><b>　　(

51、4-5)</b></p><p><b>　　電流反饋系數(shù):</b></p><p><b>　　(4-6)</b></p><p><b>　　(4-7)</b></p><p>　　PWM裝置放大系數(shù)： </p><p>　　于是，

52、ACR的比例系數(shù)為:</p><p><b>　　(4-8)</b></p><p><b>　　(4)校驗近似條件</b></p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率: </b></p><p>　　1)檢驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件：</p><p&

53、gt;<b>　　(4-9)</b></p><p><b>　　滿足近似條件；</b></p><p>　　2) 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：</p><p><b>　　(4-10)</b></p><p><b>　　即</b></

54、p><p><b>　　(4-11)</b></p><p><b>　　滿足近似條件；</b></p><p>　　3) 小時間常數(shù)近似處理條件：</p><p>　　， (4-12)</p><p><b>　

55、　即</b></p><p><b>　　(4-13)</b></p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　4)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　調(diào)節(jié)器輸入電阻為，各電阻和電容值計算如下</p><p><b>　　(

56、4-14)</b></p><p>　　， (4-15)</p><p>　　。 (4-16)</p><p>　　4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p><b>　　(1)確定時間常數(shù)</b></p><p>　　1)電流環(huán)等效時間常數(shù)

57、 </p><p>　　2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) </p><p>　　3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理 </p><p>　?。?）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動點

58、后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié),因此需要Ⅱ由設(shè)計要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型Ⅱ型系統(tǒng)—選用設(shè)計PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(4-17)</b></p><p>　　(3)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取，則ASR

59、超前時間常數(shù)為</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：</b></p><p><b>　　(4-18)</b></p><p><b>　　ASR的比例系數(shù)：</b></p><p><b>　　(4-19)</b></p><p

60、><b>　　(4)近似校驗</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速截止頻率為：</b></p><p><b>　　(4-20)</b></p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：</p><p><b>　　(4-21)</b></p&

61、gt;<p><b>　　即</b></p><p><b>　　(4-22)</b></p><p><b>　　滿足簡化條件。</b></p><p>　　小時間常數(shù)近似處理條件：</p><p><b>　　(4-23)</b><

62、/p><p><b>　　現(xiàn)在， </b></p><p><b>　　(4-24)</b></p><p>　　(5)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　調(diào)節(jié)器輸入電阻 ，則</p><p><b>　　(4-25)</b></p>&

63、lt;p>　　，取0.2 (4-26)</p><p>　　，取1 (4-27)</p><p>　　(6)檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　當(dāng)h=5時，查表得，=37.6%，不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于這是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。</p&g

64、t;<p>　　設(shè)理想空載起動時，負(fù)載系數(shù)z=0。</p><p><b>　　(4-28)</b></p><p><b>　　當(dāng)h=5時</b></p><p><b>　　； (4-29)</b></p><p><b>　　因此</b&g

65、t;</p><p><b>　　(4-30)</b></p><p><b>　　能滿足設(shè)計要求。</b></p><p>　　利用MATLAB建模并對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行仿真</p><p>　　5.1 MATLAB簡要介紹</p><p>　　MATLAB是矩陣實驗室（Ma

66、trix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。</p><p>　　Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)

67、。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。</p><p>　　Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系

68、統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 </p><p&g

69、t;　　Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。. </p><p>　　構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATL

70、AB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。</p><p>　　5.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖</p><p><b>　　電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線</b></p><p>　　在電流上升階段，由于電動機(jī)機(jī)械慣性較大，不能立即啟動。此時轉(zhuǎn)速調(diào)機(jī)器ASR

71、飽和，電流調(diào)節(jié)器ACR其主要作用。轉(zhuǎn)速一直上升。當(dāng)?shù)竭_(dá)恒流升速階段時，ASR一直處于飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)的加速度為恒值，電動機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性增長直至給定轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)在最短時間內(nèi)完成啟動，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速時，ASR的輸入偏差為0，但其輸出由于積分作用仍然保持限幅值，這是電流也保持為最大值，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，極性發(fā)生了變化，則ASR退出飽和。其輸

72、出電壓立即從限幅值下降，住電流也隨之下降。此后，電動機(jī)在負(fù)載的電阻力作用下減速，轉(zhuǎn)速在出現(xiàn)一些小的震蕩后很快趨于穩(wěn)定。當(dāng)突加給定負(fù)載時，由于負(fù)載加大，因此轉(zhuǎn)速有所下降，此時經(jīng)過ASR和ACR的調(diào)節(jié)作用后，轉(zhuǎn)速又恢復(fù)為先前的給定值，反映了系統(tǒng)的抗負(fù)載能力很強(qiáng)。</p><p><b>　　2.電機(jī)電流曲線</b></p><p>　　直流電機(jī)剛啟動時，由于電動機(jī)機(jī)械慣性

73、較大，不可以立即啟動。此時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和，達(dá)到限幅值，迫使電流急速上升。當(dāng)電流值達(dá)到限幅電流時，由于電流調(diào)節(jié)器ACR的作用是電流不再增加。當(dāng)負(fù)載突然增大時，由于轉(zhuǎn)速下降，此時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR起主要作用，因此電流調(diào)節(jié)器ACR電流有所下降，同啟動時一樣，當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和達(dá)到限幅值，使電流急速上升。但是由于電流值達(dá)到限幅電流時，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使電流不再增加。當(dāng)擾動去電以后，電流調(diào)節(jié)器ACR電流又有所增加，此后電動機(jī)在負(fù)載的

74、阻力作用下減速，電流也在出現(xiàn)一些曉得震蕩后很快趨于穩(wěn)定。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　脈沖寬度調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation),就是指保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間t對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)等領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的控制方式。利用SG3

75、524集成PWM控制器設(shè)計了一個基于PWM控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，并且設(shè)計了完善的保護(hù)措施，既保障了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，又使系統(tǒng)具有較高的動、靜態(tài)性能。</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動過程波形的。按照ASR在起動過程中的飽和情況，可將起動過程分為三個階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動時間上看，Ⅱ階段恒流升速是主要的階段，因

76、此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個特點，就是轉(zhuǎn)速必超調(diào)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，ASR的作用是對轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時無靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。ACR的作用是電流跟隨，過流自動保護(hù)和及時抑制電壓波動。</p><p>　　該系統(tǒng)調(diào)速精度與調(diào)速范圍要求不是很高，但與傳統(tǒng)的晶閘管可控調(diào)速系統(tǒng)相比 ，它具有

77、調(diào)速范圍寬、快速性能好、功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，使之以廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的直流調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中。本系統(tǒng)采用了脈寬調(diào)制器SG3524來完成，它解決了PWM電路的集成化問題，在實例中就可用此芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速。</p><p>　　經(jīng)過努力，終于圓滿的完成了本課程設(shè)計。通過親身體驗做課程設(shè)計的目的，在于通過理論與實際的結(jié)合，進(jìn)一步提高我們觀察、分析和解決問題的實際工作能力。大四了，馬上就要進(jìn)入社會開始工作，理論的學(xué)

78、習(xí)我們或許已經(jīng)掌握的很好，但實際的工作能力就是有待提高的了，通過本次設(shè)計以便積累一些經(jīng)驗對我們來說肯定是很有利的。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]阮毅、陳伯時，電力拖動自動控制系統(tǒng)—運(yùn)動控制系統(tǒng)（4版），北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.</p><p>　　[2]陳伯時，電力拖動自動控制系統(tǒng)（2版），北