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自控系统课程设计
课程设计
课程自动控制系统
题目数字式直流脉宽调速系统设计
班级08自Y2
姓名郁鹤群
学号08121334
目录
一、直流脉宽调速系统的概述…………………………………………3
二、根据设计指标进行参数计算………………………………………4
2.1设计指标……………………………………………………4
2.2参数计算……………………………………………………4
2.2.1电流反馈系数β和转速反馈系数α…………………4
2.2.2ACR的设计……………………………………………4
2.2.3ASR的设计……………………………………………5
三、硬件、软件设计…………………………………………………6
3.1系统总体设计方案…………………………………………6
3.2主电路………………………………………………………7
3.3控制电路……………………………………………………8
3.3.1键盘电路设计………………………………………8
3.3.2显示电路设计………………………………………9
3.3.3转速反馈量与单片机的接口设计…………………9
3.4软件…………………………………………………………10
3.4.1主程序设计…………………………………………10
3.4.2键盘、显示程序设计………………………………10
3.5双闭环系统调速组成及原理………………………………11
四、系统仿真分析
4.1MATLAB绘制双闭环系统动态图…………………………..13
4.2MATLAB下仿真运行结果…………………………………..14
五、总结………………………………………………………………18
数字式直流脉宽调速系统
一、直流脉宽调速系统的概述
直流脉宽调速系统是由脉宽调制变换器(简称PWM变换器)对直流电动机电枢供电的自动调速系统。
脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器,其基本原理已在电力电子技术中阐述。
自从全控式电力电子器件问世以来,应用于实践的脉宽调速系统,以它的线路简单,谐波少,损耗小,效率高和静、动态性能好等优势,引发了直流调速领域的一场革命。
将直流PWM调速推广到一般工业应用中取代晶闸管相控式整流器调速有着广阔的前景。
只是由于器件的发展,同时带来交流变压变频调速的更快速发展,使得直流PWM调速还没有来得及完全占领市场,几乎是刚刚兴起,就变成了传统领域。
不过,在一些仍需要使用直流电动机的场合,例如电动叉车、城市无轨电车、地铁机车等,直流PWM调速仍有用武之地。
与V-M系统相比,PWM系统在很多方面有较大的优越性:
(1)主电路线路简单,需用的功率器件少;
(2)开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗及发热都较小;
(3)低速性能好,稳速精度高,调速范围宽,可达1:
10000左右;
(4)若与快速响应的电机配合,则系统频带宽,动态响应快,动态抗扰能力强;
(5)功率开关器件工作在开关状态,导通损耗小,当开关频率适当时,开关损耗也不大,因而装置效率较高;
(6)直流电源采用不控整流时,电网功率因数比相控整流器高。
由于有上述有点,直流PWM调速系统的应用日益广泛,特别是在中、小容量的高动态性能系统中,已经完全取代了V-M系统。
二、根据设计指标进行参数计算
2.1设计指标
直流电动机参数:
PN=20kW,nN=1500r/min,UN=220V,IN=106A,Ra=0.16Ω,R=0.6Ω,Tl=0.02s,Tm=0.24s,Unm=Uim=Ucm=10V,电枢电源采用直流脉宽调制电源供电,系统过载能力1.5,调速范围20,最高转速2000r/min,电流超调量σi≤5%,转速、电流无静差,主电路电力电子器件开关频率f≥1kHz。
2.2参数计算
2.2.1电流反馈系数β和转速反馈系数α
电流反馈系数:
转速反馈系数:
2.2.2ACR的设计
(1)确定时间常数
整流装置滞后时间常数:
电流滤波时间常数:
电流环小时间常数之和:
(2)计算电流调节器参数
根据设计要求σi≤5%,并保证稳态电流无差,可按典型I型系统设计电流调节器。
电流环控制对象是双惯性型的,因此可用PI型电流调节器。
电流调节器超前时间常数:
电流环开环增益:
要求σi≤5%时,查相关表,应取
,此时,阻尼系数ξ=0.707,超调量
。
因此,
于是,ACR的比例系数为:
(3)校验近似条件
电流环截止频率:
1 晶闸管整流装置传递函数的近似条件
满足近似条件。
2 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
满足近似条件。
3 电流环小时间常数近似处理条件
满足近似条件
2.2.3ASR的设计
(1)确定时间常数
电流环等效时间常数:
转速滤波时间常数:
转速环小时间常数:
(2)计算转速调节器参数
按典型II型系统设计转速调节器,可用PI型电流调节器。
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
电势系数:
求得转速环开环增益:
ASR的比例系数:
(3)校验近似条件
转速环截止频率
1电流环化简条件
,满足简化条件
2转速环小时间常数近似处理条件
,满足近似条件
三、硬件设计
3.1系统总体设计方案
微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE用的是直流PWM功率变换器,具体结构图如图3-1所示。
图3-1微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构
(1)主回路
三相交流电源经不可控整流变换为电压恒定的直流电源,再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压,给直流电动机供电。
(2)检测回路
检测回路包括电压、电流、温度和转速检测,其中电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入微机,转速检测用数字测速。
(3)故障综合
对电压、电流、温度等信号进行分析比较,若发生故障立即通知微机,以便及时处理,避免故障进一步扩大。
(4)数字控制器
数字控制器是系统的核心,选用专为电机控制设计的Intel8X196MC系列或TMS320X240系列单片微机。
这种微机芯片本身都带有A/D转换器、通用I/O和通用接口,还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能,可大大简化数字控制系统的硬件电路。
3.2主电路
根据设计的要求,选用MG200Q2YS50型IGBT。
具有如下参数极值:
共射极饱和电压为1200V,栅射极最大额定电压为±20V,集电极功耗(Tc=25ºC)为400W,结温为150ºC,存储温度范围为-40~125ºC。
栅极驱动电压:
IGBT开通时,正向栅极电压的值应该足够令IGBT产生完全饱和,并使通态损耗减至最小,同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。
在任何情况下,开通时的栅极驱动电压,应该在12~20V之间。
当栅极电压为零时,IGBT处于关断状态。
但是,为了保证IGBT在集电极、发射极电压上出dv/dt噪声时仍保持关断,必须在栅极上施加一个反向关断偏压,采用反向偏压还减少了关断损耗。
反向偏压应该在-5~-15V之间。
IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的,因此栅极电阻值将对IGBT的动态特性产生极大的影响。
数值较小的电阻使栅极电容的充放电较快,从而减小开关时间和开关损耗。
为了使单片机发出PWM脉冲信号能够控制IGBT的导通,在中间必须使用一个驱动装置来实现脉冲信号的放大。
本文所设计的驱动电路采用300A,1200V快速型IGBT专用驱动模块EXB841。
该电路的信号延迟时间不超过1,最高开关频率可达40kHz-50kHz,外部只需要提供单电源20V,内部自己产生-5V反偏压。
该模块采用高速光电隔离,射极输出,并且有短路保护及慢速关断功能。
其工作原理如下:
主要有3个工作过程:
正常开通过程、正常关断过程和保护动作过程。
(1)正常开通过程:
当PWM输入信号使光耦导通时,A点电位迅速下降至0V,使VT1、VT2截止,D点电位上升至20V,VT4导通,VT5截止,EXB841通过VT4及栅极由电阻RG向IGBT提供电流,使之迅速导通。
与此同时,VT1截止。
+20V电源通过R3向电容C2充电,由于IGBT约1µs内已导通,VCE管压降约3V左右,从而将EXB841的6脚电位保持VD7-VCE-VST2的串联电压约8V,稳压管VST1的稳压值为13V,在IGBT导通过程中无法导通,于是VT3不通,E点电位较高,VD6截止,不影响VT4与VT5的正常工作。
(2)正常关断过程:
当光耦无输入信号时,A点电位上升,使VT1、VT2导通,VT4截止,VT5导通,使3脚电位下降,IGBT关断。
关断时管压降VCE迅速上升,使VD7截止,6脚悬空,又由于VT1导通,C2通过VT1将B、C两点的电压篏在0V,VT3仍不通,IGBT正常关断。
(3)保护动作过程:
设在IGBT正常导通时发生短路现象,则由于主电流很大IGBT将退出饱和,VCE立即上升,6脚悬空,6脚电位不再篏位为8V,电容C2上的电压就立即上升,当充电电压高于13V时VT3开始导通,VT3导通C4放电,E点电位逐渐下降,慢慢关断IGBT,同时5脚上输出低电平作为过流报警输出。
3.3控制电路
3.3.1键盘电路设计
本次设计采用4×4键盘,因此,电路图可以设计成如图3-3所示。
由图中可知,P2的高4位连接4×4键盘的Y3、Y2、Y1及Y0,P2的低4位连接4×4键盘的X3、X2、X1及X0。
图3-3键盘电路
3.3.2显示电路设计
本次设计要求8位显示,因此使用两个4位数的7段LED数码显示模块,连接成8位数字的显示电路,再使用74138和7447进行译码,具体的电路图如图3-4所示。
图3-4显示电路
3.3.3转速反馈量与单片机的接口设计
直流测速发电机的输出是一个模拟量,当它与单片机接时,必须经过A/D转换。
现在,有许多单片机内部集成了A/D转换器,它们大多具有8~12位的转换精度。
因此,如果这样的转换精度能满足要求,就没有必要再外接A/D转换器。
本设计采用了AT89C51单片机,直流测速发电机与单片机的接口如图4-6所示。
图3-5直流测速发电机与单片机的接口
它内部集成有12位8通道的A/D转换器,以及2.43V内部参考电压,因此A/D转换可以全部在片内完成。
直流测速发电机安装在被测电动机轴上,以与被测电动机相同的转速旋转。
测速发电机的输出电压通过R2和C1组成的滤波环节后,滤去测速发电机输出的纹波,使之到达电位器Rw两端的电压是稳定的直流电压。
调整Rw的位置,使测速发电机在最大转速时,抽头所获得的电压为2.4V。
R1用于限流。
3.4软件
3.4.1主程序设计
主程序完成实时性不高的功能,完成系统初始化后,实现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其他外设通信等功能。
主程序框图如图3-6所示。
图3-7主程序框图
3.4.2键盘、显示子程序设计
键盘和显示的具体程序如下:
键盘子程序:
ORG0
START:
MOVR0,#0
MOVR1,#4
MOVR2,#EFH
SCAN:
MOVA,R2
MOVP2,A
JNBP2.0,KEYIN
INCR0
JNBP2.1,KEYIN
INCR0
JNBP2.2,KEYIN
INCR0
JNBP2.3,KEYIN
INCR0
MOVA,R2
RLA
MOVR2,A
DJNZR1,SCAN
JMPSTART
KEYIN:
CALLDEBOUNCE
MOVA,R0
DAA
MOVP1,A
JMPSTART
DEBOUNCE:
MOVR7,#40
D1:
MOVR6,#200
DJNZR6,$
DJNZR7,D1
RET
END
显示子程序:
ORG0
START:
MOVP1,#10H
CALLDELAY
MOVP1,#11H
CALLDELAY
MOVP1,#12H
CALLDELAY
MOVP1,#13H
CALLDELAY
MOVP1,#14H
3.5双闭环系统调速系统组成及原理
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,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。
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。
四、系统仿真分析
4.1MATLAB绘制双闭环系统动态结构图
4.2MATLAB下仿真运行结果
五、总结
在这次的自动控制系统的课程设计中,我翻阅了大量的资料进行学习巩固,让我对这门课有了新的认识,更进一步的掌握了解。
另外,这个过程不只是让我加强了对自动控制系统这门课程的深入学习,并且让我对其他几门课程也有了很大进一步的学习认识,例如自动控制系统、单片机,智能仪表等等。
在计算参数的时候首先根据教材中的例题进行参数计算,加以适当的修改,最终得到了很适当的参数值,验证理论与实践的结合。
在设计硬件的时候,我结合了电力电子技术的知识,来进行器件的选择、电路的设计。
在设计软件的时候,结合了单片机的知识,来编写程序。
总之,这次课程设计使我所获颇多。
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