电机拖动课程设计
长春建筑学院电气信息学院
课程设计
课程名称:拖动控制系统仿真课程设计
设计题目:转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计
姓 名:宣张月
学 号:132200121
专业班级:自动化1301
指导教师:闫坤
起止日期:
设计鉴定
目 录
第1章 设计目的 . ............................................................................................................................... 4
第2章 设计要求 . ............................................................................................................................... 5
第3章 总体方案 . ............................................................................................................................... 6
第4章 设计内容 . ............................................................................................................................. 12
第5章 具体实现 . ............................................................................................................................. 16
总结.................................................................................................................................................... 17
参考文献 . ........................................................................................................................................... 18
第1章 设计目的
转速电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。采用PI 调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是对系统的动态性能要求较高的系统,单闭环系统就难以满足需要了。 为了实现在允许条件下的最快启动,关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm 的恒流过程。按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,那么,采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以,我们希望达到的控制:启动过程只有电流负反馈,没有转速负反馈;达到稳态转速后只有转速负反馈,不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,可以在系统中设置两个调节器,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。二者之间实行嵌套(或称串级)联接,如图1-1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再把电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;转速换在外边,称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统.
第二章 设计要求
1、直流电动机(1):
输出功率为:80W 电枢额定电压220V
电枢额定电流 6.12A 额定励磁电流1A
额定励磁电压110V 功率因数0.85
电枢电阻0.4欧姆 电枢回路电感0.954mH
电机机电时间常数0.39s 电枢允许过载系数1.5
额定转速 3000rpm
2、环境条件:
电网额定电压:380/220V,电网电压波动:10%
环境温度:-40~+40摄氏度,环境湿度:10~90%
3、控制系统性能指标:
电流超调量小于等于5%
空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%
调速范围D =20,静差率小于等于0.03.
第三章 总体方案
3.1系统方案选择
(1)可控电源选择
直流电动机具有良好的起制动性能 在广泛范围内可实现平滑调速,在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。从生产机械要求控制的物理量来看,各种系统往往都通过控制转速来实现的。因而直流调速系统是最基本的拖动控制系统。
直流变电压调速是直流调速系统用的主要方法,调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种:
①旋转电流机组
适用于调速要求不高、要求可逆运行的系统 但其设备多、体积大、费用高、效率低。
②静止可控整流器
可通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位 从而实现平滑调速 且控制作用快速性能好 提高系统动态性能。
③PWM(脉宽调制变换器) 或称直流斩波器
利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变平均电压,与V —M 系统相比,PWM 系统在很多方面有较大的优越性:
主电路线路简单,需要的功率器件少,开关频率高;电流容易连续,谐波少,电机损耗及发热都较小; 低速性能好,稳速精度高,调速范围宽;若与快速响应的电动机配合,则系统频带宽,动态响应快,动态抗扰能力强;功率开关器件工作在开关状态,道通损耗小,当开关频率适当时,开关损耗也不大,因而装置效率高;直流电源采用不控整流时,电网功率因数比相控整流高。因此,本设计应选择脉宽调速,即采用直流PWM 调速。
(2)主控制器选择
1、双闭环直流调速系统
双闭环(转速环、电流环)直流调速系统是一种当前应用广泛,经济,适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能,它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。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,例如要求起制动、突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。
在单闭环系统中,只有电流截止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I dcr 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。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图3所示。当电流从最大值降低下来以后,电机转矩也随之减小,因而加速过程必然拖长。
在实际工作中, 我们希望在电机最大电流(转矩)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起动,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。这样的理想起动过程波形如图3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)受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
图3.1 调速系统启动过程的电流和转速波形
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I dm 的恒流过程,按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题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,不再靠电流负反馈发挥主作用,因此我们采用双闭环调速系统。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。
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串级连接,如图2-2所示,即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环;转速环在外面,叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
该双闭环调速系统的两个调节器ASR 和ACR 一般都采用PI 调节器。因为PI 调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度,使系统在稳态运行时得到无静差调速,又能提高系统的稳定性;作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主,采用PI 调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。
3.2主电路方案和控制系统确定
主电路选用直流脉宽调速系统,控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路采用25JPF40电力二极管不可控整流,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。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM 、逻辑延时环节DLD 、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD 和PWM 变换器。系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器,构成了电流环和转速环,前者通过电流元件的反馈作用稳定电流,后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定,最终消除转速偏差,
从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时,转速外环饱和不起作用,电流内环起主要作用,调节起动电流保持最大值,使转速线性变化,迅速达到给定值;稳态运行时,转速负反馈外环起主要作用,使转速随转速给定电压的变化而变化,电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流原理图如图所示。
1、PWM 变换器的选用
PWM变换器有可逆和不可逆两类。可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种。由于题目要求须事先电动机可逆运行,故本设计选用带续流的绝缘栅双极晶体管IGBT 构成H 型双极性控制PWM 变换器。其中,电源电压Us 选用不可控电力二极管25JPF40整流提供,并采用大电容C 进行滤波。
功率管开关管应承受2Us 的电压,为此选用FGA25N120AN
绝缘栅双极晶体管
IGBT 并接在功率开关管两端二级管用在IGBT 关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流。FGA25N 的参数:Vce=200V,Ic=15A。选用10CTF30型电力二极管,If=10A,Urm=300V。
采用单相交流220V 供电,变压器二次电压为67V ,桥式整流二极管最大反向电压大于电源的幅值的2倍,最大整流电流按2倍额定电流考虑。选25JPF40,If=25A,Urm=400V。
整流桥输出端所并接的电容作用滤除整流后的电压纹波,并在负载变化时保持电压平稳。另外,当脉宽调速系统的电动机减速或停车时,贮存在电动机和负载转动部分的动能将由电容器吸收,所以所用的电容较大,这里选用4000uf ,电压按大于2倍电压选择。
2、传感器以及测速发电机的选用
由于题目要求需要对电流进行采样,故此这里我们选用霍尔电流传感器HNC-025A ,HNC-025A 传感器所能测量的额定电流为 5A、6A 、8A 、 12A、25A ,当原边导线经过电流传感器时,原边电流 IP会产生磁力线,原边磁力线集中在磁芯气隙周围,内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的,大小仅为几毫伏的感应电压,通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流 IS ,并存在以下关系式: IS* NS= IP*NP。在外环中,我们需要有速度的反馈,这里我们选用永磁式ZYS231/110型作为测速机。
3、驱动电路选用
驱动电路的作用是将控制电路输出的PWM 信号放大至足以保证IGBT 可靠导通或关断的程度。同时具有实现主电路与控制电路相隔离、故障后自动保护及延时等功能。这里我们选用上海马克电气公司的AST96X 系列的MAST5-2C-U12型IGBT 驱动板 ,AST96X 为单路光电耦合隔离带短路、欠压和过压保护功能的 IGBT 驱动模块; MAST 系列为 1 - 7 路、带隔离电源的 IGBT 驱动板,易于使用,对供电电源要求低,适用 600V - 1700V 的各种不同类型 IGBT 驱动;两者均提供 电流源或电压源-电阻两种驱动方式,具有单电源供电、输入电压范围宽、内置正负电压发生器以及电压滤波器、内置短路保护电路、内置驱动欠压和过压保护
电路、内置 VCE 检测的快恢复高压二极管、内置光电耦合器以传输驱动保护/故障信号、内置栅极过压箝位元件等特点。MAST5-2C-U12是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件,将分立电路集成在单片IC 之中,使外围器件成本降低,整机可靠性提高。该产品为大规模集成基极驱动电路,可对IGBT 实现较理想的基极电流优化驱动和自身保护。
4、调节器的选择
根据题目要求我们尝试用P 调节器进行动态校正,但是存在静差,PI 调节器可以进一步提高稳态性能,达到消除稳态速差的地步。在单闭环调速系统中,电网电压扰动的作用点离被调量较远,调节作用受到多个环节的延滞,因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中,由于增设了电流内环,电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节,不必等它影响到转速以后才能反馈回来,抗扰性能大有改善。为了获得良好的静、动态性能,转速和电流两个调节器,并且这里我们采用PI 调节器。
5、脉宽调制器选用
脉宽调制器用于产生控制PWM 变换器的功率器件通断的PWM 信号。常用种类有:模拟式、数字式和专用集成电路。这里选用美国德克萨斯仪器公司TL494专用集成电路作为双端输出型脉宽调制器,其载波为锯齿波信号,振荡频率f =1. R T C T ),其中R T 和C T 取值范围:R T =5~100k Ω,C T =0. 001~0. 1μF 。
第4章 设计内容
4.1电流环的设计
1. 确定时间常数
⑴脉宽调制器和PWM 变换器的滞后时间常数
开关周期Ts ≈0. 0017ms 。
脉宽调制器和PWM 变换器的放大系数为Ks =40
于是可得脉宽调制器和PWM 变换器的传递函数为
W PWM (s )=K s 40= T s s +10. 0017s +1
⑵电流滤波时间常数T oi 取2ms 。
⑶电流环小时间常数T i =Ts +T oi =0. 0037ms 。 ∑
2. 选择电流调节器结构
根据设计要求,σi %≤5%,而且K I =T l i =0. 0. 0037=135. 1s ,因此∑
可按典Ⅰ型系统设计。电流调节器选用PI 型,其传递函数为-1W A τi s +10. 5s +1()s =K =0. 39 C R i τi s 0. 5s
3. 选择电流调节器参数
要求σi %≤5%时,应取K I T i =0. 5,因此 ∑
K
于是,K i =K I I =T l i =0. . 0037=135. 1s ∑-1τi R 135. 1⨯0. 5⨯0. 2==0. 397 βKs 0. 85⨯40
4. 校验近似条件
⑴要求ωci ωci 。 ,现3T s 3T s 3⨯0. 0017
⑵要求ωci ≥3111,现3=s -1=4. 243s -1
⑶要求ωci ≤111111,现=s -1=180. 8s -1>ωci 。 3T s T oi 30. 0017⨯0. 0023T s T oi
可见均满足要求。
5. 计算ACR 的电阻和电容
取R 0=20k Ω,则
R i =K i R 0=0. 397⨯20k Ω=7. 94k Ω 取R i =7. 94k Ω
0. 56C i ==⨯10μF =63μF 取63μF 3R i 7. 940⨯10
C oi =4T oi 4⨯0. 0026=⨯10μF =0. 4μF 取0. 4μF 3R 020⨯10τi
按照上述参数,电流环可以达到的动态指标为σi %=4. 3%
4.2、 转速环的设计
1. 确定时间常数
⑴电流环等效时间常数为2T i =0. 0074s 。 ∑
⑵取转速滤波时间常数T on =0. 01s 。
⑶T n =2T i +T on =0. 0174s ∑∑
2. ASR结构设计
根据稳态无静态及其他动态指标要求,按典Ⅱ型系统设计转速环,ASR 选用PI 调节器,其传递函数为W ASR (s )=K n
3. 选择ASR 参数
取h =5,则τn =hT n =5⨯0. 0174s =0. 087s ∑τn s +1 τn s
K N =h +16-2-2=s =396. 4s 22⨯25⨯0. 017422h 2T n ∑
则 K n =
(h +1)βC e T m 2h αRT n ∑=6⨯0. 85⨯0. 221⨯1=4. 3 10⨯1. 5⨯0. 2⨯0. 087
4. 校验近似条件
ω1
cn =K N τn =396. 4⨯0. 087s -1=34. 5s -
⑴要求ωcn ≤1
5T ,现1=1s -1=11. 5s -1>ωcn
∑i 5T ∑⨯0. 0174。
i 5
⑵要求ω11
cn ≤32T ,现 ∑i T on
11
32T =11s -1=17. 9s -1>ωcn
∑T . 0174⨯0. 01。
i on 32⨯0
5. 计算ASR 电阻和电容
取R 0=20k Ω,则
R n =K n R 0=4. 3⨯20k Ω=86k Ω 取R n =86k Ω
C n =τn 0. 087
R =86⨯103⨯106μF =1. 01μF 取1. 01μF
n
C 4T on 4
on =R =⨯0. 01
103⨯106μF =2μF 取2μF
020⨯
6. 校验转速超调量
σ∆C max ∆n N T ∑n
n %=C ⨯2(λ-z )∙
b n N T m
当h =5时,∆C max
C =81. 2%,而∆n I N R 3. 7⨯8
N ==r min =164. 4r min , 因此b C e 0. 18
σ7. 5
n %=81. 2%⨯2⨯3. 7⨯164. 4
200⨯0. 0068
0. 2=9. 2%
可见转速超调量满足要求。
7. 校验过渡过程时间
空载起动到额定转速的过渡过程时间
t C n
s =t 2+t ν≈t e T m N 2=R λI =0. 18⨯0. 2⨯200s =0. 12s
N 8⨯2. 03⨯3. 7
可见能满足设计要求。
4.3、负反馈单元
1. 转速检测装置选择
⑴测速发电机参数
永磁式ZYS231/110型,额定数据为P TN =23. 1W , U TN =110V , I TN =0. 21A , n TN =1900r min 。
⑵测速反馈电位器RP 2的选择
考虑测速发电机输出最高电压时,其电流约为额定值的20%,这样,测速发电机电枢
压降对检测信号的线性度影响较小。 测速发电机工作最高电压U TM =n N U TN 200⨯110=V =11. 58V n TN 1900
测速反馈电位器阻值R RP 1=U TM 11. 58=Ω=275. 68Ω 20%I TN 0. 2⨯0. 21
此时RP 2所消耗的功率为P RP 1=U TM ⨯20%I TN =11. 58⨯20%⨯0. 21W =0. 48W 为了使电位器温度不要提高,实选瓦数应为消耗功率的一倍以上,故选RP 2为4W ,取500Ω
第5章 具体实现
5.1、系统仿真模型
图5.1 仿真模型
5.2
、仿真输出波形曲线图
图5.2仿真输出波形曲线
总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识, 发现, 提出, 分析和解决实际问题, 锻炼实践能力的重要环节, 是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异,双闭环直流调速已经成为当今电机调速系统应用中空前活跃的领域, 在生活中可以说是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握双闭环直流调速技术是十分重要的。
回顾起此次课程设计,至今我仍感慨颇多,从选题到定稿,从理论到实践,在将近两星期的日子里,可以说得是苦多于甜,但是可以学到很多的东西,不仅巩固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到了很多问题,同时也发现了自己的不足之处,意识到自己对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固,了解到理论知识与实践相结合的重要意义,学会了坚持、耐心和努力,这也将为我今后的学习和工作产生积极的影响。在小组同学的热情帮助下,在指导教师的耐心讲解下,我学会了MATLAB 软件的调试和使用,顺利的完成了这次课程设计。
由于水平有限,在设计中难免存在许多不妥之处,敬请老师指正。同时,对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢!
参考文献
[1]《电力拖动自动控制系统》 陈伯时. 机械工业出版社.
[2]《电力拖动控制系统设计手册》 朱仁初. 机械工业出版社.
[3]《电气传动自动化技术手册》 天津电气传动研究所. 机械工业出版社.
[4]《毕业设计指导》 刘祖润. 机械工业出版社.
[5]《电力电子变流技术》 黄俊. 机械工业出版社.
[6]《电力拖动自动控制系统》 张明达. 冶金工业出版社.