运动控制课程设计
题目：转速电流双闭环逆直流宽频调速系统设计
系部：动化系
专业：动化
班级：动化班
学号：
姓名：
指导老师：
日期：2014年5月26日2014年6月13日
设计目
1 应学交直流调速系统基知识工程设计方法结合生产实际确定系统性指标实现方案进行运动控制系统初步设计
2 应计算机仿真技术通MATLAB软件建立运动控制系统数学模型控制系统进行性仿真研究掌握系统参数系统性影响
3 原理设计仿真研究基础应PROTEL进行控制系统印制板设计毕业设计综合运奠定坚实基础
二 系统设计参数
直流电动机控制系统设计参数：（ 直流电动机(3) ）
输出功率55Kw
电枢额定电压220V
电枢额定电流 30A
额定励磁电流1A
额定励磁电压110V
功率数085
电枢电阻02欧姆
电枢回路电感100mH
电机机电时间常数1S
电枢允许载系数15
额定转速 970rpm
直流电动机控制系统设计参数
环境条件：
电网额定电压380220V
电网电压波动10
环境温度40~+40摄氏度
环境湿度10~90
控制系统性指标：
电流超调量等5
空载起动额定转速时转速超调量等30
调速范围D＝20
静差率等003
1设计容数资料
某直流电动机拖动机械装置系统
电动机技术数：
电枢回路总电阻机电时间常数电动势转速Ks40Ts00017ms电流反馈系数转速反馈系数试该系统进行初步设计
2 技术指标求
电动机够实现逆运行求静态静差动态渡程时间电流超调量空载起动额定转速时转速超调量
三 电路方案控制系统确定
电路选直流脉宽调速系统控制系统选转速电流双闭环控制方案电路采25JPF40电力二极控整流逆变器采带续流二极功率开关IGBT构成H型双极式控制逆PWM变换器中属脉宽调速系统特部分UPM逻辑延时环节DLD全控型绝缘栅双极性晶体驱动器GDPWM变换器系统中设置电流检测环节电流调节器转速检测环节转速调节器构成电流环转速环前者通电流元件反馈作稳定电流者通转速检测元件反馈作保持转速稳定终消转速偏差
系统达调节电流转速目该系统起动时转速外环饱起作电流环起作调节起动电流保持值转速线性变化迅速达定值稳态运行时转速负反馈外环起作转速转速定电压变化变化电流环转速外环调节电机电枢电流衡负载电流原理图
图示
1PWM变换器选
PWM变换器逆逆两类逆变换器双极式单极式受限单极式等种题目求须事先电动机逆运行设计选带续流绝缘栅双极晶体IGBT构成H型双极性控制PWM变换器中电源电压Us选控电力二极25JPF40整流提供采电容C进行滤波
功率开关应承受2Us电压选FGA25N120AN绝缘栅双极晶体IGBT接功率开关两端二级IGBT关断时电枢回路提供释放电感储续流FGA25N参数：Vce200VIc15A选10CTF30型电力二极If10AUrm300V
采单相交流220V供电变压器二次电压67V桥式整流二极反电压电源幅值2倍整流电流2倍额定电流考虑选25JPF40If25AUrm400V
整流桥输出端接电容作滤整流电压纹波负载变化时保持电压稳外脉宽调速系统电动机减速停车时贮存电动机负载转动部分动电容器吸收电容较里选4000uf电压2倍电压选择
2传感器测速发电机选
题目求需电流进行采样里选霍尔电流传感器HNC025AHNC025A传感器测量额定电流 5A6A8A 12A25A原边导线电流传感器时原边电流 IP会产生磁力线原边磁力线集中磁芯气隙周围置磁芯气隙中霍尔电片产生原边磁力线成正仅毫伏感应电压通续电子电路微信号转变成副边电流 IS存关系式： IS* NS IP*NP外环中需速度反馈里选永磁式ZYS231110型作测速机
3驱动电路选
驱动电路作控制电路输出PWM信号放足保证IGBT导通关断程度时具实现电路控制电路相隔离障动保护延时等功里选海马克电气公司AST96X 系列MAST52CU12型IGBT驱动板 AST96X 单路光电耦合隔离带短路欠压压保护功 IGBT 驱动模块 MAST 系列 1 － 7 路带隔离电源 IGBT 驱动板易供电电源求低适 600V － 1700V 种类型 IGBT 驱动两者均提供 电流源电压源－电阻两种驱动方式具单电源供电输入电压范围宽置正负电压发生器电压滤波器置短路保护电路置驱动欠压压保护电路置 VCE 检测快恢复高压二极置光电耦合器传输驱动保护／障信号置栅极压箝位元件等特点MAST52CU12控制驱动电机设计两通道推挽式功率放专集成电路器件分立电路集成单片IC 中外围器件成降低整机性提高该产品规模集成基极驱动电路IGBT实现较理想基极电流优化驱动身保护
4调节器选择
根题目求尝试P调节器进行动态校正存静差PI调节器进步提高稳态性达消稳态速差步单闭环调速系统中电网电压扰动作点离调量较远调节作受环节延滞单闭环调速系统抵抗电压扰动性差双闭环系统中增设电流环电压波动通电流反馈较时调节必等影响转速反馈回抗扰性改善获良静动态性转速电流两调节器里采PI调节器
5 脉宽调制器选
脉宽调制器产生控制PWM变换器功率器件通断PWM信号常种类：模拟式数字式专集成电路里选美国德克萨斯仪器公司TL494专集成电路作双端输出型脉宽调制器载波锯齿波信号振荡频率中取值范围：
四电路原理
该系统属双闭环调速系统中具转速环称外环电流环里称环外环测速机采集信号反馈系数电压信号反馈ASR环里采直流PWM控制系统相结合中脉宽调速系统调制波发生器GM脉宽调制器UPM逻辑延时环节DLD绝缘栅双极性晶体GD脉宽调制变换器组成直流PWM控制系统直流脉宽调制式调速系统控制系统晶闸直流调速系统区直流PWM变换器取代晶闸交流装置作系统功率驱动器脉宽调制器运算放器输入信号构成电压较器运算放器工作开环状态电流调节器输出控制信号控制产生等幅宽度受Uc控制方波脉序列PWM提供需脉信号逻辑延时环节DLD保证子发出关断脉时延时发出子开通脉延时环节中引入瞬时动作限流保护FA信号旦桥臂电流超允许电流值时工作子时封锁保护电力晶体
双闭环直流调速系统稳态结构图
Ks
a
1Ce
U*n
Uc
Id
E
n
Ud0
Un
+
+
ASR
+
U*i
R
b
ACR
Ui
UPE
正常运行时电流调节器会达饱状态静特性说转速调节器饱饱两种情况 双闭环直流调速系统静特性图示式中ab —— 转速电流反馈系数第关系式图静特性CA段时ASR饱U*i < U*im述第二关系式知 Id < Idm 说 CA段静特性理想空载状态 Id 0 直延续 Id Idm Idm般额定电流 IdN 静特性运行段水特性时ASR输出达限幅值U*im 转速外环呈开环状态转速变化系统产生影响双闭环系统变成电流静差单电流闭环调节系统稳态时式中电流Idm设计者选定取决电机容许载力拖动系统允许加速度式中描述静特性图中AB段垂直特性样垂特性适合 n < n0 情况果 n > n0 Un > U*n ASR退出饱状态双闭环调速系统静特性负载电流Idm时表现转速静差时转速负反馈起调节作负载电流达 Idm 转速调节器饱电流调节器起调节作系统表现电流静差电流动保护
系统稳态结构图动态结构图
双闭环调速系统静态结构图
U*n
a
Uc
IdL
n
Ud0
Un
+
b
+
Ui
WASR(s)
WACR(s)
Ks
Tss+1
1R
Tl s+1
R
Tms
U*i
Id
1Ce
+
E
五双闭环调节器设计
51电流环设计
1 确定时间常数
⑴脉宽调制器PWM变换器滞时间常数
开关周期
脉宽调制器PWM变换器放系数
脉宽调制器PWM变换器传递函数
⑵电流滤波时间常数取
⑶电流环时间常数
2 选择电流调节器结构
根设计求典Ⅰ型系统设计电流调节器选PI型传递函数
3 选择电流调节器参数
求时应取
4 校验似条件
⑴求现
⑵求现
⑶求现
见均满足求
5 计算ACR电阻电容
取
取
取
取
述参数电流环达动态指标满足设计求
52 转速环设计
1确定时间常数
⑴电流环等效时间常数
⑵取转速滤波时间常数
⑶
2 ASR结构设计
根稳态静态动态指标求典Ⅱ型系统设计转速环ASR选PI调节器传递函数
3 选择ASR参数
取
4 校验似条件
⑴求现
⑵求现
5 计算ASR电阻电容
取
取
取
取
6 校验转速超调量
时
见转速超调量满足求
7 校验渡程时间
空载起动额定转速渡程时间
见满足设计求
53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ZYS231110型额定数
⑵测速反馈电位器选择
考虑测速发电机输出高电压时电流约额定值样测速发电机电枢
压降检测信号线性度影响较
测速发电机工作高电压
测速反馈电位器阻值
时消耗功率
电位器温度提高实选瓦数应消耗功率倍选取
六 系统MATLAB仿真
61系统仿真模型
62仿真输出波形曲线图
六系统部分电气原理图：
七设计总结
通次双闭环直流脉宽调速系统课程设计学电力拖动动控制系统较深刻认识学科目时首先感觉容理解抽象做作业设计时候遇较阻碍刚刚结束直流考试前复总算直流调速系统概念
老师发设计材料时候原理图简直蒙住设计作业实验复杂时难度加通课图书馆找资料慢慢出眉头通请教老师师兄部分懂细节弄清完成艰难第步整题目解析宏观握解题方法致思路第二步详细分析计算线路参数作出原理框图步相进行较利接理清思路认真做潮流计算做潮流计算时候计算量较线路参数较花时间保证正确率完成整计算面更艰巨务仿真：步进行异常艰难寸步难行没开设matable软件没接触软件面通学软件实行仿真终完成调试
次双闭环调速系统课程设计重新认识掌握知识扎实考完段时间前面学知识没印没理解性学学中定学扎实学牢学致活学活
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运动控制课程设计
题目：转速电流双闭环逆直流宽频调速系统设计
系部：动化系
专业：动化
班级：动化班
学号：
姓名：
指导老师：
日期：2014年5月26日2014年6月13日
设计目
1 应学交直流调速系统基知识工程设计方法结合生产实际确定系统性指标实现方案进行运动控制系统初步设计
2 应计算机仿真技术通MATLAB软件建立运动控制系统数学模型控制系统进行性仿真研究掌握系统参数系统性影响
3 原理设计仿真研究基础应PROTEL进行控制系统印制板设计毕业设计综合运奠定坚实基础
二 系统设计参数
直流电动机控制系统设计参数：（ 直流电动机(3) ）
输出功率55Kw
电枢额定电压220V
电枢额定电流 30A
额定励磁电流1A
额定励磁电压110V
功率数085
电枢电阻02欧姆
电枢回路电感100mH
电机机电时间常数1S
电枢允许载系数15
额定转速 970rpm
直流电动机控制系统设计参数
环境条件：
电网额定电压380220V
电网电压波动10
环境温度40~+40摄氏度
环境湿度10~90
控制系统性指标：
电流超调量等5
空载起动额定转速时转速超调量等30
调速范围D＝20
静差率等003
1设计容数资料
某直流电动机拖动机械装置系统
电动机技术数：
电枢回路总电阻机电时间常数电动势转速Ks40Ts00017ms电流反馈系数转速反馈系数试该系统进行初步设计
2 技术指标求
电动机够实现逆运行求静态静差动态渡程时间电流超调量空载起动额定转速时转速超调量
三 电路方案控制系统确定
电路选直流脉宽调速系统控制系统选转速电流双闭环控制方案电路采25JPF40电力二极控整流逆变器采带续流二极功率开关IGBT构成H型双极式控制逆PWM变换器中属脉宽调速系统特部分UPM逻辑延时环节DLD全控型绝缘栅双极性晶体驱动器GDPWM变换器系统中设置电流检测环节电流调节器转速检测环节转速调节器构成电流环转速环前者通电流元件反馈作稳定电流者通转速检测元件反馈作保持转速稳定终消转速偏差
系统达调节电流转速目该系统起动时转速外环饱起作电流环起作调节起动电流保持值转速线性变化迅速达定值稳态运行时转速负反馈外环起作转速转速定电压变化变化电流环转速外环调节电机电枢电流衡负载电流原理图
图示
1PWM变换器选
PWM变换器逆逆两类逆变换器双极式单极式受限单极式等种题目求须事先电动机逆运行设计选带续流绝缘栅双极晶体IGBT构成H型双极性控制PWM变换器中电源电压Us选控电力二极25JPF40整流提供采电容C进行滤波
功率开关应承受2Us电压选FGA25N120AN绝缘栅双极晶体IGBT接功率开关两端二级IGBT关断时电枢回路提供释放电感储续流FGA25N参数：Vce200VIc15A选10CTF30型电力二极If10AUrm300V
采单相交流220V供电变压器二次电压67V桥式整流二极反电压电源幅值2倍整流电流2倍额定电流考虑选25JPF40If25AUrm400V
整流桥输出端接电容作滤整流电压纹波负载变化时保持电压稳外脉宽调速系统电动机减速停车时贮存电动机负载转动部分动电容器吸收电容较里选4000uf电压2倍电压选择
2传感器测速发电机选
题目求需电流进行采样里选霍尔电流传感器HNC025AHNC025A传感器测量额定电流 5A6A8A 12A25A原边导线电流传感器时原边电流 IP会产生磁力线原边磁力线集中磁芯气隙周围置磁芯气隙中霍尔电片产生原边磁力线成正仅毫伏感应电压通续电子电路微信号转变成副边电流 IS存关系式： IS* NS IP*NP外环中需速度反馈里选永磁式ZYS231110型作测速机
3驱动电路选
驱动电路作控制电路输出PWM信号放足保证IGBT导通关断程度时具实现电路控制电路相隔离障动保护延时等功里选海马克电气公司AST96X 系列MAST52CU12型IGBT驱动板 AST96X 单路光电耦合隔离带短路欠压压保护功 IGBT 驱动模块 MAST 系列 1 － 7 路带隔离电源 IGBT 驱动板易供电电源求低适 600V － 1700V 种类型 IGBT 驱动两者均提供 电流源电压源－电阻两种驱动方式具单电源供电输入电压范围宽置正负电压发生器电压滤波器置短路保护电路置驱动欠压压保护电路置 VCE 检测快恢复高压二极置光电耦合器传输驱动保护／障信号置栅极压箝位元件等特点MAST52CU12控制驱动电机设计两通道推挽式功率放专集成电路器件分立电路集成单片IC 中外围器件成降低整机性提高该产品规模集成基极驱动电路IGBT实现较理想基极电流优化驱动身保护
4调节器选择
根题目求尝试P调节器进行动态校正存静差PI调节器进步提高稳态性达消稳态速差步单闭环调速系统中电网电压扰动作点离调量较远调节作受环节延滞单闭环调速系统抵抗电压扰动性差双闭环系统中增设电流环电压波动通电流反馈较时调节必等影响转速反馈回抗扰性改善获良静动态性转速电流两调节器里采PI调节器
5 脉宽调制器选
脉宽调制器产生控制PWM变换器功率器件通断PWM信号常种类：模拟式数字式专集成电路里选美国德克萨斯仪器公司TL494专集成电路作双端输出型脉宽调制器载波锯齿波信号振荡频率中取值范围：
四电路原理
该系统属双闭环调速系统中具转速环称外环电流环里称环外环测速机采集信号反馈系数电压信号反馈ASR环里采直流PWM控制系统相结合中脉宽调速系统调制波发生器GM脉宽调制器UPM逻辑延时环节DLD绝缘栅双极性晶体GD脉宽调制变换器组成直流PWM控制系统直流脉宽调制式调速系统控制系统晶闸直流调速系统区直流PWM变换器取代晶闸交流装置作系统功率驱动器脉宽调制器运算放器输入信号构成电压较器运算放器工作开环状态电流调节器输出控制信号控制产生等幅宽度受Uc控制方波脉序列PWM提供需脉信号逻辑延时环节DLD保证子发出关断脉时延时发出子开通脉延时环节中引入瞬时动作限流保护FA信号旦桥臂电流超允许电流值时工作子时封锁保护电力晶体
双闭环直流调速系统稳态结构图
Ks
a
1Ce
U*n
Uc
Id
E
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Ud0
Un
+
+
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+
U*i
R
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Ui
UPE
正常运行时电流调节器会达饱状态静特性说转速调节器饱饱两种情况 双闭环直流调速系统静特性图示式中ab —— 转速电流反馈系数第关系式图静特性CA段时ASR饱U*i < U*im述第二关系式知 Id < Idm 说 CA段静特性理想空载状态 Id 0 直延续 Id Idm Idm般额定电流 IdN 静特性运行段水特性时ASR输出达限幅值U*im 转速外环呈开环状态转速变化系统产生影响双闭环系统变成电流静差单电流闭环调节系统稳态时式中电流Idm设计者选定取决电机容许载力拖动系统允许加速度式中描述静特性图中AB段垂直特性样垂特性适合 n < n0 情况果 n > n0 Un > U*n ASR退出饱状态双闭环调速系统静特性负载电流Idm时表现转速静差时转速负反馈起调节作负载电流达 Idm 转速调节器饱电流调节器起调节作系统表现电流静差电流动保护
系统稳态结构图动态结构图
双闭环调速系统静态结构图
U*n
a
Uc
IdL
n
Ud0
Un
+
b
+
Ui
WASR(s)
WACR(s)
Ks
Tss+1
1R
Tl s+1
R
Tms
U*i
Id
1Ce
+
E
五双闭环调节器设计
51电流环设计
1 确定时间常数
⑴脉宽调制器PWM变换器滞时间常数
开关周期
脉宽调制器PWM变换器放系数
脉宽调制器PWM变换器传递函数
⑵电流滤波时间常数取
⑶电流环时间常数
2 选择电流调节器结构
根设计求典Ⅰ型系统设计电流调节器选PI型传递函数
3 选择电流调节器参数
求时应取
4 校验似条件
⑴求现
⑵求现
⑶求现
见均满足求
5 计算ACR电阻电容
取
取
取
取
述参数电流环达动态指标满足设计求
52 转速环设计
1确定时间常数
⑴电流环等效时间常数
⑵取转速滤波时间常数
⑶
2 ASR结构设计
根稳态静态动态指标求典Ⅱ型系统设计转速环ASR选PI调节器传递函数
3 选择ASR参数
取
4 校验似条件
⑴求现
⑵求现
5 计算ASR电阻电容
取
取
取
取
6 校验转速超调量
时
见转速超调量满足求
7 校验渡程时间
空载起动额定转速渡程时间
见满足设计求
53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ZYS231110型额定数
⑵测速反馈电位器选择
考虑测速发电机输出高电压时电流约额定值样测速发电机电枢
压降检测信号线性度影响较
测速发电机工作高电压
测速反馈电位器阻值
时消耗功率
电位器温度提高实选瓦数应消耗功率倍选取
六 系统MATLAB仿真
61系统仿真模型
62仿真输出波形曲线图
六系统部分电气原理图：
七设计总结
通次双闭环直流脉宽调速系统课程设计学电力拖动动控制系统较深刻认识学科目时首先感觉容理解抽象做作业设计时候遇较阻碍刚刚结束直流考试前复总算直流调速系统概念
老师发设计材料时候原理图简直蒙住设计作业实验复杂时难度加通课图书馆找资料慢慢出眉头通请教老师师兄部分懂细节弄清完成艰难第步整题目解析宏观握解题方法致思路第二步详细分析计算线路参数作出原理框图步相进行较利接理清思路认真做潮流计算做潮流计算时候计算量较线路参数较花时间保证正确率完成整计算面更艰巨务仿真：步进行异常艰难寸步难行没开设matable软件没接触软件面通学软件实行仿真终完成调试
次双闭环调速系统课程设计重新认识掌握知识扎实考完段时间前面学知识没印没理解性学学中定学扎实学牢学致活学活
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