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1、 运动控制系统 期中作业转速电流双闭环直流调速系统专业：自动化 班级：1102班 姓名：鱼 轮 学号：1106050218 日期：2014年05月27日设计题目：转速电流双闭环直流调速系统1.已知参数：某转速电流双闭环直流调速系统采用桥式可逆pwm变换电路供电。(1) 直流电动机:Unom = 220V, Inom = 136A, nnom = 1460r/min,电枢电阻Ra=0.2,允许过载倍数= 1.5;矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。(2) 电枢回路总电阻:R= 0.5;(3) 电枢回路总电感:L= 10mH;(4) 电动机轴上的总飞轮力矩:GD2= 22.5Nm2;设计要求:电流超调量i5%,
2、转速无静差;空载起动到额定转速的转速超调量n10%. 目录一、引言4二、整体设计思路4三、系统构成和原理4 四、各电路设计模块5聞創沟燴鐺險爱氇谴净。1.PWM主电路设计-桥式可逆直流脉宽调速系统 52.控制电路-基于SG3525为核心构成的控制电路的设计7 3.电流环的设计 9 4.转速环的设计 12 5.给定的设计 15 6.直流稳压电源的设计 15 7.电动机电源设计 16 8.转速检测电路设计16 9.电流检测电路设计16 10.驱动电路设计17 11.保护电路设计 175、 仿真结果截屏显示 18六、参考文献21七.电气原理图21八.设计心得总结 22一、引言在电气时代的今天，电动机
3、在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。 通过对于理论知识的学习，我们已经深刻的体会到闭环控制系统要优于开环控制系统，然而更深入的学习我们又了解到电流-转速反馈控制的直流调速系统是静、动态特性优良、应用最广的直流调速系统，其性能受到各个领域的关注。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。那么，如何通过MATLAB仿真模拟
4、，了解工作性能以及如何设计出满足要求的调速系统，就是我们重点要掌握的一项技能。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。二、整体设计思路 首先，从宏观上考虑到的就是将一个系统分成各个部分来设计，大体包含主电路部分，控制电路部分，反馈电路部分，保护电路部分等设计等大体设计环节。每个环节又有各自详细的设计思路，将会在各部分设计中体现。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。交流电源主变压器副变压器主电路控制电路电机执行方式控制器件电路保护三、系统构成和原理直流双极式可逆PWM调速系统的组成见图1。图中可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET所构成的H型结构形式，它由四个功率MOSFET管和四个续流二极管组成的双极式PWM可逆变换器，根
5、据脉冲占空比的不同，在直流电机上可得到+或-的直流电压。PWM变换器的作用是：用PWM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系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。TG是与直流电动机连动的测速发电机，经过速度变换器FBS后可获得一反映转速变化的速度反馈信号，此信号接入速度调节器ASR的反馈输入端，G为电压给定器，可提供正、负电压，电压大小可以调节。SG3525为脉宽调制器。R1、C1、VD1、R2、C2、VD2构成逻辑延时环节。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，正常情况下，交流输入为380V，经过整流后变为220V直流电，电阻
6、R1为起动限流电阻,在VT1和VT4的源极回路中，串接两个取样电阻，其上的电压分别反映流过VT2、VT4的电流,经过差分放大输出一反映电流大小的电压，可作为双闭环系统的电流反馈信号，接到电流调节器ACR的输入端。回路中的电阻R2有两个作用。第一，可以用来观察波形,其上的电压波形反映了主回路的电流波形。第二，作为过流保护用。当R2的电压超过整定值后，过流保护电路动作，关闭脉冲，从而保护功率MOSFET管。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。整个过程实现，从电网引入380V的电压，一路经电流检测电路，获取与主电路电流成比例的电流信号，经过滤波整流后，作为电流反馈信号输出至电流反馈端；另一路经整流为220V的电压
7、为电动机提供电源，220V的电压经过桥式整流为直流电源。系统运转后，通过与电动机同轴相连的测速电动机测出转速，输送转速负反馈信号与给定比较，电流环中电流通过电流检测电路实现电流信号的反馈。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。4、 各电路设计模块1、PWM主电路设计-桥式可逆直流脉宽调速系统 1.1按电路能否始终保持电流连续分为受限式和非受限式两种，而按输出电压极性是否单一又分为单极性和双极性两种类型。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。图1中装置系统结构图采用的是H型变换器。采用恰当的控制方式可让其工作于双极性非受限式的状态下。功率开关管VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电压Ug1=Ug4；VT2和VT3同时动作，其驱
8、动电压Ug2=Ug3=-Ug1。经分析易知，不论电流路径如何，只要VT1和VT4上加的是正向的控制信号，电机电枢两端电压UAB=Us（Us指电容两端电压），只要VT2和VT3两端加的是正向的控制信号，电机电枢两端电压UAB=-Us。设VT1开关周期为T，一个周期内VT1上所加正向控制信号的时间是ton，则电机电枢的平均电压为：，預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。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
9、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，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、负反向时的静磨擦死区，使电机低速时有较好的动静态特性。电枢电压极性在每个周期内都是变化的，但是开关管的频率做得很高，电机运行时由于惯性其转速瞬间不会变化，再加上电枢电感对电流有滤波作用，所以电机转速可以认为是稳定的。但是这里的稳态，指的是电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，电枢电流实际上是周期变化的，只能算是准稳态。脉宽调速系统在准稳态下的机械特性是其平均转速与平均转矩（电流）的关系。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦
10、。由图可知：PWM变换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。由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间传入电阻Rz，合上电源后，用延时开关将Rz短路，以免在运行中造成附加损耗。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。1.2元器件选择 选取晶闸管作为三相桥式全控整流开关器件。材料的选取：在选取晶闸管时，对于额定参数是要求很高的。晶闸管的额定电压是指断态重复峰值电压和反向重复峰值电压的较小值。考虑到电源电压的波动及过电压保护等因素，选用时额定电压为承受峰值电压的23倍。即：UTN=（2
11、3）UTM擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。 其中UTN为晶闸管的额定电压，UTM为晶闸管实际所承受的峰值电压，（2-3） 为安全裕量。1.2.1. 晶闸管的额定电流的选择晶闸管的额定电流是按电流的平均值标定的，元件的电流有效值定额是其通态平均电流值的1.57倍。 I= 1.57 ITa （1-2）ITa为通态平均电流值。而ITa为 ITa = （1.5-2）IVT/1.57 (1-3)其中IVT为晶闸管实际通过电流的有效值。在主电路中使用变压器将交流380V降为24V,经过计算UTN为134V，I为20A.所以晶闸管我们选择为KP20-2E.贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。1.2.2二极管的选择D1-D6我们选择
12、IN5822，图中从电网到D1-D6所组成的整流电路中需要一个电流互感器。IN5822的参数为：VRRM = 40V;VRMS = 28V; IFMS= 80A;IO = 3A2、 控制电路-基于SG5255为核心构成的控制电路的设计（1）SG3525芯片的内部结构及工作原理 SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。SG3525采用恒频脉宽调制控制方案,适合于各种开关电源,斩
13、波器的控制。其内部包含精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器等,并含有欠压锁定电路,闭锁控制电路和软起动电路。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。采用集成芯片产生PWM信号进行控制具有线路较为简单，易于控制，无需编程等特点，是目前PWM常用的方法。美国硅通公司的SG3525A是性能优良，功能齐全，通用性强的单片集成PWM控制器。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。原理如下：基准电压部分对内部供电，对外作为基准参考电压；振荡器产生近似的锯齿波，锯齿波的频率由和振荡器相连接的外接的电阻电容决定，同时对应于锯齿波的下降沿产生一时钟脉冲CP；在时钟脉冲CP的作用下，分相器（T触发器）的两输出端产生两相位相反的方波信号，其频率是锯齿波频率的一半；误差放大器是差动输入放大器，同相输入端端2接给定电压，闭环控制制时反向输入端1接反馈电压，端9和端1之间接入适当的反馈网络构成调节器可满足系统动静特性的要求；外加于端9的信号和误差放大器的输出叠加于比较器的一反向输入端，比较器的同相输入端加振荡器产生的锯波信号，这样比较器的输出端产生PWM信号，改变外加于端9的信号或来自于端2的反馈信号或端1的给定信号均可改变PWM信号的占空比；内部PWM锁存器可以使关闭更可靠；两个输出级结构是一样的，门电路输出上侧为或非门，下侧为或门，门电路的输入A端，C端和
