《自动控制系统1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制系统1（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、自动控制系统自动控制系统 课程设计课程设计基 于PWM 直 流 不 可 逆 双 闭 环 调 速 系 统电气信息工程系编电气信息工程系编2010 年 6 月2摘 要在电气时代的今天，电动机在工农业生产、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。本文基于 PWM 的双闭环直流调速系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。首先描
2、述了变频器的发展历程，提出了 PWM 调速方法的优势，指出了未来 PWM 调速方法的发展前景，点出了研究 PWM 调速方法的意义。应用于直流电机的调速方式很多，其中以 PWM 变频调速方式应用最为广泛，本文将对 PWM 的理论进行详细论述。在此基础上，本文将做出 SG3525 单片机控制的 PWM 变频调速系统的整体设计，然后对各个部分分别进行论证，力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。关键词：直流调速 ；双闭环 ；PWM ；SG3525 ；直流电机3目目 录录摘摘 要要 2前前 言言4第一章第一章 绪绪 论论5第二章第二章 直流拖动控制系统总体设直流拖动控制系统总体设 计计7一、直流调速
3、系统拖动方案的确 定7第三章第三章 PWM 控制直流调速系统主电路设控制直流调速系统主电路设 计计8一、主电路结构设 计8二、参数设 计12第四章第四章 PWM 控制直流调速系统控制电路设控制直流调速系统控制电路设 计计13一、PWM 信号发生 器14二、转速、电流双闭环设计164第五章第五章 系统实验验系统实验验 证证25一 系统结构框图25二 系统工作原理25三 系统单元调试26结束结束 语语28参考文参考文 献献29致致 谢谢305前前 言言次重大的技术更新。一次是元器件的更新，即以大功率半导体器件晶闸管取代传统的变流机组，以线形组件运算放大器取代电磁放大器件。后一次技术更新主要是把现代
4、控制理论和计算机技术用于电气工程，控制器由模拟式进入了数字式。在前一次技术更新中，电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方法。而后一次技术更在现代科学技术革命过程中，电气自动化在 20 世纪的后四十年曾进行了两新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变，电气系统的结构和性能亦随之改观。在整个电气自动化系统中，电力拖动及调速系统是其中的核心部分。现代的电力拖动控制系统都是由惯性很小的晶闸管、电力晶体管或其他电力电子器件以及集成电路调节器等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以用低阶近似。而以运算放大器为核心的有源校正网络（调节器），和由 R、C 等元件构成的无源校正网络相比,又可以实现更为
5、精确的比例、微分、积分控制规律,于是就有可能将各种各样的控制系统简化和近似成少数典型的低阶系统结构。如果事先对这些典型系统作比较深入的研究,把它们的开环对数频率特性当作预期的特性,弄清楚它们的参数和系统性能指标的关系,写成简单的公式或制成简明的图表,则在设计实际系统时,只要能把它校正或简化成典型系统的形式,就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算,这样,就建立了工程设计方法的可能性。目前，随着大功率电力电子器件的迅速发展，交流变频调速技术已日臻成熟并日渐成为实际应用的主流，但这并不意味着传统的直流调速技术已经完全退出了实际应用的舞台。相反，近几年交流变频调速在控制精度的提高上遇到了瓶颈，于是直
6、流调速的优势就显现了出来。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。譬如在对控制精度有较高要求的造纸，转台，轮机定位等系统中仍离不开直流调速装置，因此加强对直流调速系统的研究还是很有必要的。鉴于直流调速系统在国民经济和工农业生产以及国防事业中的重要作用，有必要对直流调速系统作进一步的研究和开发。6第一章第一章 绪绪 论论一、性质和目的自动控制系统课程是自动化专业的主要专业与特色课程之一，在学完本课程之后，通过课程设计使学生巩固本课程所学的控制系统基本原理，培养学生综合运用所学知识和技能去分析和解决工程技术问题的能力，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。提高学生的综合计算及撰写
7、科研报告的初步训练能力；理论联系实际和分析、解决问题的能力。二、课程设计的主要任务（一）系统各环节选型1、主回路方案确定。2、控制回路选择：给定器、调节放大器、触发器、稳压电源、电流截止环节，调节器锁零电路、电流、电压检测环节、同步变压器接线方式。（二）主要电气设备的计算和选择1、整流变压器计算：变压器原副方电压、电流、容量以及联接组别选择。2、二极管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择。3、系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择计算。4、平波电抗器选择计算。5、IGBT 的选择。（三）系统参数计算1、电流调节器 ACR 中计算。iiRC 、 2、转速调节器 AS
8、R 中计算。nnRC 、 3、动态性能指标计算。（四）画出双闭环调速系统电气原理图。三、基本要求1、使学生进一步熟悉和掌握单、双闭环直流调速系统工作原理，了解工程设计的基本7方法和步骤。2、熟练掌握主电路结构选择方法，主电路元器件的选型计算方法。3、熟练掌握过电压、过电流保护方式的配置及其整定计算。4、掌握触发电路的选型、设计方法。5、掌握同步电压相位的选择方法。6、掌握速度调节器、电流调节器的典型设计方法。7、掌握电气系统线路图绘制方法。8、掌握撰写课程设计报告的方法。8第二章第二章直流拖动控制系统总体设计直流拖动控制系统总体设计一一 直流调速系统控制方案的确定直流调速系统控制方案的确定1）
9、根据设计任务书中所提出的稳态调速指标要求，确定采用开环控制，还是闭环控制。由于开环控制其机械特性软，所能提供的调速范围小，往往不能满足稳态调速指标要求，所以生产实际中一般都采用闭环控制方式。2）如果生产机械对系统的动态特性没有严格要求，则可采用转速单闭环，或者带电流正反馈的电压负反馈控制方式，并引入电流截止负反馈环节以限制起动和堵转电流过大。根据系统中使用转速调节器（P 或 PI）的不同，可设计成单闭环有静差或无静差调速系统。3）若生产机械对系统的静、动态性能指标都有较严格的要求，而对减速调节和停车制动要求不高，则许采用典型的转速、电流双闭环系统，并通过对调节器型式的选择和参数整定，满足调速要
10、求。如造纸机和纺织机械之类的分布传动系统，主要要求对于电网电压波动有较强的抗扰能力。对于数控机床伺服系统，则要求静、动态速降尽可能小，调速范围较宽，且起动、制动过程要快。这些均可采用双闭环结构的控制方式。由于以上种种原因，所以选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。9第三章 PWM 控制直流调速系统主电路设计一 主电路结构设计 3.1.1 PWM 变换器介绍脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称 PWM 变换器。PWM 变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。下面分别对各种形式的 PWM 变换器做一下简单的介绍和分析。不可逆 PWM
11、变换器分为无制动作用和有制动作用两种。图 3-1（a）所示为无制动作用的简单不可逆 PWM 变换器主电路原理图，其开关器件采用全控型的电力电子器件。电源电压一般由交流电网经不可控整流电路提供。电容 C 的作用是滤波，二极管 VD 在sU电力晶体管 VT 关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。图图 3-13-1 简单的不可逆简单的不可逆 PWM 变换器电路变换器电路（a a）原理图）原理图 （b b）电压和电流波型）电压和电流波型电力晶体管 VT 的基极由频率为 f，其脉冲宽度可调的脉冲电压驱动。在一个开关bU周期 T 内，当时，为正，VT 饱和导通，电源电压通过 VT 加到电动机电枢
12、ontt 0bU两端；当时，为负，VT 截止，电枢失去电源，经二极管 VD 续流。电动机TttonbU电枢两端的平均电压为 sson dUUTtU式中，PWM 电压的占空比，又称负载电压系数。的变化范围在Tt UUond501 之间，改变，即可以实现对电动机转速的调节。10图 3-1（b）绘出了稳态时电动机电枢的脉冲端电压、平均电压和电枢电流的dududi波型。由图可见，电流是脉动的，其平均值等于负载电流（负载转dimLdlCTI/LT矩， 直流电动机在额定磁通下的转矩电流比） 。mC由于 VT 在一个周期内具有开关两种状态，电路电压平衡方程式也分为两阶段，即在期间 在期间 ontt 0Edt
13、diLRiUd d5TttonEdtdiLRid d0式中，R，L电动机电枢回路的总电阻和总电感；E电动机的反电动势。PWM 调速系统的开关频率都较高，至少是 14kHz，因此电流的脉动幅值不会很大，再影响到转速 n 和反电动势 E 的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视 n 和 E 为恒值。这种简单不可逆 PWM 电路中电动机的电枢电流不能反向，因此系统没有制动作用，Di只能做单向限运行，这种电路又称为“受限式”不可逆 PWM 电路。这种 PWM 调速系统，空载或轻载下可能出现电流断续现象，系统的静、动态性能均差。图 3-2（a）所示为具有制动作用的不可逆 PWM 变换电路，该电路设置了两个电力晶体管 VT1 和 VT2，形成两者交替开关的电路，提供了反向电流的通路。这种电路组成di的 PWM 调速系统可在第 I、II 两个象限中运行。VT1 和 VT2 的基极驱动信号电压大小相等，极性相反，即。当电动机工作2bbUU在电动状态时，在一个周期内平均电流就为正值，电流分为两段变化。di在期间，为正，VT1 饱和导通；为负，VT2 截止。此时，电源电压ontt 01bU2bU加到电动机电枢两端，电流沿图中的
