1、.電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 專 題： 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 電工電子實(shí)驗(yàn)中心 2012 年 6 月課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)年級(jí) 學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 任務(wù)下達(dá)日期：2012年6月5日設(shè)計(jì)日期： 2012年6月11日 至 2012年6月28日設(shè)計(jì)專題題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求：直流調(diào)速系統(tǒng)憑借其優(yōu)良的調(diào)速性能在現(xiàn)場(chǎng)中得到了廣泛使用，雖然交流電機(jī)得到了越來越多的使用，但直流調(diào)速系統(tǒng)的理論完全適用于交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)附錄中提供的直流電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。要求該直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、起制動(dòng)性能好、可四象

2、限運(yùn)行，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。1. 緒論介紹直流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及直流調(diào)速理論的發(fā)展。2. 直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)(1) 主電路采用的是：基于H橋的脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)；(2) 根據(jù)附錄中所提供的直流電機(jī)參數(shù)，對(duì)主電路中的功率器件進(jìn)行型號(hào)選擇，要求給出選擇依據(jù)；(3) 給出全控型器件IGBT驅(qū)動(dòng)電路的原理圖，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的原理簡(jiǎn)要說明；(3) 根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選擇相應(yīng)的電壓、電流和溫度等傳感器，要求給出具體型號(hào)；(4) 要求在主回路設(shè)計(jì)中需給出相應(yīng)的保護(hù)及緩沖電路。3. 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制理論(1) 給出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖；(2) 根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)和主回路參數(shù)，確定動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的

3、具體參數(shù)；(3) 運(yùn)用工程化設(shè)計(jì)方法對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，要求必須給出限幅的具體參數(shù)及依據(jù)；(4) 根據(jù)設(shè)計(jì)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，要求給出帶有內(nèi)外限幅的PI調(diào)節(jié)器的模擬量電路圖；(5) 給出直流調(diào)速系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)框圖。4. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真(1) 根據(jù)上述雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，建立Matlab仿真模型，并對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證；(2) 運(yùn)用Matlab/Simulink下的電機(jī)模型，建立基于電機(jī)模型的仿真模型，并對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作出調(diào)整。5. 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)(可選)(1) 硬件設(shè)計(jì)：根據(jù)所選數(shù)字處理器，進(jìn)行相應(yīng)硬件電路的設(shè)計(jì)，要求包括PWM輸

4、出、AD采樣及信號(hào)處理電路、編碼器接口等；(2) 軟件設(shè)計(jì)：給出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的整體控制流程圖，并給出增量式PI調(diào)節(jié)器、數(shù)字測(cè)速的程序流程框圖。指導(dǎo)教師簽字：日 期：摘 要本設(shè)計(jì)通過分析直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖。同時(shí)，采用工程設(shè)計(jì)的方法對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后將整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。遵從確定時(shí)間常數(shù)、選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、校驗(yàn)近似條件的步驟一步一步的實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)。之后，再對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)過程進(jìn)行分析，以了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。最后用Matlab 軟件中的simuli

5、nk 模塊對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，得出仿真波形。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)，晶閘管，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器，Simulink.目 錄1. 設(shè)計(jì)目的、任務(wù)及要求11.1 課程設(shè)計(jì)的目的11.2課程設(shè)計(jì)任務(wù)11.3課程設(shè)計(jì)的要求12.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)22.1具有代表性的直流調(diào)速產(chǎn)品22.1.1產(chǎn)品介紹22.1.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)22.2主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇32.2.1直流調(diào)速系統(tǒng)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)42.3數(shù)字處理器的選擇42.3.1數(shù)字處理器的概要42.3.2產(chǎn)品的特征52.3.3 芯片管腳圖52.3.4 NJU26060-03A原理圖63.直流調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)63.1 轉(zhuǎn)速給定電路設(shè)計(jì)73.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

6、73.3 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)83.4 整流及晶閘管保護(hù)電路設(shè)計(jì)83.4.1 過電壓保護(hù)和du/dt限制93.4.2 過電流保護(hù)和di/dt限制93.4.3 整流電路參數(shù)計(jì)算103.5電源設(shè)計(jì)113.6 控制電路設(shè)計(jì)123.7參數(shù)計(jì)算133.7.1確定時(shí)間常數(shù)133.7.2選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)143.7.3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)143.8 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)153.8.1確定時(shí)間153.8.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)153.8.3計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)153.9工程化校驗(yàn)及限幅153.9.1電流校驗(yàn)環(huán)節(jié)及限幅153.9.2電壓校驗(yàn)環(huán)節(jié)及限幅163.10檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量174 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真175

7、 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)205.1硬件設(shè)計(jì)205.2軟件設(shè)計(jì)215.2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的整體控制流程圖215.2.2數(shù)字控制器PI 的程序流程框圖216 個(gè)人小結(jié)23參考文獻(xiàn)24附錄25.1. 設(shè)計(jì)目的、任務(wù)及要求1.1 課程設(shè)計(jì)的目的課程設(shè)計(jì)是教學(xué)計(jì)劃規(guī)定的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是一個(gè)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的過程。本課程設(shè)計(jì)不僅需要控制理論、程序設(shè)計(jì)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，而且還需要具備一定的生產(chǎn)工藝知識(shí)。設(shè)計(jì)包括確定控制任務(wù)、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制軟件的設(shè)計(jì)等，以便使學(xué)生掌握微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路和方法。1.2課程設(shè)計(jì)任務(wù)試設(shè)計(jì)一雙閉環(huán)V-M直流調(diào)速系統(tǒng)。采用三相橋式全控整流電路，

8、二次相電壓有效值。已知直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：Pe=3.7kW，Ue=220V，Ie=20A，ne=1000r/min，主回路總電阻等于電樞繞組電阻，即=1.5，電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)TL=0.018s，系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.080s，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)C=0.206/（r.min-1），轉(zhuǎn)速和電流給定電壓最大值分別為 。1.3課程設(shè)計(jì)的要求 直流調(diào)速系統(tǒng)憑借其優(yōu)良的調(diào)速性能在現(xiàn)場(chǎng)中得到了廣泛使用，雖然交流電機(jī)得到了越來越多的使用，但直流調(diào)速系統(tǒng)的理論完全適用于交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)附錄中提供的直流電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。要求該直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、起制動(dòng)性能好、可四象限運(yùn)行。按工程

9、設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，要求調(diào)速系統(tǒng)的電流超調(diào)量5，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量10%其過渡過程時(shí)間Ts=0.5s，堵轉(zhuǎn)電流Idbl=2.0Ie，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1具有代表性的直流調(diào)速產(chǎn)品 SIMOREG DC-MASTER 6RA702.1.1產(chǎn)品介紹最新推出的SIMOREG DC Master 6RA70 系列全數(shù)字直流調(diào)速產(chǎn)品，在6RA24 產(chǎn)品的基礎(chǔ)上更具有以下特點(diǎn): 1. 單臺(tái)裝置輸出額定電樞電流: 15A3000A，額定勵(lì)磁電流: 3A85A。裝置并聯(lián)后輸出額定電樞電流可達(dá)12000A。2. 輸入電壓分為6 個(gè)等級(jí): 400V/460V/575V/690V/830V/

10、950V。3. 強(qiáng)大的通訊能力。有SIMOLINK 高速直接的裝置-裝置通訊，還可支持PROFIBUS、CAN-BUS、DeviceNet、USS 協(xié)議等。4. 所有工藝板，通訊板及OP1S 操作面板都可與新一代的SIMOVERT MASTERDRIVES 矢量控制交流調(diào)速產(chǎn)品通用。2.1.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)6RA70 SIMOREG DC MASTER 系列整流器以其緊湊和節(jié)省空間的結(jié)構(gòu)為特色，由于各個(gè)的部件容易接近，其緊湊式設(shè)計(jì)使他們特別容易保養(yǎng)與維護(hù)，電子板箱包含基本電子板和任何附加板。所有SIMOREG DC MASTER 裝置均配備一個(gè)安裝在整流器門上的簡(jiǎn)易操作面板PMU，面板由一個(gè)5位，

11、7 段顯示，作為狀態(tài)顯示三個(gè)LED 和三個(gè)參數(shù)設(shè)置鍵組成。PMU 還具有根據(jù)RS232 或RS485標(biāo)準(zhǔn)同USS 接口的連接器X300。操作面板提供了為了啟動(dòng)整流器所需進(jìn)行的調(diào)整和設(shè)定及測(cè)量值顯示的所有工具。OP1S 整流器選件操作面板既可以安裝在整流器門上，又可外部安裝，例如在柜門上。因此，他可以通過一根5 米長(zhǎng)電纜連接。如果有一個(gè)獨(dú)立的5V 電源可以使用，則電纜可長(zhǎng)至50 米。OP1S 通過X300 連接到SIMOREG。OP1S 可以作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)的測(cè)量?jī)x器安裝在控制柜，用來顯示一定數(shù)量的物理測(cè)量值。OP1S 提供一個(gè)4 16 字符的LCD 以簡(jiǎn)單文字顯示參數(shù)名稱，可以選擇德語(yǔ)，英語(yǔ)，法語(yǔ)

12、，西班牙語(yǔ)和意大利語(yǔ)作為顯示語(yǔ)種。為了容易地下載參數(shù)到其他裝置，OP1S 可以存儲(chǔ)參數(shù)組。通過基本單元上的串行接口，應(yīng)用適當(dāng)?shù)能浖瑯?biāo)準(zhǔn)的PC 機(jī)也可以對(duì)整流器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。這個(gè)PC接口可用在啟動(dòng)、停機(jī)維護(hù)和運(yùn)行診斷過程中。此外，整流器的軟件升級(jí)可通過這個(gè)接口，裝載存儲(chǔ)到閃存中。單象限工作的整流器，電樞由三相全控橋B6C 供電，四象限工作整流器通過兩個(gè)三相全控橋(B6)A(B6)C 無(wú)環(huán)流反并聯(lián)連接電路供電。勵(lì)磁供電采用2 脈沖單相半控橋方案B2HZ。電樞和勵(lì)磁的供電頻率可以不相同(在4565Hz 范圍之內(nèi))，工作在擴(kuò)大的頻率范圍23Hz110Hz 需詢問。電樞回路的供電相序不要求。對(duì)于額定直

13、流電流為15850A(在400V 電源電壓時(shí)1200A)的整流器，電樞和勵(lì)磁的功率單元采用獨(dú)立晶閘管模塊結(jié)構(gòu)，散熱器是絕緣的。對(duì)于高于上述額定電流的整流器，電樞回路的功率單元由平板式晶閘管和散熱器構(gòu)成(晶閘管組件)，其外部是帶電的。機(jī)箱和電源聯(lián)接處的端子蓋為在附近工作的操作人員提供意外觸電保護(hù)，所有的接線均位于正面。功率單元的冷卻系統(tǒng)通過溫度傳感器來監(jiān)控。進(jìn)線電壓為460V 的裝置的特點(diǎn) 該系列裝置額定直流電流為30A1200A. 額定直流電流為450A1200A 的裝置用一臺(tái)單相風(fēng)機(jī)。 額定直流電流為60A850A 的裝置功率端子在裝置的下部和頂部。按UL 508C 標(biāo)準(zhǔn)將SIMOREG 裝

14、置安裝在柜中 當(dāng)裝置裝入一個(gè)柜(外殼)中，柜體必須通風(fēng)且設(shè)計(jì)為“1 型”。 柜體(外殼)最小尺寸為600mm(寬) 600mm(深) 2200mm(高)。2.2主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇 三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動(dòng)機(jī)供電。檢測(cè)回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測(cè)，轉(zhuǎn)速檢測(cè)用數(shù)字測(cè)速。微機(jī)控制具備故障檢測(cè)功能，對(duì)電壓、電流、溫度等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。一般選用專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的單片微機(jī)，配以顯示、鍵盤等外圍電路，通過通信接口與上位機(jī)或其他外設(shè)交換數(shù)據(jù)。 2.2.1直流調(diào)速系統(tǒng)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理

15、圖2.3數(shù)字處理器的選擇 數(shù)字處理器，又稱為音頻處理器。數(shù)字處理器就是對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，其內(nèi)部的構(gòu)普遍是由輸入部分和輸出部分組成，其中屬于音頻處理部分的功能一般如下：輸入部分一般會(huì)包括，輸入增益控制（INPUTGAIN），輸入均衡（若干段參數(shù)均衡）調(diào)節(jié)（INPUT EQ),輸入端延時(shí)調(diào)節(jié)（INPUT DELAY)，輸入極性（也就是大家說的相位）轉(zhuǎn)換（input polarity)等功能。而輸出部分一般有信號(hào)輸入分配路由選擇（ROUNT)，高通濾波器(HPF），低通濾波器（LPF），均衡器(OUTPUTEQ），極性（polarity），增益（GAIN），延時(shí)（DELAY），限幅器啟動(dòng)電平（LIM

16、IT）等功能。2.3.1數(shù)字處理器的概要產(chǎn)品名稱：NJU26060-03A功能名稱：PWM輸出的數(shù)字信號(hào)處理器 NJU26060-03A是搭載有采樣率轉(zhuǎn)換器(SRC)、PWM 調(diào)制器，作為聲音處理的24bit DSP。此DSP具有SRS音響技術(shù)的TruVolume和WOW HD功能，并通過TruVolume能夠進(jìn)行自然的動(dòng)態(tài)范圍壓縮，通過WOW HD能夠獲得有臨場(chǎng)感的3D音響效果。NJU26060-03A最適合于揚(yáng)聲器系統(tǒng)、組合音響、電視等有立體聲輸出的音響設(shè)備。2.3.2產(chǎn)品的特征硬件24bit固定小數(shù)點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)處理器外部時(shí)鐘頻率 (內(nèi)置24.576MHz、 PLL)采樣率轉(zhuǎn)換器(SRC)

17、 (Fs=8kHz192kHz 48kHz)PWM調(diào)制器 (4ch（立體聲2系統(tǒng)）輸出)數(shù)字接口發(fā)射器(DIT) (1端口輸出)數(shù)字音頻接口 (3輸入端口、2輸出端口(由PWM輸出來切換)數(shù)字音頻格式 (I2S 24bit、對(duì)應(yīng)左對(duì)齊和右對(duì)齊、BCK：32/64fs)對(duì)應(yīng)主/從模式 (采樣率轉(zhuǎn)換器：從屬工作/DSP：主工作(fs=48kHz)主接口 (I2C總線接口(Fast-mode/400kbps)工作電源 (3.3V)輸入端子容許電壓 (承受5V電壓)封裝 (SSOP44(Pb-Free)軟件SRS TruVolumeSRS WOW HD主音量看門狗時(shí)鐘輸出2.3.3 芯片管腳圖 NJU

18、26060-03A管腳圖 2.3.4 NJU26060-03A原理圖 NJU26060-03A原理圖3.直流調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)主電路就是在電力電子裝置中，起到能量變換和傳遞作用的部分。它具有高電壓、大電流的特點(diǎn)。3.1 轉(zhuǎn)速給定電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速給定電路主要由滑動(dòng)變阻器構(gòu)成，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器即可獲得相應(yīng)大小的給定信號(hào)。轉(zhuǎn)速給定電路可以產(chǎn)生幅值可調(diào)和極性可變的階躍給定電壓或可平滑調(diào)節(jié)的給定電壓。其電路原理圖如圖3.1所示。 圖3.1 轉(zhuǎn)速給定電路原理圖3.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號(hào)，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要

19、由測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸連接，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖3.2所示。 圖3.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路原理圖3.3 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)電流檢測(cè)電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，經(jīng)過濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。該電路主要由電流互感器構(gòu)成，將電流互感器接于主電路中，在輸出端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，起到電氣隔離的作用。其電路原理圖如圖3.3所示。 圖3.3 電流檢測(cè)電路原理圖3.4 整流及晶閘管保護(hù)電路設(shè)計(jì)整流電路如圖3.4所示，在整流電路中主要是晶閘管的保護(hù)問題。晶閘管具有許多

20、優(yōu)點(diǎn)，但它屬于半導(dǎo)體器件，因此具有半導(dǎo)體器件共有的弱點(diǎn)，承受過電壓和過電流的能力差，很短時(shí)間的過電壓和過電流就會(huì)造成元件的損壞。為了使晶閘管裝置能長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，除了合理選擇元件外，還須針對(duì)元件工作的條件設(shè)置恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。晶閘管主要需要四種保護(hù)：過電壓保護(hù)和du/dt限制，過電流保護(hù)和di/dt限制。 圖3.4 整流電路及晶閘管保護(hù)電路3.4.1 過電壓保護(hù)和du/dt限制凡是超過晶閘管正常工作是承受的最大峰值電壓的都算過電壓。產(chǎn)生過壓的原因是電路中電感元件聚集的能量驟然釋放或是外界侵入電路的大量電荷累積。按過壓保護(hù)的部位來分，有交流側(cè)保護(hù)，直流側(cè)保護(hù)和元件保護(hù)。元件保護(hù)主要是通過阻容吸收電路

21、，連線如圖4.4所示。阻容吸收電路的參數(shù)計(jì)算式根據(jù)變壓器鐵芯磁場(chǎng)釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為電容器電場(chǎng)的能量存儲(chǔ)起來為依據(jù)的。由于電容兩端的電壓不能突變，所以可以有效的抑制尖峰過電壓。串阻的目的是為了在能量轉(zhuǎn)化過程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振蕩。3.4.2 過電流保護(hù)和di/dt限制由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時(shí)，溫度就會(huì)急劇上升可能燒壞PN結(jié)，造成元件內(nèi)部短路或開路。晶閘管發(fā)生過電流的原因主要有：負(fù)載端過載或短路；某個(gè)晶閘管被擊穿短路，造成其他元件的過電流；觸發(fā)電路工作不正?；蚴芨蓴_，使晶閘管誤觸發(fā)，引起過電流。晶閘管允許在短時(shí)間內(nèi)承受一定的過電流，所以過電流保護(hù)作用就在于當(dāng)過

22、電流發(fā)生時(shí)，在允許的時(shí)間內(nèi)將過電流切斷，以防止元件損壞。晶閘管過電流的保護(hù)措施有下列幾種：1.快速熔斷器 普通熔斷絲由于熔斷時(shí)間長(zhǎng)，用來保護(hù)晶閘管很可能在晶閘管燒壞之后熔斷器還沒有熔斷，這樣就起不了保護(hù)作用。因此必須采用專用于保護(hù)晶閘管的快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔玫氖倾y質(zhì)熔絲，在同樣的過電流倍數(shù)下，它可以在晶閘管損壞之前熔斷，這是晶閘管過電流保護(hù)的主要措施。2.硒堆保護(hù) 硒堆是一種非線性電阻元件，具有較陡的反向特性。當(dāng)硒堆上電壓超過某一數(shù)值后，它的電阻迅速減小，而且可以通過較大的電流，把過電壓的能量消耗在非線性電阻上，而硒堆并不損壞。硒堆可以單獨(dú)使用，也可以和阻容元件并聯(lián)使用。本系統(tǒng)采用快速熔斷

23、器對(duì)可控硅進(jìn)行過流保護(hù)。3.4.3 整流電路參數(shù)計(jì)算(1)的計(jì)算負(fù)載要求的整流電路輸出的最大值；晶閘管正向壓降，其數(shù)值為0.41.2V，通常??；n主電路中電流回路晶閘管的個(gè)數(shù)；A理想情況下時(shí)，整流輸出電壓與變壓器二次側(cè)相電壓之比；C線路接線方式系數(shù)；電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，通常??；最小控制角，通常不可逆取；變壓器短路電壓比，100Kv以下的取；變壓器二次側(cè)實(shí)際工作電流額定電流之比；已知，取、，查表得，取,查表得代入上式得：，應(yīng)用式，查表得，取，取，電壓比 （2）一次和二次向電流和的計(jì)算由式得 ，由表得 ，考慮勵(lì)磁電流和變壓器的變比K，根據(jù)以上兩式得：（3）變壓器的容量計(jì)算(4)晶閘管參數(shù)選擇由整流輸

24、出電壓，進(jìn)線線電壓為100V，晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器二次線電壓的電壓峰值，即：，晶閘管承受的最大正向電壓是線電壓的一半，即：。考慮安全裕量，選擇電壓裕量為2倍關(guān)系，電流裕量為1.5倍關(guān)系，所以晶閘管的額定容量參數(shù)選擇為：3.5電源設(shè)計(jì)該模塊的主要功能是為轉(zhuǎn)速給定電路提供電源，眾所周知，電源是一切電路的心臟，其性能在很大程度上影響著整個(gè)電路的性能。為使系統(tǒng)很好的工作，本文特設(shè)計(jì)一款15V的直流穩(wěn)壓電源供電，其電路圖如圖3.5所示。直流穩(wěn)壓電源主要由兩部分組成：整流電路和濾波電路。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)ㄗ饔?，因此二極管是組成整流電路的關(guān)

25、鍵元件。在小功率（1KW）整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計(jì)采用橋式整流電路，其主要特點(diǎn)如下：輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，電源變壓器充分利用，效率高。 圖3.5 15V電源電路原理圖濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩側(cè)并聯(lián)電容器；或在整流電路輸出端與負(fù)載間串聯(lián)電感L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。3.6 控制電路設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其原理圖如圖3.6所示。 圖3.6 雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖為了獲得良好的靜動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI 調(diào)節(jié)器。圖4

26、.7中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入輸出的實(shí)際極性，他們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖3.7為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖3.8為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。ACR和ASR的輸入、輸出信號(hào)的極性，主要視觸發(fā)電路對(duì)控制電壓的要求而定。若觸發(fā)器要求ACR的輸出Uct為正極性，由于調(diào)節(jié)器一般為反向輸入，則要求ACR的輸入U(xiǎn)i*為負(fù)極性，所以，要求ASR輸入的給定電壓Un*為正極性。本文基于這種思想進(jìn)行ASR和ACR設(shè)計(jì)。 圖3.7 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖3.8 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.7參數(shù)計(jì)算3.7.1確定時(shí)間常數(shù)（1）脈寬調(diào)制器和PW

27、M變換器的滯后時(shí)間常數(shù)與傳遞函數(shù)的計(jì)算電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流為 啟動(dòng)電流與額定電流比為 晶體管放大區(qū)的時(shí)間常數(shù)為 電流上升時(shí)間的計(jì)算公式為 取=2則電流下降時(shí)間的計(jì)算公式為 又最佳開關(guān)頻率為 開關(guān)頻率f選為5.5kHz，此開關(guān)頻率已能滿足電流連續(xù)的要求。于是開關(guān)周期脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)為 于是可得脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)為（2）電流濾波時(shí)間常數(shù) 取1.5ms（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取= Ts+Toi=0.00168s。3.7.2選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用

28、PI型調(diào)節(jié)器3.7.3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。電流開環(huán)增益：要求時(shí)，取，因此 于是，ACR的比例系數(shù)為3.8 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)3.8.1確定時(shí)間（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。由前述已知，則（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取.（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取3.8.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為：3.8.3計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 可得ASR的比例系數(shù)為3.9工程化校驗(yàn)及限幅3.9.1電流校驗(yàn)環(huán)節(jié)及限幅1.校驗(yàn)：電流環(huán)截止頻率： （1）

29、 PWM裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件。（2） 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 滿足近似條件。（3） 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件。電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：，也滿足設(shè)計(jì)要求。2.限幅：按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為： , 取 ，取 3.9.2電壓校驗(yàn)環(huán)節(jié)及限幅1.校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為：（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為： 滿足簡(jiǎn)化條件。（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為： 滿足近似條件。2.限幅根據(jù)圖2-10 所示，取，則 取 , 取 3.10檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，,不能滿足要求.按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量: 調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)

30、速降 :為基準(zhǔn)值，對(duì)應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速。計(jì)算得：4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真由于本文只進(jìn)行了理論性設(shè)計(jì)，故在系統(tǒng)安裝與調(diào)試階段只對(duì)控制電路部分進(jìn)行了MATLAB仿真，以分析直流電機(jī)的啟動(dòng)特性。采用MATLAB中的simulink工具箱對(duì)系統(tǒng)在階躍輸入和負(fù)載擾動(dòng)情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（主要為轉(zhuǎn)速和電樞電流）進(jìn)行仿真。仿真可采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法或面向電氣系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法，本文采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法。系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。 圖4.1 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在仿真過程中，Matlab設(shè)置很多不同的算法，而不同的算法，對(duì)仿真出來波形影響很大。對(duì)于用數(shù)值方法求解常系數(shù)微分方程(Ordina

31、ry Differential Equation,簡(jiǎn)寫為ODE)或微分方程組，MATLAB提供了七種解函數(shù)，最常用的是ODE45。ode45可用于求解一般的微分方程，他采用四階、五階龍格-庫(kù)塔法。仿真結(jié)果如圖4.2-4.3所示。 圖4.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果圖上部為電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，中部為擾動(dòng)電流曲線，下部為電機(jī)電流曲線。加電流啟動(dòng)時(shí)電流環(huán)將電機(jī)速度提高，并且保持為最大電流，而此時(shí)速度環(huán)則不起作用，使轉(zhuǎn)速隨時(shí)間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，轉(zhuǎn)速換起主要作用，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。在第二秒時(shí)，外加一擾動(dòng)信號(hào)，此時(shí)轉(zhuǎn)速受擾動(dòng)信號(hào)影響有所下降，但因?yàn)檗D(zhuǎn)速環(huán)的作用重新將轉(zhuǎn)速拉入穩(wěn)定值。圖4.3轉(zhuǎn)

32、速開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果 圖上部為轉(zhuǎn)速曲線，下部為電流曲線。因?yàn)殚_環(huán)系統(tǒng)中沒有反饋信號(hào)，而電機(jī)在帶載的一瞬間要有一個(gè)做功的過程，也就是建立系統(tǒng)帶載狀態(tài)下的穩(wěn)定狀態(tài)的過程，這部分功需要增大電機(jī)的電流來補(bǔ)償，同時(shí)也會(huì)犧牲一部分動(dòng)能，也就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以產(chǎn)生了靜態(tài)速降。5 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)5.1硬件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)原理我們?cè)O(shè)計(jì)了數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示，系統(tǒng)的特點(diǎn)：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機(jī)控制；全數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測(cè)；采用數(shù)字 PI 算法。由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)由主電路、檢測(cè)電路、控制電路、給定電路、顯示電路組成。主電路：三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為

33、電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流 PWM 變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動(dòng)機(jī)供電。檢測(cè)回路：包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測(cè)。電壓、電流和溫度檢測(cè)由 A/D 轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)；轉(zhuǎn)速檢測(cè)用數(shù)字測(cè)速（光電碼盤）。故障綜合：利用微機(jī)擁有強(qiáng)大的邏輯判斷功能，對(duì)電壓、電流、溫度等信號(hào)進(jìn)行分析比較，若發(fā)生故障立即進(jìn)行故障診斷，以便及時(shí)處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。這也是采用微機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)所在。 圖 2 微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖5.2軟件設(shè)計(jì)5.2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的整體控制流程圖系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)總體流程圖為了使微機(jī)控制系統(tǒng)各種硬件設(shè)備能夠正常運(yùn)行，有效實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)控制和管 理，除了要設(shè)計(jì)合理的硬件電路，還必須要有高質(zhì)量的軟件支持。因此，用匯編或其他高級(jí)語(yǔ) 言編寫電機(jī)微機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中十分重要的內(nèi)容。本系統(tǒng)采用 8051 單片機(jī)生成 PWM 信號(hào)，同時(shí)