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1、沈阳理工大学课程设计论文摘 要自动控制系统课程设计是自动化专业的重要课程设计之一；是在学生完成自动控制系统理论学习后，对相关的各种类型系统所进行的课程设计；是自动控制系统课程教学中的一个重要环节。 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的闭环可逆直流
2、PWM 调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了闭环直流 PWM 调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、闭环调速系统的控制。课设分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了 IGBT 模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，通过实时试与调节电动机的转速，此调速系统
3、可获得快速、精确的调速效果。通过课程设计，学生将进一步掌握电力拖动自动控制系统理论和电力拖动自动控制系统设计过程，对稳态参数计算以及电力拖动控制系统的工程设计方法进行实践运用，并且加深对电力拖动自动控制系统结构的了解。关键词： 直流可逆调速；数字触发；PWM；数字控制器 沈阳理工大学课程设计论文引 言矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备，是“四大运转设备”之一。矿井提升系统环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交转换。近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研
4、制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性 ，高智能化特点。同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。单闭环直速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。而且，直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工业等工业部门中得到广泛应用。直流时机转速的控制方法可以分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机
5、因其具有调节转速比较灵活、方法简单等特点，一直在传动领域占有统治地位。本文对双闭环可逆直流 PWM 调速系统进了较深入的研究，从直流调整系统原理出发，逐步建立了闭环直流 PWM 调整系统的模型。沈阳理工大学课程设计论文1 课程设计目的及任务掌握双闭环可逆直流脉宽调速系统的组成、原理及各主要单元部件的工作原理；熟悉直流 PWM 专用集成电路 SG3525、SG3524 等的组成、功能与工作原理；掌握 H 型 PWM 变换器的双极式控制方式的原理与特点；掌握双闭环可逆直流脉宽调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。对先修课程（电力电子学、自动控制原理等）的进一步理解与运用，运用电力拖动控制系统的理论
6、知识设计出可行的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。也可以制作硬件电路，同时能够加强同学们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。达到综合提高学生工程设计与动手能力的目的。本次课程设计任务，首先总体方案的确定，主电路原理，元件选择、参数计算，掌握系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图，进一步学会控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择，调节器的设计以及参数计算等，通过实验指导书进行课程设计和实验。沈阳理工大学课程设计论文2 设计方案的确定自动控制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能（动、静）电机参数主电路控制方案
7、”（系统方案的确定）“系统设计仿真研究参数整定直到理论实现要求硬件设计制版、焊接、调试”等过程，其中系统方案的确定至关重要。为了发挥同学们的主管能动作用，且避免方案及结果雷同，在选定系统方案时，规定外的其他参数有同学自己选定。2.1 主电路设计主电路采用二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT 构成 H 型双极式控制可逆 PWM 变换器。2.2 调节器设计速度调节器和电流调节器采用 PI 调节器。2.3 机械负载参数机械负载为反抗性恒转矩负载，调速范围 D=4；直流发电机：；转动惯量WP N100VU N220AI N5 . 0Nrnmin/150022065. 0NmGD
8、 2.4 主电源参数可以选择单相交流 220V 供电；变压器二次电压为 67V。2.5 他励直流电动机的参数沈阳理工大学课程设计论文，过载WP N185VU N220AI N1 . 1Nrnmin/1600倍数。5 . 13 设计所需设备及仪器3.1 所需设备（1）MCL32 电源控制屏（2）MCL31 组件（3）MCL10 组件（4）MEL11 挂箱（5）MEL03 三相可调电阻（6）电机导轨及测速发电机（7）直流电动机 M03，直流发电机 M013.2 所需仪器仪表（1）示波器（2）万用表沈阳理工大学课程设计论文4 课程设计原理及内容4.1 双闭环调速系统的结构图直流双闭环调速系统的结构图
9、 4.1 所示，转速调节器与电流调节器串极联结，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：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。沈阳理工大学课程设计论文图 4.1 双闭环调速系统的结构图4.2 H 桥双极式逆变器的工作原理脉宽调制器的作用是：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，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。H 形双极式逆变器电路如图 1-2 所示。这时电动机 M 两端电压的
10、极性随ABU开关器件驱动电压的极性变化而变化。图 4.2 H 形双极式逆变器电路双极式逆变器的四个驱动电压波形如下图所示沈阳理工大学课程设计论文OOOOUg1Ug4Ug2Ug3UAB Us-Usidid1id2tttttonTtonT图 4.3 H 形双极式逆变器的驱动电压波形他们的关系是：。在一个开关周期内，当1423ggggUUUU 时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。当0ontt 1VT4VT3VT2VTABsUU时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、onttT 1VT4VT3VT2VTdi2VD续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式 PWM 变换3VDABsUU ABU器的特
11、征，电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，则的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；2onTtABU如果正负脉冲相等，平均输出电压为零，则电动机停止。2onTt双极式控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为（4.1）21ononon dsstTttUUUTTT如果定义占空比，电压系数ont TdsU U则在双极式可逆变换器中沈阳理工大学课程设计论文（4.2）21调速时，的可调范围为 01 相应的。当时，为正，11 1 2电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，电动机停1 21 20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
12、流也是交变的。这个交变电流的平均值等于零，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。4.3 课程设计实验内容4.3.1 PWM 控制器 SG3525 性能测试分别连接“3”和“5”，“4”和“6”，“7”和“27”，“31”和“22”，“32”和“23”，然后打开面板右下角的电源开关。（1）用示波器观察“25”端的电压波形，记录波形的周期，幅度（包括 S1 开关拨向“通”和“断”两种情况）（2）S5 开关打向 0V，用示波器观察“30”端电压波形，调节 RP2 电位器，使方波的占空比为 50%。S5
13、 开关打向“给定”分别调节 RP3,RP4，记录“30”端输出波形的最大占空比和最小占空比（分别记录 S2 打向“通”和“断”两种情况）4.3.2 控制电路的测试（1）逻辑延时时间的测试S5 开关打向“OV”，用示波器观察“33”和“34”端的输出波形，并记录延时时间 Td=(2)同一桥臂上下管子驱动信号死区时间测试分别连接“7”和“8”，“10”和“11”，“12”和“13”，“14”和15，16和“17”，“18”和“19”，用双踪示波器分别测量 Vvt1.gs 和沈阳理工大学课程设计论文Vvt2.gs 以及 Vvt3.gs 和 Vvt4.gs 的死区时间Td.vt1.vt2=Td.vt3
14、.vt4=4.3.3 开环系统测试(1)速度反馈系数的测试断开主电源，并逆时针调节调压器旋钮到底，断开“9”,“10”所接的电阻，接入直流电动机 M03，电机加上励磁。S4 扳向上，合上主电源。调节 RP3 电位器使电机转速逐渐升高，并达到1400r/min,调节 FBS 的反馈电位器 RP，使速度反馈电压为 2V。（2）开环系统机械特性测定使电机转速达 1400r/min，改变直流发电机负载电阻 Rd，在空载至额定负载范围内测取 7-8 个点，记录相应的转速 n 和直流发电机电流 Id。表 4.1 N=1400r/minn r/min1400130812901270125012401225I
15、d A0.140.370.420.50.60.650.75调节 RP3，使 n=1000r/min 和 n=500r/min,做同样的记录，可得到电机在中速和 低速时的机械特性。表 4.2 N=1000r/minn r/min1000932915900875856836Id A0.120.280.350.40.50.60.7沈阳理工大学课程设计论文表 4.3 N=500r/minn r/min500460430425400395375Id A0.10.20.250.30.350.40.5断开主电源，S4 开关拨向“负给定”,然后按照以上方法，测出系统的反向机 械特性。表 4.4 N=-1500
16、r/minn r/min -1500-1390-1380-1369-1355-1340-1335-1300Id A-0.1-0.35-0.4-0.44-0.5-0.55-0.6-0.75表 4.5 N=-1000r/minn r/min-1000-923-900-890-875-865-848Id A-0.1-0.28-0.35-0.4-0.45-0.5-0.6表 4.6 N=-500r/minn r/min -500-455-428-414-400-387-375-348Id A-0.08-0.16-0.25-0.3-0.35-0.4-0.45-0.64.3.4 闭环系统测试将 ASR,ACR 均接成 PI 调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。（1）速度调节器的测试(a)反馈电位器 RP3 逆时针旋转到底，使放大倍数最小；沈阳理工大学课程设计论文(b
