1、武汉工程大学课程设计运动控制系统课程设计说明书题 目： PWM 可逆直流调速系统设计 专业班级： 电气工程及其自动化 02 班 2013 年 6 月 21 日至 7 月 2 日武汉工程大学课程设计转速电流双闭环控制 PWM可逆直流调速系统的设计Current double closed loop speed control PWM reversible dc speed control system design学 生 姓 名 : 丁 俊 成 指 导 教 师 : 文 小 玲 王 振 武汉工程大学课程设计课程设计量化评分标准 指标 分值 评分要素 得分设计完成情况 30能独立查阅文献资料，提出并
2、较好地论述课题的实施方案；设计方案选择合理，分析、设计正确，原理清楚；独立进行设计工作，按期圆满完成规定的任务，设计结果达到预期效果，有实用价值。报告质量 20报告结构严谨，逻辑严密，论述层次清晰，语言流畅，表达准确，重点突出，报告完全符合规范化要求。工作量、工作态度 20工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。答辩成绩 30思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；分析归纳合理，结论严谨；回答问题有理论根据，基本概念清楚。总 评 成 绩武汉工程大学课程设计答辩记录答辩时间： 答辩地点：武汉工程大学课程设计摘 要直流调速系统是自动调速系统的主要形式，它具有良好的起、制动性
3、能，可以在较宽的调速范围内实现平滑调速，较快的零动态响应过程，并且低速运转时力矩大这些极好的运行性能和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据着重要地位。从市场的角度来看，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。所以在直流调速系统电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了 PWM 双闭环可逆直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。在理论分析和仿真研究的基础上，设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、锯齿波产生电路、基准电源、转速调节电路、电流调节器电路、PWM 波生成电路、桥式可逆
4、直流脉宽系列电路及转速检测电路的具体实现。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用 MATLAB 中的 Simulink 对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。 关键词：双闭环可逆直流调速系统；H 桥驱动电路；PWM 控制；模拟调节器；MATLAB I武汉工程大学课程设计Abstract DC speed control system is the main form of the automatic speed regulation system,it has a good starting and brake performance,c
5、an be in a wider range of speed regulation of smooth realized in speed,fast dynamic response process,and low speed running torque these excellent performance and control characteristic,but for a long time,DC speed control system has been occupies an important position. From a market perspective,DC s
6、peed control system in theory and practice are more mature, from the point of view of the control technology,it is the foundation of ac speed adjustment system.So in dc speed control system in electric transmission won the widely used. This article from the working principle of dc machines,a PWM dou
7、ble closed loop reversible dc speed control system,and the mathematical model of detailed analysis of system principle and the static and dynamic performance. In the theory analysis and simulation research,and on the basis of design a set of experiments with double closed loop dc speed control syste
8、m,detailed introduces system main circuit,sawtooth wave produces circuit,benchmark power supply, rotate speed adjustment circuit,current regulator circuit,PWM waves generated circuit,bridge type reversible dc speed pulse width series circuitand the realization of a detection circuit. Then according
9、to automatic control theory,double closed loop speed regulation system,the design parameters of analysis and calculation,the use of MATLAB of Simulink of the system parameters to the set of the simulation,through the simulation won the parameters setting the basis. Keywords: Double closed-loop irrev
10、ersible dc speed regulating system; H bridge driver circuit; PWM control ；Simulation regulator; MATLAB；目 录1 绪论 .11.1 选题背景与意义 .11.2 课题研究意义 .21.3 设计任务和要求 .32系统组成及基本原理 .52.1 直流调速系统的调速原理 .52.2 双闭环调速的过程和工作原理 .62.3 双闭环直流调速系统的组成 .72.4 主电路图 .72.5 H 桥可逆 PWM 变换器 .92.6 保护电路 .113设计内容 .123.1 设计目的 .123.2 系统过流过压产生
11、的主要原因 .123.3 方案的论证 .123.4 过电流保护电路及工作原理 .133.5 电路结构元器件的选择 .133.6 参数的计算及电阻的选取 .173.7 元器件清单 .183.8 电路特点 .184总 结 .195参考文献 .20武汉工程大学课程设计11 绪论直流调速系统具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论和实践上都比较成熟，而且基于以上优点，直流调速系统的研究依然有很大的现实意义。1.
12、1 选题背景与意义直流传动具有良好的调速特性和转矩控制性能，在工业生产中应用较早并沿用至今。早期直流传动采用有接点控制，通过开关设备切换直流电动机电枢（直流电机电枢为转子）或磁场回路电阻实现有级调速（有级调速说白了就是挂挡） 。1930 年以后出现电机放大器控制的旋转交流机组供电给直流电动机（由交流电动机 M 和直流发电机 G 构成，简称 GM 系统） ，以后又出现了磁放大器和汞弧整流器供电等，实现了直流传动的无接点控制。其特点是利用了直流电动机的转速与输入电压有着简单的比例关系的原理，通过调节直流发电机的励磁电流或汞弧整流器的触发相位来获得可变的直流电压供给直流电动机，从而方便地实现调速。但
13、这种调速方法后来被晶闸管可控整流器供电的直流调速系统所取代，至今已不再使用。1957 年晶闸管问世后，采用晶闸管相控装置的可变直流电源一直在直流传动中占主导地位。由于电力电子技术与器件的进步和晶闸管系统具有的良好动态性能，使直流调速系统的快速性、可靠性和经济性不断提高，在 20 世纪相当长的一段时间内成为调速传动的主流。正在逐步推广应用的微机控制的全数字直流调速系统具有高精度、宽范围的调速控制，代表着直流电气传动的发展方向。直流传动之所以经历多年发展仍在工业生产中得到广泛应用，关键在于它能以简单的手段达到较高的性能指标。自 19 世纪 80 年代起至 19 世纪末以前，工业上传动所用的电动机一
14、直以直流电动机为唯一方式。到了 19 世纪末，出现了三相电源和结构简单，坚固耐用的交流笼型电动机以后，交流电动机传动在不调速的场合才代替了直流电动机传动装置。然而，随着生产的不断发展，调速对变速传动装置是一项基本的要求，现代应用的许多变速传动系统，在满足一定的调速范围和连续（无级）调速的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的武汉工程大学课程设计2瞬态性能。虽然直流电动机可以满足这些要求，但由于直流电动机在容量、体积、重量、成本、制造和运行维护方面都不及交流电动机，所以长期以来人们一直渴望开发出交流调速电动机代替直流电动机。随着电力电子学与电子技术的发展，特别是电力半导体器件的发展，使得采用半导体
15、变流技术的交流调速系统得以实现。尤其是 70 年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电力拖动系统的发展创造了有利条件，促进了各种类型交流调速系统：如串级调速系统，变频调速系统，无换向器电动机调速系统以及矢量控制调速系统等的飞速发展。1.2 课题研究意义转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。首先，应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；然后，在建立该系
16、统动态数学模型的基础上，从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；第三，研究一般调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正方法相比，得出该设计方法的优点，即计算简便、应用方便、容易掌握；第四，应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题等等。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化，其主要特点是：常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构，减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障，而且维修方便
17、；动态参数调整方便；系统可以方便的设计监控、故障自诊断、故障自动复原程序，以提高系统的可靠性；可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能；可采用数字反馈来提高系统的精度；容易与上一级计算机交换信息；具有信息存储、数据通信的功能；成本较低。而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，又是交流调速系统的基础，因此，应首先着重研究直流调速系统，这样才可在掌握调速系统的基本理论下更好的对交流调速系统进行研究和探索。通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论武汉工程大学课程设计3及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系
18、统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。1.3 设计任务和要求 1题目：PWM 可逆直流调速系统的设计2要求设计一个转速、电流双闭环控制 PWM 可逆直流调速系统。 电动机控制电源采用 H型 PWM 功率放大器，其占空比变化为 00.51 时，对应输出电压为-264V0264V，为电机提供最大电流 25A。速度检测采用光电编码器（光电脉冲信号发生器） ，且其输出的 A、B 两相脉冲经光电隔离辩相后获得每转 1024 个脉冲角度分辨力和方向信号
19、。电流传感器采用霍尔电流传感器，其原副边电流比为 1000：1，额定电流 50A。已知：（1）直流电动机：P N = 3 kW，n N = 1500 r/min，U N = 220 V，I N = 17.3 A，电枢回路总电阻 R=2.5，电磁时间常数 Tl=0.017s，机电时间常数 Tm=0.076s，电动势系数 Ce=0.1352V/（r.min -1 )；（2）H 型 PWM 功率变换器：工作频率为 2kHz，采用单极性/ 双极性工作方式；（3）直流电源电压：264V；（4）主要技术指标：调速范围为 0-1500 r/min， 电流过载倍数为 1.5 倍，速度控制精度 0.1% （额定转速时） 。3内容（1）完成系统理论与仿真分析1）进行系统参数计算，完成转速、电流调节器的结构和参数设计；2）利用 Matlab/Simulink 建立系统的仿真模型，对整个调速系统的动态性能（给定
