直流双闭环调速系统设计

））））））））双闭环直流调速系统设计电气与控制工程））））））））））））））已知参数：某转速电流双闭环直流调速系统的已知参数为：（1）电动机参数：P3kW，Inom17.5A,nnom1500r/min，nomUnom220V,Ra1.2，GD20.4kg.m2；（2）功率放大器：放大倍数Ks25，Rrec0.3，Ts0.001s；（）其它参数：电枢回路总电感L60mH,最大允许电流Idb12Inom，ASR3和ACR的输出限幅值均为5V,最大转速给定电压Unom5,电流反馈滤波时V间常数为Toi0.001S，转速反馈滤波时间常数为Ton0.005s。设计指标：电流超调量 i 5%,转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量10%,过度过程时间ts0.5s。一、电流调节器设计（一）参数计算1）确定时间常数Ts0.001s电流滤波时间常数Toi0.001s电流环小时间常数之和TiTsToi0.002s电磁时间常数L0.060.04sTl1.2R0.3（2）选择电流调节器结构根据设计要求i5%，并保证稳态电流无差，按典型I型系统设计，采用Ki(iS 1)PI型电流调节器。其传递函数形式如： WACR(S)iS（3）计算电流调节器参数））））））））））））））电流调节器超前时间常数：iTl0.04s电流环开环增益：要求i5%，按表3-1，应取KITi0.5，因此KI0.50.5s250s-1Ti0.002电流反馈系数为U*50.14vIdL217.5于是，ACR的比例系数为KiKIiRa2500.041.23.43KS250.14Ki(iS1)（）电流调节器传递函数为WACR(S)3.430.02S1iS0.02S4）校验近似条件电流环截止频率：ciKI250s-11）校验晶闸管整流装置换地函数的近似条件131s-1333.3s-1ci满足近似条件3TS0.0012）校验电流环小时间常数近似处理条件1111s-1333.3s-1ci满足近似条件3TsToi30.0010.001（5）计算调节器电阻和电容根据运算放大器的电路原理，选 R0 40KΩ，各电阻和电容值计算如下RiKiR03.4340kΩ137.2kΩCii0.041FRi40103Coi4Toi40.040.4FR040103按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i 4.3% 5% 满足设计要求））））））））））））））含给定滤波和反馈滤波的 PI型电流调节器（二）仿真模型（三）仿真结果））））））））））））））二、转速调节器设计（一）参数计算1（1）确定时间常数 2Ti 2 0.002s 0.004sKI转速滤波时间常数Ton 0.005s1转速环小时间常数 Tn Ton 0.004 0.005 0.009sKI2）选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为K（ S 1）n nWASR(S)S3）计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h 5，则ASR的超前时间常数为hTn50.009s0.045s转速环开环增益为））））））））））））））h16-2-2KN2h2Tn22520.0092s1481sASR的比例系数为（h1）CeTm60.140.0132.7Kn2h2Tn22250.0092其中，Un*50.003Vmin/rn01500CeUIdR220-17.51.20.133Vmin/rn1500CeTmGD2R41.50.013375Cm30375CeGD20.4kgm24Nm2转速调节器传递函数为K（nnS1）2.7(0.045S1)WASR(S)nS0.045S（4）检验近似条件转速环截止频率为cnKNn14810.04566.65s-11）电流环传递函数简化条件1KI1250117.9cn满足近似条件3Ti30.0022）转速环小时间常数近似处理条件1KI125074.5cn满足近似条件3Ton30.0053）计算调节器电阻和电容））））））））））））））含给定滤波与反馈滤波的 PI型转速调节器取R040KΩ，则RnKnR02.740KΩ108KΩ取100KΩCnn0.0450.45F取0.5FRn100103Con4Ton40.0055F取5FR040103（二）仿真模型））））））））））））））（三）仿真结果三、系统硬件设计（一）原理图））））））））））））））（二）整流电路整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电。本设计采用三相桥式全控整流电路，其原理图如图所示，阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。这种整流电路的输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形完全相同，故该电路为6脉动整流电路。（三）PWM变换器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。直流电动机PWM控制系统分为不可逆和可逆系统。不可逆系统是指电动机只能单向旋转；可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转。对于可逆系统，又可以分为单极性驱动和双极性驱动两种方式。单极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的；双极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。本设计采用双极性驱动可逆 PWM变换器。如图是H型双极性可逆PWM变换器原理图。它包含有4个IGBT管和4个续流二极管。4个IGBT管分成两组，VT1，VT4为一组；VT2，VT3为另一组。同一组的IGBT管同时导通或截止，不同组的IGBT管的导通与截止是不相同的。））））））））））））））（四）泵升限制电路当脉宽调速系统的电动机转速由高变低时（减速或者停车） ，储存在电动机和负载转动部分的动能将会变成电能，并通过双极式可逆PWM变换器回送给直流电源。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回送电能，电机制动时只好给滤波电容充电，从而使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。过高的泵升电压会损坏元器件，所以必须采取预防措施，防止过高的泵升电压出现。可以采用由分流电阻R和开关元件（电力电子器件）VT组成的泵升电压限制电路，如图所示。当滤波电容器C两端的电压超过规定的泵升电压允许数值时，VT导通，将回馈能量的一部分消耗在分流电阻R上。在本设计中泵升电路电解电容选取C=2200μF；电压U=450V；VT选取IRGPC50U型号的IGBT管；电阻选取R=20Ω。））））））））））））））（五）按键电路独立式按键电路如图所示，这种独立式按键电路所需器件比较少、软件编程结构比较简单，在此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻的接入保证了冷按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。通过软件编程实现如下功能：当按下1键时，电动机启动；当按下2键时，电动机正转；当按下3键时，电动机反转；当按下4键时，电动机停止；当按下5键时，电动机加速；当按下6键时，电动机减速。））））））））））））））四、直流调速原理电流检测UiUn*U速度Ui*-电流Uc三相集成三相Ud直流+给定电压调节器调节器触发器全控桥电动机-Un转速检测

n双闭环直流调速系统稳态结构E(S)sIdL(S))-(-Un*(S)1+Ui*(S)1++d1n（s）kS1/RIRASRoiACRTS1Tl1+mCeTonS1TS1TS--Un(s)Ui（s）电流环ToiS1TonS1双闭环直流调速系统的动态结构直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成。两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器 ASR的输出限幅电压Um*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除））））））））））））））非有反向的输入信号使调节器退保和。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态。由于调速系统的主要被控量是转速,故把转速负反馈组成的环作为外环,以保证电动机的转速准确跟随给定电压,把由电流负反馈组成的环作为内环,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电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。通过调节触发装置 GT的控制电压Uc来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。四、系统软件设计（一）主程序开始系统初始化有按键按下吗？按键处理刷新显示数据通信））））））））））））））（二）子程序的初始化设计设定定时器、PWM、A/D转换工作方式设定I/O、通信接口及键盘工作方式参数及变量初始化返回初始化子程序框图（三）中断服务子程序设计中断服务子程序包括故障检测、 PWM生成、状态检测和数字 PI调节等，这些都是实时性比较强的功能。当相应的中断源提出申请， CPU就可以实时响应。转速调节中断服务子程序框图如图 4-3所示。在转速调节中断服务子程序中， 首先应保护现场，然后再由输入量计算实际的