運動控制課程設(shè)計--雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p><b>　　1 設(shè)計分析1</b></p><p>　　1.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1</p><p>　　1.2直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的原理1</p>&l

2、t;p>　　1.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點2</p><p>　　1.5 PWM變換器介紹3</p><p><b>　　2 電路設(shè)計3</b></p><p>　　2.1 PWM（雙極式）主電路設(shè)計3</p><p>　　2.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計4</p><p>　　2.2.1

3、電流調(diào)節(jié)器4</p><p>　　2.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器5</p><p>　　2.3 信號產(chǎn)生電路6</p><p>　　2.4 IGBT基極驅(qū)動電路原理8</p><p>　　2.5 基于EXB841驅(qū)動電路設(shè)計9</p><p>　　2.6 鋸齒波信號發(fā)生電路10</p><p&g

4、t;　　3 系統(tǒng)參數(shù)計算10</p><p>　　3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計10</p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計13</p><p><b>　　心得及總結(jié)17</b></p><p><b>　　致謝18</b></p><p><b>　　參

5、考文獻19</b></p><p><b>　　附錄20</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　伺服系統(tǒng)對數(shù)控技術(shù)、自動化、電氣工程及其自動化、機電一體化等專業(yè)是一門很重要的專業(yè)技術(shù)課。伺服系統(tǒng)的作用是聯(lián)系數(shù)控裝置與被控設(shè)備的中間環(huán)節(jié)，起著傳遞指令信息和反饋設(shè)備運行狀態(tài)信息

6、的橋梁作用。</p><p>　　在當代工業(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)速達到高精度、高準度的要求，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)計能夠達到任務(wù)要求的靜態(tài)指標和動態(tài)指標。特別是把此兩環(huán)校正為典型Ⅰ型和典型Ⅱ型后的性能指標更是達到了要求。本次設(shè)計中的電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)

7、器都是使用PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器是由運放和各種電子元器件組成的，由于本次設(shè)計時間有限所以就沒有把相應(yīng)的參數(shù)給調(diào)出來了。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PWM；直流調(diào)速；雙閉環(huán)；雙極式</p><p><b>　　1 設(shè)計分析</b></p><p>　　1.1雙閉環(huán)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

8、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)電機轉(zhuǎn)速，達到設(shè)計要求。</p><p>　　圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1.2直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的

9、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*（對于直流電動機來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，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的偏差進行調(diào)節(jié)，其輸出是UPE（功率變換器件的）的控制信號Uc。進而調(diào)節(jié)UPE的輸出，即電機的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓

10、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)矩與負載轉(zhuǎn)矩達到平衡，轉(zhuǎn)速不變后，達到穩(wěn)定。</p><p>　　1.3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，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后

11、，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩平衡，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)[1]。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，只要引入這個量的負反饋。因此采用電流負反饋控制過程，起動過程中，電動機轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負反饋；穩(wěn)定運行過程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負反饋為主。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p>

12、;<p>　　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>　　1.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(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準時間最優(yōu)控

13、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的輸入偏差電壓為負值，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>　　1.5 PWM變換器介紹</p>

14、<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。</p><p><b>　　2 電路設(shè)計</b></p><p>　　2.1 PWM（雙極式）主電路設(shè)計</p><p>　　H型變換器電路在控制方式上分為雙極式、單極式和受限

15、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”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rz消耗掉這些能量，在泵升電壓達到允許值時接通VTz。</p><p>

16、;　　圖9 H橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路</p><p>　　四單元IGBT模塊型號：20MT120UF 生產(chǎn)廠家：IR公司</p><p><b>　　主要參數(shù)如下：</b></p><p>　　=1200V =16A =100 </p><p>　　2.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計</p>

17、<p>　　為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控量進行采樣，然后與給定值比較，決定調(diào)節(jié)器的輸出，反饋的關(guān)鍵是對被控量進行采樣與測量。</p><p>　　2.2.1 電流調(diào)節(jié)器</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。為了平衡反饋信號的延遲，在給定

18、通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時間上配合恰當。</p><p>　　圖10 給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　2.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋電路如圖11所示，由測速發(fā)電機得到的轉(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)

19、節(jié)。</p><p>　　圖11 含給定濾波與反饋濾波的PI型電轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　2.3 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?shù)?、值即可確定振蕩頻率。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。&

20、lt;/p><p>　　由SG3524構(gòu)成的基本電路如圖12所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產(chǎn)生+5V基準電壓。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>　　圖12 SG

21、3524管腳圖</p><p>　　圖13 SG3524引腳接線圖</p><p>　　圖14 SG3524內(nèi)部框圖</p><p><b>　　主要參數(shù)：</b></p><p>　　輸入電壓Uimax：40V 輸出電流：500mA 好散功率：1W</p><p>　　2.4 IGBT基極驅(qū)

22、動電路原理</p><p>　　工作原理如圖15所示</p><p>　　圖15 EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</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>

23、;<b>　　腳3 ：驅(qū)動輸出；</b></p><p>　　腳4 ：用于連接外部電容器，以防止過流保護電路誤動作（大多數(shù)場合不需要該電容器）；</p><p>　　腳5 ：過流保護輸出；</p><p>　　腳6 ：集電極電壓監(jiān)視；</p><p>　　腳7 、8 ：不接；</p><p>&l

24、t;b>　　腳9 ：電源；</b></p><p>　　腳10 、11 ：不接；</p><p>　　腳14 、15 ：驅(qū)動信號輸入（-，＋）；</p><p>　　2.5 基于EXB841驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　驅(qū)動電路中V5起保護作用，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

25、為了改變EXB模塊過流保護起控點，以降低過高的保護閥值從而解決過流保護閥值太高的問題。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)過電壓，Rge是防止IGBT誤導(dǎo)通。</p><p>　　針對EXB841存在保護盲區(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

26、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。針對負偏壓不足的問題，可以考慮提高負偏壓。一般采用的負偏壓是-5V，可以采用-8V的負偏壓(當然負偏壓的選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制)，輸人信號被接到15腳，EXB841正常工作驅(qū)動IGBT.</p>

27、<p>　　圖16 EXB841驅(qū)動IGBT設(shè)計圖</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>　　2.6 鋸齒波信號發(fā)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

28、在PWM轉(zhuǎn)換器（SG3524）中進行比較，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鋸齒波信號發(fā)生器基本電路如圖17所示 </p><p>　　圖17 鋸齒波信號發(fā)生電路</p><p><b>　　3 系統(tǒng)參數(shù)計算</b></p><p>　　3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p>

29、<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,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&g

30、t;　　4)電動勢系數(shù)Ce=0.04</p><p>　　轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cm=30Ce/3.14=0.38</p><p>　　電機時間常數(shù)=0.084s</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)</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

31、,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>　　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，各項指標都可以接受。</p><p>　　(3)選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　

32、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，因此</p><p><b>　　電流反饋系數(shù):</b></p><p>　　PWM裝置放大系數(shù)： </p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為:</p><p><b>　　(4)校驗近似條件<

33、;/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><b>　　即</b></p><p><b>　　滿足近似條件；</b></p><p>　　2) 忽

34、略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：</p><p><b>　　即</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>　　， </p><p&

35、gt;<b>　　即</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>　　，</b></p><p><

36、b>　　， </b></p><p>　　3.2 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) </p><p>　　2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) </p><p>　　3)轉(zhuǎn)

37、速環(huán)小時間常數(shù)近似處理 (2)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,在負載擾動點后已經(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>　　(3)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p>

38、;<p>　　根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取，則ASR超前時間常數(shù)為</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：</b></p><p><b>　　ASR的比例系數(shù)：</b></p><p><b>　　(4)近似校驗</b></p><p><b&

39、gt;　　轉(zhuǎn)速截止頻率為：</b></p><p>　　1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：即</p><p><b>　　滿足簡化條件。</b></p><p>　　2) 小時間常數(shù)近似處理條件：</p><p>　　現(xiàn)在， 滿足近似條件。</p><p>　　(5)計算調(diào)節(jié)器電阻和電

40、容</p><p>　　調(diào)節(jié)器輸入電阻 ，則</p><p><b>　　，取0.2</b></p><p><b>　　，取1</b></p><p>　　(6)檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　當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

41、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><p>　　設(shè)理想空載起動時，負載系數(shù)z=0。</p><p>　　當h=5時，；，因此</p><p><b>　　能滿足設(shè)計要求。</b></p><p><b>　　心得及總結(jié)</b>

42、;</p><p>　　課程設(shè)計不僅是對前面所學電力電子技術(shù)和運動控制理論的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次課程設(shè)計使我明白了自己原來知識還比較欠缺，自己要學習的東西還太多。以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次課程設(shè)計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。</p><p>　　通過

43、這次課設(shè)，我不僅在知識上有了進一步的鞏固和提高，在求學和研究的心態(tài)上也有不小的進步。我想無論是在學習還是在生活上只有自己有心去學習和參與才可能有收獲，這也算是課設(shè)給我的一點小小的感悟。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　通過這次畢業(yè)設(shè)計，我學到了很多東西，感覺到理論和現(xiàn)實的差別。在過去四年多的大學學習中，大部分時間是在跟著老師學習，學習過去

44、的一些基本理論、一些基本的思想，感覺上好像學習就應(yīng)是這個樣子，就應(yīng)該是老師讓我們干什么我們就干什么，沒有自己真正實踐過。第一次接觸這樣的課程，十分高興。它能充分調(diào)動大家的積極性。不僅鍛煉能力，而且可以學到很多書本上沒有的東西。我上網(wǎng)查找相關(guān)的資料，并從眾多資料中篩選出對自己有用的東西，真正鍛煉了我的能力。在這次的設(shè)計中，也得到了同學和老師的幫助。通過這次學習，使我對本專業(yè)有了更深的認識，也大大提高了我的動手能力。</p>

45、<p>　　在此，感謝在課程設(shè)計過程中一直耐心、認真、負責的指導(dǎo)我的老師們，以及給與我?guī)椭乃型瑢W。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)—運動控制系統(tǒng)第四版 [M]. 上海：機械工業(yè)出版社</p><p>　　[2]徐邦荃. 直流調(diào)速系統(tǒng)與交流調(diào)速系統(tǒng) [M]. 武

46、漢：華中理工大學出版社, 2000.</p><p>　　[3]李發(fā)海. 電機與拖動基礎(chǔ)第二版 [M]. 北京：清華大學出版社,1994.</p><p>　　[4]劉進軍. 電力電子技術(shù)第五版 [M]. 北京機械工業(yè)出版社</p><p>　　[5]王臣業(yè). Protel 99SE電路設(shè)計基礎(chǔ)與工程范例 [M]. 北京：清華大學出版社,2008.</p>