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1、燕山大学 CDIO课程项目研究报告项目名称：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26 / 29目录前言1摘要2第一章 调速系统总体方案设计31.1 转速、电流双闭环调速系统的组成31.2.稳态结构图和静特4 1.2.1各变量的稳态工作点和稳态参数计算61.3双闭环脉宽调速系统的动态性能71.3.1动态数学模型7 1.3.2起动过程分析71.3.3 动态性能和两个调节器的作用8第二章 H桥可逆直流调速电源及保护系统设计11第三章 调节器的选型及参数设计133.1电流环的设计133.2速度环的设计15第四章Matl
2、ab/Simulink仿真17第五章实物制作20第六章性能测试22 6.1 SG3525性能测试22 6.2 开环系统调试23总结26参考文献 26前言随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需
3、要来控制动态过程中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题
4、是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。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：参数计算：仿真：电路设计 ：电路焊接：PPT答辩：摘要本设计的题目是基于SG3525的双闭环直流电机调速系统的设计。SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调
5、节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。如果对系统的动态性能要求较高，则单闭环系统就难以满足需要。而转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。本设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路，本课题内容重点包括调速控制器的原
6、理，并且根据原理对转速调节器和电流调节器进行了详细地设计。概括了整个电路的动静态性能，最后将整个控制器的电路图设计完成,并且进行仿真。关键词：双闭环直流可逆调速系统、H桥驱动电路、SG3525信号产生电路、PI调节器、MATLAB仿真第一章 调速系统总体方案设计1.1转速、电流双闭环调速系统的组成直流双闭环调速系统的结构图如图1所示， 在此系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，这是为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用。转速调节器与电流调节器串级联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM装置。其中脉宽调制变换器的作用是：
7、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，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLM-MTGUPE图1.双闭环直流调速系统的结构框图从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。1.2稳态结构图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，绘出了它的稳态结构图，如图2所示。分析静特性
8、的关键是掌握这样的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；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U在稳态时总是为零。图2 双闭环调速系统稳态结构图a转速反馈系数; b 电流反馈系数这种PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和和不饱和。输出如果达到限幅值就是饱和，输出如果没有达到限幅值就是不饱和。当输出为恒值，输入量的变化不会再影响输出时，调节器处于饱和状态。当PI的作用使输入偏差
9、电压在稳态时总是等于零时，调节器处于不饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时，转速负反馈起主要调节作用，此时，系统表现为转速无静差。当转速调节器处于饱和输出时，负载电流达到最大电流，电流调节器起主要调节作用，此时，系统表现为电流无静差。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性要好得多。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。1）转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此和 由第一关系式可得： （21）
10、从而得到图3静特性的段。与此同时，由于ASR不饱和， ，从上述第二个关系式可知：。这就是说，段静特性从=0 （理想空载状态）一直延续到 。而一般都是大于额定电流的，这就是静特性的运行段。2）转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时式中，最大电流是设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加度所描述的静特性是图3中的A-B段。这样的下垂特性只适合于n的情况。因为如果 ，则，ASR将退出饱和状态图3双闭环调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转
11、负反馈起主要调节作用。当负载电流达后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流至负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，静特性的两段实际上都略有很小的静差。1.2.1各变量的稳态工作点和稳态参数计算由图3可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 （11） （12） （13）上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于n和
12、，或者说，同时取决于和。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数： （14）电流反馈系数： （15）两个给定电压的最大值和是受运算放大器的允许输入电压限制的。1.3双闭环脉宽调速系统的动态性能1.3.1动态数学模型考虑到双闭环控制的结构可绘出双闭环调速系统的动态结构图，如图4所示。图中和分别表示转速和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，电机的动态结构图中必须把电流显露出来。图4双闭环直流调速系统的动态结构框图1.3.2起动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环调速系突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图5所示。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩
