1、电 力 电 子 技 术 课 程 设 计 报 告单相桥式可控整流电路的设计 姓 名 学 号 年 级 专 业 系(院) 指导教师 设计任务一、 设计内容: 1、根据给定参数设计直流电机调速电路。2、根据给定参数设计环式直流电机调速电路,使用模拟电路元件实现环式直流电机调速系统。二、 设计要求: 1、根据设计要求完成系统的稳态参数设计计算、判断系统的稳定性、绘制系统的稳态结构图 。 2、 按工程设计方法设计转速直流调速系统的调节器,选择调节器结构、利用伯德图完成系统动态校正、计算系统的稳定余量 及 GM、计算调节器参数、绘制系统动态结构图。3、 设计采用模拟调节器及 MOSFET 功率器件实现的转速
2、单闭环调速系统,绘制控制电路及主电路电路图。4、 测试单闭环调速系统的 PWM 驱动信号波形、PWM 电压波形、电机电流波形、转速反馈波形和直流电动机转速及控制电路各单元的相关波形。提交完整的直流电动机转速单闭环、转速电流双环闭环调速系统设计、测试报告书。三、 设计参数:1、直流电动机参数:P N=20W、U N=24V、I N=1.5A、n N=3000r/min、电枢电阻 Ra=1.8电枢电感 La=9.76mH、GD 2=16.68Ncm2、Tm=35ms2、 测速发电机参数:U n=80V,n N=3000r/min,P N=16W,I N=200mA,负载电阻 R=4003、PWM
3、主电路:驱动频率 f100kHz,R=2.7+1.8=4.54、设计指标:转速电流双闭环直流调速系统:U *n=10V,U im=10V,I dm=1.5IN, i5%, n10%。直流电机调速电路的设计一、直流调速电路的组成及其静态结构图1、直流调速系统的组成直流电机调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。从扩大调速范围的角度来看, 单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。但是, 任何调速系统总是需要启动与停车的, 从电机能承受的过载电流有一定限制来看, 要求启动电流的峰值不要超过允许数值。为达到这个目的,
4、采用电流截止负反馈的系统, 它能得到启动电流波形, 见图2-1中实线所示。波形的峰值正好达到直流电动机所允许的最大冲击电流 , 其启动时间为 。dmI1t图2-1 带有截止负反馈系统启动电流波形实际的调速系统, 除要求对转速进行调整外, 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求, 例如可逆轧钢, 龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的, 为了提高生产率, 要求尽量缩短过渡过程的时间。从图 2.1 启动电流变化的波形可以看到, 电流只在很短的时间内就达到了最大允许值 , 而其他时间的电流均小于此值, 可见在启动过程中,电机的dmI过载能力并没有充分利用。如果能使启动电流按虚线的形状变化, 充分
5、利用电动机的过载能力, 使电机一直在较大的加速转矩下启动, 启动时间就会大大缩短, 只要 就够了。上2t述设想提出一个理想的启动过程曲线, 其特点是在电机启动时, 启动电流很快加大到允许过载能力值 , 并且保持不变, 在这个条件下, 转速 得到线性增长, 当开到需要的大dmI n小时, 电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流 值,对应这种要求可控硅整流器的fzI电压在启动一开始时应为 , 随着转速 的上升, 也上升, 达到稳定dmIRndmeURCn转速时, 。这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量, 使之维fzeUICn持在电机允许的最大值 , 并保持不变。这就要求一个电流调节器来完
6、成这个任务。带d有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。如下图 2-2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,二者之间实行串级联接,如图 2-2 所示。这就是说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,叫内环;转速调节环在外边,叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能,双闭环调速系统的两个调节器都采用 调节器。采PI用 型的好处是其输出量的稳态值与输入无关,而是由它后面环节的需要决定的。后面PI需要 调节器提供
7、多么大的输出值,它就能提供多少,直到饱和为止。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流 时表现为转速无静差,这时,maxdI转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 后,转速调节器饱和,电流调节器起axdI主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流的自动保护。这就是采用了两个调节器分别形成内、外两个闭环的效果。PI2、稳态结构框图为了分析双闭环调速系统的静特性,必须先绘出它的稳态结构框图,如下图 2-4 所示。电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的 PI 调节器,当输出达到饱和值时,输出量的变化不再影响输出,除非产生反向的输入才能使调节器退出饱和。当输出未达到饱和时,稳态的输入偏差电
8、压总是为零。正常运行时,电流调节器设计成总是不会饱和的,而转速调节器有时运行在饱和输出状态,有时运行在不饱和状态。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征,一般存在两种状况:饱和输出达到限幅值。即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系,相当于使该调节环开环。不饱和输出未达到限幅值。即 PI 的作用使输入偏差电压 在稳态时总为U零。实际上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态的。因此,对于静特性来说,只有调速调节器饱和与不饱和两种状况:(1)转速调节器不饱和:稳态时,他们的输入偏差电压都是零,因此 ,而*0n得到下图 2-5 静特性的 CA 段。(2)转速调节器饱和: 输出达到
9、限幅值 ,转速外环呈开环状态,转速的变化对系*imU统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。稳态时 ,从而得到下图 2-5 静特性的 AB 段。*imddUII这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而,实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大,特别是为了避免零点漂移而采用“准 PI 调节器”时,静特性的两段实际上都 N 略有很小的静差,见图 2-5 的虚线。图 2-5 双闭环直流调速系统的静特性 ASR 主导,表现为转速无静差dmIACR 主导,表现为电流无静差(过电流保护)d二、转速、电流双闭环直流调速系统的动态模型在单闭环直流调速系统动态数学
10、模型的基础上,考虑双闭环控制的结构,即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图,如下图 2-6 所示。图中 WASR(s)和 WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用 PI 调节器,则有双闭环直流调速系统突加给定电压 由静止起动时,转速和电流的动态过程示于下图。nU*由于在起动过程中转速调节器 ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况,整个动态过程就分成图 2-7 中标明的 I、II、III 三个阶段.sKsnASR1)( sKsWiACR1)(三、按工程方法设计双闭环系统调节器图 2-8 双闭环调速系统的动态结构图 T0i 电流反馈滤波时间常数 T0n 转速反馈滤波时间
11、常数 a 电流调节器的作用:(1)作为内环的调节器,在外环转速的调节过程中,它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压(即外环调节器的输出量)变化。(2)对电网电压的波动起及时抗扰的作用。(3)在转速动态过程中,保证获得电机允许的最大电流,从而加快动态过程。(4)当电机过载甚至堵转时,限制电枢电流的最大值,起快速的自动保护作用。一旦故障消失,系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。b 转速调节器的作用:(1)转速调节器是调速系统的主导调节器,它使转速 n 很快地跟随给定电压变化,稳态时可减小转速误差,如果采用 PI 调节器,则可实现无静差。(2)对负载变化起抗扰作用。(3)其输
12、出限幅值决定电机允许的最大电流。1、电流调节器的设计计算1-1 确定时间常数1 流装置滞后时间常数 sT0.sTm10fkHz2 流滤波时间常数 三相桥式电路每个波头的时间是 为了基本滤平波头应有oi 3.ms因此取 。1.ois0.6.06oiTms3 电枢回路电磁时间常数 。9724.5alLHsR4 流环小时间常数之和 。0.16sisoiT1-2 选择电流调节器结构根据设计要求 ,并保证稳态电流误差,可按典型型系统设计电流调节器,电5%i流环控制对象是双惯性的,可用 PI 型电流调节器,传递函数为:(2-3)1iACRksW检查对电源电压的抗扰性能 (2-4)0.213.756ciT参
13、照表 23 的典型型系统动态抗扰性能是可接受的。1-3 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数: 。(2-5)sTli02.电流开环增益:要求 时,取 ,5%i.5IiK电流调节器参数 0.ils电流开环增益:要求 时5i2/100.7e(2-6)IikT24.10s因此 (2-7)1i532.6Ks(2-8)*04.1idNuI于是,ACR 的比例系数为(2-9)31250.4.529IiisKR1-4 校验近似条件电流环截止频率 : 1325sKIci(1) PWM 装置传递函数的近似条件满足近似条件。cis wssT1.01.3(2) 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件(2-10)
14、 cilm ssT127.3690.3.113满足近似条件。(3) 电流环小时间常数近似处理条件(2-11) ciois sssT13.406.01.31满足近似条件。1-5 计算调节器电阻和电容由图 2-9,按所用运算放大器取 ,各电阻和电容值为04RK, 取 02.9416iiRK12,取 3.81CF.8F取 ,0.0Toii 06按照上述参数,电流环可以达到的动态跟随性能指标为 ,满足设计4.3%5i要求。2、转速调节器的设计计算2-1 确定时间常数(1)电流环等效时间常数 1/KI。由前述已知, ,则0.5IiKT(2-12) ssTKiI 032.16.02(2)转速滤波时间常数
15、,根据所用测速发电机纹波情况,取 .on sTon025.(3)转速环小时间常数 。按小时间常数近似处理,取(2-13) ssTonIn 028.5.032.12-2 选择转速调节器结构图 2-9 含滤波环节的 PI 型电流调节器按照设计要求,选用 PI 调节器,其传递函数式为(2-14) (1)nASRKsWs2-3 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则,先取 h=5,则 ASR 的超前时间常数为(2-15) shTn014.28.05则转速环开环增益(2-16)2222 59.6314.1sKnN*0.3min/NUVr可得 ASR 的比例系数为(2-17) (1)64.071.
16、34.72528emnnhCTKR式中 电动势常数 。 (2-18)。rVIUNae min/.0.3.图 2-10 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器2-6 校核转速超调量当 h=5 时,查表 2-6【1】典型 型系统阶跃输入跟随性能指标得, ,不37.6%n能满足设计要求。计算超调量。设理想空载起动时,负载系数 , 已知 , , ,0ZAIN5.1mi/30rnN5.1, , , 。当 时,由附表 6.45.4RrVCemin/071.3mTs28.h查得, 而调速系统开环机械特性的额定稳态速降 %28/maxb(2-22) mnNbbn TZCn *)(2*maxmax调速系统开
17、环机械特性的额定稳态速降 min;/7.9501.4rCRIneN为基准值,对应为额定转速 。*n mi/30rN根据式(2-21)计算得满足设计要求。%125.7.8037.95.1%2.8n1、原理图各部分电路1-1 调制波(电压给定)电路如下图图 2-12 电压给定电路1-2 基波(三角波)产生电路如下图所示图 2-12 基波产生电路1-3 脉冲产生电路如下图所示图 2-13 比较波产生电路1-4 主电路图 2-15 主电路2、测试结果2-1 方波及三角波测试结果图 2-16、UPC45701 端口输出电压波形 图 2-17、UPC45707 端口输出电压 波形2-2 比较器产生波形图
18、2-18、LM311 输出电压波形 图 2-19、调节占空比后的 LM311 输出电压波形图 2-20、74HC08 与门输出电压波形 图 2-21、TD62084 输出端 A+、B-波形元件清单电机调速系统元件表零件名 数量 零件名 数量 零件名 数量UPC4574 1 22 欧电阻 4 0.1uF 电容 7UPC4570 1 300 欧电阻 4 3300pF 电容 174HC08 1 5.1K 欧电阻 4 0.404uF 电容 174HC14 1 10K 欧电阻 3 1000pF 电容 2KM311 2 10K 欧滑动变阻器 1 TD62084 1 12K 欧电阻 1 TLP250 4 2
19、0K 欧电阻 1 2SK2661 4 1.2M 1 五、自我评定设计心得如下:1、 在设计部分。由于课上讲的是晶闸管触发整流电路,PWM 变换器的电路缺少现成的例题可以仿照。在查阅了大量的资料后,并且经过和同学的深刻讨论,课下请教老师后才算出了调节器的参数。通过此次设计我们很好的复习了运动控制系统直流调速部分的内容,对于直流电机的无静差调速有了更深刻的感官上的理解。2、 在实验部分。由于实验室设备的限制,我们用面包板搭制了速度反馈的调速电路,在这个过程中不仅仅是动手能力有了很大的提高,而且对于书本上理论值和现实的效果之间的差距也有了更加深刻的认识。由于时间有限,可以说我们的实验还不算很成功,总
20、结如下:(1) 首先,通过老师的讲解,了解了原理图各部分的功能,对方波发生器、三角波发生器、死区时间一些电路结构有了更深刻的认识。(2) 在试验中我们采取了分部操作,即搭好一块电路,检测一块电路,先是方波的产生,随后是三角波,在三角波这一环节中我们遇到了问题:在老师给定的电容值范围内,积分不够,只能产生梯形波,于是就并联电容,直到产生方波。实际用到的电容比老师给定的最大参考电容大出两个数量级。后来请教老师才知道是面包板接触不良所致。(3) 在搭到反向电路时发现产生的信号并不反向,仔细检查后发现,基波信号和调制波信号给错,调整后正常。(4) 在示波器检测脉冲信号时有许多的尖峰。波形并不完美。参考文献1 陈伯时.运动控制系统.北京:机械工业出版社,20032 樊立萍.电力电子技术.北京:中国林业出版社,20063 王建辉.自动控制原理.北京:清华大学出版社,20074 华成英.模拟电子技术.北京:高等教育出版社,20065 阎石.数字电子技术.北京:清华大学出版社,20076 顾绳谷.电机及拖动基础.北京:机械工业出版社,2007