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1、武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 自動化080 指導教師： 工作單位： 自動化學院 題 目: 直流電動機調速系統(tǒng)設計 初始條件：用晶閘管整流器供電的V-M系統(tǒng)，主電動機額定功率。要求完成的主要任務: （1）設計出三相全控橋式整流電路拓撲結構；（2）設計出觸發(fā)系統(tǒng)和功率放大電路；（3）采用開環(huán)控制、轉速單閉環(huán)控制、轉速外環(huán)+電流內環(huán)控制。(4) 器件選擇：晶閘管選擇、晶閘管串聯(lián)、并聯(lián)參數(shù)選擇、平波和均衡電抗器選擇、晶閘管保護設計參考文獻：1 周淵深.電力電子技術與MATLAB仿真.北京：中國電力出版社，2005:41-49、105-114時間安排：201
2、1年12月5日至2011年12月14日，歷時一周半，具體進度安排見下表具體時間設計內容12.5指導老師就課程設計內容、設計要求、進度安排、評分標準等做具體介紹；學生確定選題，明確設計要求12.612.9開始查閱資料，完成方案的初步設計12.1012.11由指導老師審核仿真模型，學生修改、完善并對仿真結果進行分析12.1212.13撰寫課程設計說明書12.14上交課程設計說明書，并進行答辯指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日摘要直流電機具有良好的啟動性能和調速特性，它的特點是啟動轉矩大，最大轉矩大，能在寬廣的范圍內平滑、經濟地調速，轉速控制容易，調速后效率很高。與交流
3、調速相比，直流電機結構復雜，生產成本高，維護工作量大。隨著大功率晶體管的問世以及矢量控制技術的成熟，使得矢量控制變頻技術獲得迅猛發(fā)展，從而研制出各種類型、各種功率的變頻調速裝置，并在工業(yè)上得到廣泛應用。適用范圍：直流調速器在數(shù)控機床、造紙印刷、紡織印染、光纜線纜設備、包裝機械、電工機械、食品加工機械、橡膠機械、生物設備、印制電路板設備、實驗設備、焊接切割、輕工機械、物流輸送設備、機車車輛、醫(yī)療設備、通訊設備、雷達設備、衛(wèi)星地面接受系統(tǒng)等行業(yè)廣泛應用。高性能的交流傳動應用比重逐年上升，在工業(yè)部門中，用可調速交流傳動取代直流傳動將成為歷史的必然。盡管如此，我認為設計一個直流電機調速系統(tǒng)，不論是從學
4、習還是實踐的角度，對一名電子信息工程專業(yè)的大學生都會產生積極地作用，有利于提高學習熱情。關鍵詞：直流電動機 調速1 設計綜述采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動系統(tǒng)是最早應用靜止式變流裝置供電的直流電動機調速系統(tǒng)。1957年，晶閘管（俗稱“可控硅”）問世，到了60年代，已生產出成套的晶閘管整流裝置，并應用于直流電動機調速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）。如圖1-1，VT是晶閘管可控整流器，通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調速。晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優(yōu)越性；晶閘管可控整
5、流器的功率放大倍數(shù)在以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，在60年代到70年代，晶閘管可控整流器供電的直流調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）代替旋轉變流機組直流電動機調速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)），得到了廣泛的應用。但是由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難；晶閘管對過電壓、過電流和過高的與都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內損壞器件。另外，由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成“電力公害”，因此必須添置無功補償和諧波濾
6、波裝置。圖1-1 晶閘管可控整流器供電的直流調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。目前都采用由內向外，一環(huán)包圍一環(huán)的系統(tǒng)結構。每一閉環(huán)都設有本環(huán)的調節(jié)器，構成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)。設計多環(huán)系統(tǒng)的一般方法是，由內環(huán)向外環(huán)一環(huán)一環(huán)地進行設計。對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)而言，先從內環(huán)（電流環(huán)）開始，根據電流控制要求，確定把電流環(huán)校正為哪種典型系統(tǒng)，按照調節(jié)對象選擇調節(jié)器及其參數(shù)。設計完電流環(huán)后，就把電流環(huán)等效成一個小慣性環(huán)節(jié)，作為轉速環(huán)的一個組成部分，然后用同樣的方法進行轉速環(huán)的設計。然后通過MATLAB進行動態(tài)分析，根據分析情況更改實現(xiàn)方案，對參數(shù)進行調整等。開環(huán)和轉速單閉環(huán)是轉速電
7、流雙閉環(huán)設計的一部分，是設計轉速電流雙閉環(huán)的基礎，2硬件電路設計2.1 三相全控橋式整流電路如圖2-1所示：其中陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1、VT3、 VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。此外，習慣上希望晶閘管按從1至6的順序導通，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。從后面的分析可知，按此編號，晶閘管的導通順序為 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。圖2-1 三相橋式全控整流電路原理圖整
8、流電路的負載為帶反電動勢的阻感負載。假設將電路中的晶閘管換作二極管，這種情況也就相當于晶閘管觸發(fā)角=0o時的情況。此時，對于共陰極組的3個晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個導通。而對于共陽極組的3個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低的一個導通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導通狀態(tài)，施加于負載上的電壓為某一線電壓。此時電路工作波形如圖2-2所示。圖2-2 反電動勢=0o時波形=0o時，各晶閘管均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對應關系看出，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。在分析ud的波形時，既可從相電壓波形分析，也可以從線電
9、壓波形分析。從相電壓波形看，以變壓器二次側的中點n為參考點，共陰極組晶閘管導通時，整流輸出電壓 ud1為相電壓在正半周的包絡線；共陽極組導通時，整流輸出電壓ud2為相電壓在負半周的包絡線，總的整流輸出電壓ud = ud1ud2是兩條包絡線間的差值，將其對應到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡線。直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的最大（正得最多）的相電壓，而共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的是最?。ㄘ摰米疃啵┑南嚯妷?，輸出整流電壓 ud為這兩個相電壓相減，是線電壓中最大的一個，因此輸出整流電壓ud波形為線電壓在正半周的包絡線。由于負載端接有電感且電感的阻值趨于無窮大，電感
10、對電流變化有抗拒作用。流過電感器件的電流變化時，在其兩端產生感應電動勢U，阻止電流的變化。當電流增加時，它的極性阻止電流增加，當電流減小時，它的極性反過來阻止電流減小。電感的這種作用使得電流波形變得平直，也就是說電感趨于無窮大時負載中流過的電流是平的一條直線。為了說明各晶閘管的工作的情況，將波形中的一個周期等分為6段，每段為60o，如圖2-2所示，每一段中導通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如表所示。由該表可見，6個晶閘管的導通順序為VT1VT2VT3VT4VT5VT6。2.2觸發(fā)電路 觸發(fā)電路有三個基本環(huán)節(jié)組成：鋸齒波形成和同步移相控制環(huán)節(jié)，脈沖形成、整形放大和輸出環(huán)節(jié)，強觸發(fā)和雙脈沖輸出環(huán)節(jié)。
11、 圖 2-3觸發(fā)電路的工作原理圖2.2.1鋸齒波形成和同步移相控制環(huán)節(jié) 圖 2-4恒流源電路方案鋸齒波同步移相的原理是利用受正弦同步信號電壓控制的鋸齒波電壓作為同步電壓，再與直流控制電壓與直流偏移電壓組成并聯(lián)控制，進行電流疊加，去控制晶體管的截止與飽和導通來實現(xiàn)的。圖2-2所示為恒流源電路方案，由、和等無件組成，其中、和為一恒流源電路。當截止時，恒流源電流對電容充電，所以兩端電壓為 =按線性增長，即的基極電位按線性增攻。調節(jié)電位器，即改變的恒定充電流，可見是用來調節(jié)鋸齒波斜率的。當導通時，由于阻值很小，所以迅速放電，使電位迅速降到零伏附近周期性的導通和關斷時，便形成了一個鋸齒波，同樣也是鋸齒波
12、電壓，如圖2-5所示。射極跟隨器的作用是減小控制回路的電流對鋸齒波電壓的影響。管的基極電位由鋸齒波電壓、直流控制電壓,直流偏移電壓三個電壓作用的疊加值所確定，它們分別通過電阻和與基極相接。設為鋸齒波電壓單獨作用在基極時的電壓，其值為=可見仍為一鋸齒波，但斜率比低。同理偏移電壓單獨作用時的電壓為： 可見仍為一條與平行的直線，但絕對值比小。 直流控制電壓單獨作用時的電壓為：=可見仍為與平行的一直線，但絕對值比小。如果=0,為負值時,點的波形由確定，如圖2-5所示。當為正值時，點的波形由確定。由于的存在，上述電壓波形與實際波形有出入，當點電壓等于0.7V后，導通。之后一直被鉗位在0.7V。所以實際波
13、形如圖2-5所示。圖中M點是由截止到導通的轉折點。由前面分析可知經過M點時使電路輸出脈沖。因此當為固定值時,改變便可改變M點的時間坐標，即改變了脈沖產生的時刻，脈沖被移相。可見，加的目的是為了確定控制電壓=0時脈沖的初始相位。當接阻感負載電流連續(xù)時三項全控橋的脈沖初始相位應定在=90度;如果是可逆系統(tǒng)，需要在整流和逆變狀態(tài)下工作，這時要求脈沖的移相范圍理論上為180度，由于鋸齒波波形兩端的非線性，因而要求鋸齒波的寬度大于180度，例如240度，此時，令=0，調節(jié)的大小使產生脈沖的M點移至鋸齒波240度地的中央(120度)，對應于=90度的位置。這時，如為正值，M點就向前移，控制角90度，晶閘管
14、電路處于逆變狀態(tài)。在鋸齒波同步的觸發(fā)電路中，觸發(fā)電路與主電路的同步是指要求鋸齒波的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關系確定。從圖2-2可知，鋸齒波是由開關管來控制的。由導通變截止期間產生鋸齒波，截止狀態(tài)持續(xù)的時間就是鋸齒波的寬度，開關的頻率就是鋸齒波的頻率。要使觸發(fā)脈沖與主電路電源同步，使開關的頻率與主電路電源頻率同步就可達到。如圖2-2中的同步環(huán)節(jié)，是有同步變壓器TS和作同步開關用的晶體管組成的。同步變壓器和整流變壓器接在同一電源上，用同步變壓器的二次電壓來控制的通斷作用，這就保證了觸發(fā)脈沖與主電路電源同步。同步變壓器TS二次電壓經二極管間接加在的基極上。當二次電壓波形在負半周的下降段時，導
15、通，電容被迅速充電。因O點接地為零電位，R點為負電位，Q點電位與R點相近，故在這一階段基極為反向偏置，截止。在負半周的上升段，+電源通過給電容反向充電,為電容反向充電波形，其上升速度比波形慢，故截止，如圖2-5所示。當Q點電位達1.4V時，導通，Q點電位被鉗位在1.4V.直到TS二次電壓的下一個負半周到來時，重新導通，迅速放電后又被充電，截止。如此周而復始。在一個正弦波周期內，包括截止和導通兩個狀態(tài)，對應鋸齒波波形恰好是一個周期,與主電路電源頻率和相位完全同步，達到同步的目的?？梢钥闯?，Q點電位從同步電壓負半周上升段開始時刻到達1.4V的時間越長，截止時間就越長，鋸齒波就越寬?？芍忼X波的寬度
16、是由充電時間常數(shù)決定的。2.2.2 脈沖形成，整形放大和輸出環(huán)節(jié)脈沖形成環(huán)節(jié)由晶閘管、組成，、起脈沖放大作用?？刂齐妷杭釉诨鶚O上，電路的觸發(fā)脈沖有脈沖變壓器TP二次側輸出，起一次繞組接在集電極電路中。 當控制電壓=0時，截止。+（+15V）電源通過供給一個足夠大的基極電流，使飽和導通，所以的集電極電壓接近于-(-15V)。、處于截止狀態(tài)，無脈沖輸出。另外，電源的+(15V)經、發(fā)射結到-(-15V)，對電容充電，充滿后電容兩端電壓接近2 (30V),極性如圖2-5所示:當控制電壓近似等于0.7V時，導通，A點電位由+(+15V)迅速降低至1.0V左右，由于電容兩端電壓不能突變，所以基極電位迅速
17、將至約-2E1(-30V),由于發(fā)射結反偏置，立即截止。它的集電極電壓由-(-15V)迅速上升到鉗位電壓+2.1V（、三個PN結正向壓降之和），于是、導通，輸出觸發(fā)脈沖。同時，電容經電源+、放電和反向充電，使基極電位又逐漸上升，直到-(-15V),又重新導通。這時又立即將到-,使、截止，輸出脈沖終止?？梢?，脈沖前沿由導通時刻確定，(或)截止持續(xù)時間即為脈沖寬度。所以脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù)有關。2.2.3強觸發(fā)和雙脈沖形成環(huán)節(jié) 強觸發(fā)環(huán)節(jié)有單相橋式整流獲得近似50V直流電壓作電源，在導通前，50V電源經對充電，N點電位為50V。當導通時，經脈沖變壓器一次側，與迅速放電，由于放電回路電阻很
18、小，N點電位迅速下降，當N點電位下降到14.3V時，導通，脈沖變壓器TP改由+15V穩(wěn)壓電源供電。這時雖然50V電源也在向再充電使它電壓回升，但由于充電回路時間常數(shù)較大，N點電位只能被15V電源鉗位在14.3V。電容的作用是為了提高強觸發(fā)脈沖前沿。加強觸發(fā)后，脈沖變壓器TP一次電壓 近似如圖2-5所示。如圖2-2中、兩個晶體管構成一個“或”門。當、都導通時,約為-15V，使、都截止，沒有脈沖輸出。但只要、中有一個截止，都會使變?yōu)檎妷?，使、導通，就有脈沖輸出。所以只要用適當?shù)男盘杹砜刂苹虻慕刂梗ㄇ昂箝g隔60度），就可以產生符合要求的雙脈沖。其中，第一個脈沖有本相觸發(fā)單元的對應的控制角所產生，使
19、由截止變?yōu)閷ㄔ斐伤查g截止，于是輸出脈沖。相隔60度的第二個脈沖是由滯后60度相位的后一相觸發(fā)單元產生，在其生成第一個脈沖時刻將其信號引至本相觸發(fā)單元的基極，使瞬時截止，與是本相觸發(fā)單元的管又導通，第二次輸出一個脈沖，因而得到間隔60度的雙脈沖。其中和的作用，主要是防止雙脈沖信號相互干擾。3軟件仿真利用matlab軟件的simulink功能對直流調速系統(tǒng)進行軟件仿真3.1開環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖3-1所示圖3-1開環(huán)控制仿真圖運行該仿真圖，雙擊scope1，觀察示波器波形如圖3-2所示圖3-2開環(huán)控制轉速波形圖從仿真波形可以看出轉速先開始緩慢上升，經過0.4秒后轉速指數(shù)上升，上升很
20、快。3.2轉速單閉環(huán)控制轉速單閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真方框圖如圖3-3所示圖3-3轉速單閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真方框圖相比于開環(huán)控制，轉速單閉環(huán)控制系統(tǒng)多了一個轉速負反饋，系統(tǒng)通過對給定信號和反饋信號進行比較，得到偏差信號作為控制器的輸入信號，實現(xiàn)對轉速的閉環(huán)控制。轉速的仿真結果如圖3-4所示圖3-4轉速仿真圖由仿真結果可以看出轉速有超調，由于采用了PI調節(jié)器，轉速無靜差。3.3轉速外環(huán)電流內環(huán)控制轉速外環(huán)電流內環(huán)控制系統(tǒng)仿真方框圖如圖3-5所示圖3-5轉速外環(huán)電流內環(huán)控制系統(tǒng)仿真方框圖系統(tǒng)仿真結果波形如圖3-6所示圖3-6雙閉環(huán)仿真結果圖3-6中峰值高的的曲線是轉速曲線，另一條是電流曲線，由仿真結果可以看出
21、ASR調節(jié)器經過了不飽和、飽和、退飽和三個階段，最后穩(wěn)定運行于給定轉速。4 器件選擇 晶閘管的選擇主要是根據整流器的運行條件，計算晶閘管電壓、電流值，選出晶閘管的型號規(guī)格。額定電壓的選擇要分析電路運行時晶閘管可能承受的最大電壓值，并考慮實際情況留有足夠的裕量，通?？煽紤]23倍的安全裕量，按計算值算出晶閘管的標準電壓等級值。額定電流通?？紤]1.52倍的安全裕量。晶閘管的串聯(lián)使用不僅要挑選型號相同的器件，還要采取均壓措施，通常在串聯(lián)元件上并聯(lián)阻值相等的電阻實現(xiàn)均壓。元件兩端并聯(lián)阻容吸收電路。晶閘管的并聯(lián)使用應采用同型號的晶閘管，而且要采取均流措施。方法有電阻均流法和電抗均流法晶閘管保護分為過電流保
22、護和過電壓保護。電流保護有快速熔斷器保護、電子線路控制的過電流保護、過電流繼電器保護、直流快速開關。過電壓保護包括交流側過電壓保護和直流側過電壓保護、晶閘管換相過電壓保護。交流側過電壓保護有阻容吸收保護和非線性電阻保護方式。直流側過電壓保護措施一般采用壓敏電阻作過電壓保護。晶閘管換相過電壓保護通常在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路。總結 一開始接觸這個課程設計時，覺得并不會很困難，無論是參數(shù)計算還是動態(tài)仿真都能在教材中找到相關的資料，覺得完成課設并不會需要太多時間。但在真正的設計過程中發(fā)現(xiàn)，參數(shù)的計算并不會太過復雜，只需要花一定時間，以認真細致的態(tài)度對待就可以。而動態(tài)仿真過程中卻出現(xiàn)了一系列問題。由
23、于教材中是介紹使用原理圖進行仿真，于是我也利用Matlab的Simulink功能將相關模塊一樣的畫下來，參數(shù)也一樣地設置，卻無法進行仿真，這個問題一直無法解決，直到后面發(fā)現(xiàn)可以利用動態(tài)函數(shù)進行仿真。于是我放棄原本想法，改用動態(tài)函數(shù)進行仿真。相對于原理圖仿真，動態(tài)函數(shù)比較簡單些，只需要在Matlab中畫下相關傳遞函數(shù)模塊，并進行連線即可。仿真也能夠實現(xiàn)。在調速系統(tǒng)中，雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)具有較廣泛的應用。作為自動化專業(yè)的專業(yè)課，學好電機學及電機調速系統(tǒng)等相關知識，并熟練掌握其控制規(guī)律及設計方法，將使我們受益匪淺。而本次課設在這方面起到極大作用。通過本次課設，學會使用Matlab進行動態(tài)函數(shù)的分析使用，學會對雙閉環(huán)調整系統(tǒng)限幅值采用三種不同方法得到不同結果，最重要的是學會遇到問題時尋找方法解決，從而得到最好的結果。16
《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書直流電動機調速系統(tǒng)設計
