自动控制系统课程设计

1、黑龙江科技大学自动控制系统课程设计 课程名称 自动控制系统课程设计 班 级 学 号 姓 名 课 程 设 计 任 务 书一、设计题目 直流电机调速系统二、设计任务以安装在面板上的12V直流电机为被控对象，设计闭环调速系 统，使其转速在01500rpm连续可调；应有被控对象的检测和反馈环节，重点在于调节器的合理设计。三、设计要求1、控制对象为实际物理对象：温度、直流力矩电机的转速以及机组。 2、在闭环系统稳定的情况下，系统达到无差调节；3、外加干扰信号，系统能够自动调节到稳态无差；4、以自动控制原理为依据，控制实际的模拟对象，加深对理论的理解；5、学习和掌握闭环反馈系统的控制方法；6、掌握闭环控制

2、系统的参数调节对系统动态性能的影响。第一章 系统工作原理直流电机调速控制系统的原理框图如图1-1所示：图1-1 原理框图1.1 结构与调速原理直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成

3、圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。直流电机斩波调速原理是利用可控硅整流调压来达直流电机调速的目的，利用交流电相位延迟一定时间发出触发信号使可控硅导通即为斩波，斩波后的交流电经电机滤波后其平均电压随斩波相位变化而变化。为了达到控制直流电机目的，在控制回路加入了速度、电压、电流反馈环路和PID调节器来防止电机由于负载变化而引起的波动和对电机速度、电压、电流超常保护。第二章 主电路的设计与分析2.1 主电路的各个部分电路主电路主要环节是：整流电路、斩波电路。图2-1 调速系统直流脉宽调速系统的组成如图2-1所示，由主电路、控制及保护电路、

4、信号检测电路三大部分组成。二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，电阻R1为起动限流电阻，C1为滤波电容。可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET所构成的H型结构形式，它是由四个功率IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）和四个续流二极管（VD1、VD2、VD3、VD4）组成的双极式PWM可逆变换器，根据脉冲占空比的不同，在直流电机M上可得到正或负的直流电压。2.1.1 整流电路晶体二极管桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。图2-2 整流电路桥式整流电路的工作原

5、理如下：e2 为正半周时，对D1 、D3 和方向电压，Dl，D3 导通；对D2 、D4 加反向电压，D2 、D4 截止。电路中构成e2 、Dl、Rfz 、D3 通电回路，在Rfz ，上形成上正下负的半波整洗电压，e2 为负半周时，对D2 、D4 加正向电压，D2 、D4 导通；对D1 、D3 加反向电压，D1 、D3 截止。电路中构成e2 、D2 Rfz 、D4 通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。如此重复下去，结果在R ，上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图2-2中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波

6、整洗电路小一半！2.1.2 斩波调速电路直流电动机往往需要正、反向运行，而且有电动和制动工作状态，这就需要四象限斩波变换电路为电动机供电。图2-3给出了四象限斩波调速主电路原理图。T1T4组成了全桥电路，又称H桥型电路；TA1检测母线的电流大小和方向，TA2检测电动机的电流大小和方向；电容C用来减小开关过程引起的电压波纹压敏电阻Rv用来抑制电压尖峰。电机的工作状态同供电方式和负载有关。图2-3 斩波调速电路电机正向电动状态运行时，变换器工作在第一象限，使T4导通，T2、T3关断，根据转速要求对T1进行PWM调制，此时变换器等效一个降压斩波电路，能量由直流电源供向负载。如果希望电机运行于正想制动

7、状态，可使T4导通，T1、T3关断，变换器等效一个升压斩波电路；调控T2电动机的反电动势升压变换得到一个略大于Ud的电压，使得电动机输出电流反向，电磁转矩反向，直流电动机运行在发电制动状态，电动机的能量就回馈到电网，转速下降。同理，T2导通，T1、T4关断，调控T3，电动机可以运行在反向电动状态；T2导通，T1、T3关断，调控T4，电动机可以运行在反向制动状态。第三章 控制电路的设计与分析控制电路（如图3-1）主要环节是：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。主电路电力电子开关器件要采用IGBT，并且系统具有完善的保护。图3-1 控制电路3.1 触发电路的设计与分析锯齿波同

8、步移相触发电路由同步检测，锯齿波形成，移相控制，脉冲形成，脉冲放大等环节组成。3.2脉宽调制（PWM）控制的设计与分析根据IGBT的特点，本设计用脉宽调制（PWM）控制方式对开关管的占空比进行控制。采用的芯片是脉宽调制器SG3525。要改变输出脉冲PWM的占空比， 只要改变调制信号Ur的电压大小即可实现 。它主要由基准电压调整器、震荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软启动电路、输出电路构成。3.2.1 欠压锁定功能 基准电压调整器受15端的外加直流电压Vc的影响，当Vc低于7V或严重欠压时，基准电压调整器的精度值就得不到保证，由于设置了欠压锁定电路，当出现欠电压时，

9、欠电压锁定功能使A端线由低电压上升为逻辑高电平经过或非门输出转化为P1=P2=0 ,SG3525的13脚输出电平，功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失，逆变器无电压输出。3.2.2系统的故障关闭功能为便于从主回路受检测到的故障信号，集成控制器内部T3晶体管基极经一电阻连接10引脚。过流保护环节检测到的故障信号使10脚为高电平，由于T3基极与A端线相连，故障信号产生的关闭过程与欠电压锁定过程类似。在电路中，过流保护环节还输出一个信号到与门的输入端，当出现过流信号时，检测环节输出一低电平信号到与门的输入端，使脉冲消失，与SG3525的故障关闭功能一起构成双重保护。3.2.3软起动功能软起动

10、功能的实现主要由晶体管T3和外接电容C3及锁存器来实现的。当出现欠压或者有过流故障时，A端线高电平传到T3晶体管基极，T3导通为8引脚外接电容C3提供放电的途径，C3经T3放电到零电压后，限制了比较器的PWM脉冲电压输出，该电压上升为恒定的逻辑高电平，PWM高电平经PWM锁存器输出至D端线仍为恒定的逻辑高电平，C3电容重新充电之前，D端线的高电平不会发生变化，封锁输出。当故障消除后， A端线恢复为低电压正常值，T3截止，C3电容由50A电流源缓慢充电，C3充电对PWM和D端线脉冲宽度产生影响，同时对P1和P2输出脉冲产生影响，其结果是使P1和P2脉冲由窄缓慢变宽，只有C3充电结束后，P1和P2

11、的脉冲宽度才不受C3充电的影响。这种软启动方式，可使系统主回路电机及功率场效应管避免承受过大的冲击浪涌电流。3.2.4 波形的产生及控制方式分析锯齿波作为载波信号Ut，调制信号由9脚输入，此图中，调制信号由可调电位器RP上的电压信号Ur和外加的给定信号Ug叠加而成，RP上的电压信号用于确定脉宽调制波的初始占空比，Ug可正可负，用于控制逆变器输出电压的大小和极性，Ug也可以由摸拟或数字调节器的输出来控制，构成闭环自动控制系统。集成控制器SG3525的输出侧采用推拉式电路，可使关断速度加快。11脚、14脚与12脚连接。PWM脉冲由13脚输出，这样能够保证13脚的输出与锁存器的输出一致。锯齿波与调制

12、波的交点比较功能由比较器完成，UtUr时，比较器输出的PWM波形由逻辑低电平变为高电平，UtUr时，比较器输出的PWM波形由逻辑高电平变为低电平。为保证PWM波宽不至于太窄，用PWM锁存器锁存高电平值，并在CP脉冲下跳时对锁存器清零，以进行下一个比较点的锁存。3.3 延时、驱动电路的设计在可逆变换器中，跨接在电源Us两端的上、下两个功率场效应管经常交替工作，由于功率场效应管的关断要有一定的时间。在这段时间内功率场效应管并未完全关断。如果在此期间另一个功率场效应管已经导通，则将造成上下两管直通，从而使电源正负极短路。为了避免发生这种情况。设置了由R、C电路构成的逻辑延时环节。保证在对一个管子发出

13、关闭脉冲后，延时2S左右的时间后再发出对另一个管子的开通脉冲。如图所示，Ua为SG3525的13脚输出占空比可调的脉冲波形（占空比调节范围不小于0.10.9），经过RC移相后，输出两组互为到相、死区时间为4S左右的脉冲，经过光耦隔离后，分别驱动四只IGBT管，其中VT1、VT4驱动信号相同，VT2、VT3驱动信号相同。图3-3 延时驱动电路3.4 ASR和ACR调节器设计3.4.1 ASR（速度调节器）速度调节器ASR的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法，减法，比例，积分和微分等运算，使其输出按某一规律变化。它由运算放大器，输入与反馈网络及二极管限幅环节组成。其原理图如图3-4所示。 图3-

14、4 速度调节器转速调节器ASR也可当作电压调节器AVR来使用。速度调节器采用电路运算放大器，它具有两个输入端，同相输入端和倒相输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。电路运算放大器具有开环放大倍数大，零点漂移小，线性度好，输入电流极小，输出阻抗小等优点，可以构成理想的调节器。图1-7中，由二极管VD4，VD5和电位器RP2，RP3组成正负限幅可调的限幅电路。由C2，R9组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，R15，C1组成速度环串联校正网络。场效应管V5为零速封锁电路，当4端为0V时VD5导通，将调节器反馈网络短接而封锁，4端为-13V时，VD5夹断，调节器投入工作。RP1为放

15、大系数调节电位器。元件RP1，RP2，RP3均安装在面板上。电容C1两端在面板上装有接线柱，电容C2两端也装有接线柱，可根据需要外接电容。3.4.2 ACR（电流调节器）电流调节器适用于可控制传动系统中，对其输入信号（给定量和反馈量）时进行加法、减法、比例、积分、微分，延时等运算或者同时兼做上述几种运算。以使其输出量按某种予定规律变化。它是由下述几部分组成：运算放大器，两极管限幅，互补输出的电流放大级、输入阻抗网络、反馈阻抗网络等。图3-5 电流调节器电流调节器与速度调节器相比，增加了4个输入端，其中2端接过流推b信号，来自电流变换器的过流信号Ub，当该点电位高于某值时，VST1击穿，正信号输

16、入，ACR输出负电压使触发电路脉冲后移。UZ、UF端接逻辑控制器的相应输出端，当这二端为高电平时，三极管V1、V2导通将Ugt和Ugi信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系统。晶体管V3和V4构成互补输出的电流放大级，当V3、V4基极电位为正时，V4管（PNP型晶体管）截止，V3管和负截构成射极跟随器。如V3，V4基极电位为负时，V3管（NPN型晶体管）截止，V4管和负截构成射极跟随器。接在运算放大器输入端前面的阻抗为输入阻抗网络。改变输入和反馈阻抗网络参数，就能得到各种运算特性。元件RP1、RP2、RP3装在面板上，C1、C2的数值可根据需要，由外接电容来改变。参考文献 1石玉、栗书贤电力电子技术题例与指导机械工业出版