课程设计（论文）-双极式PWM双闭环直流调速系统的设计.doc

沈 阳 工 程 学 院课 程 设 计设计题目： 双极式PWM双闭环直流调速系统的设计 系 别 自控系 班级 测控本062 学生姓名 学号 10 指导教师 XXXX 职称 助教 起止日期：2009年3月2日起至 2009年3月6日止 双极式PWM双闭环直流调速系统的设计目录课程设计任务书I1设计主要内容及要求II2对设计论文撰写内容、格式、字数的要求II课程设计成绩评定表III中文摘要IV一、设计任务描述1二、设计思路2系统总体结构的设计2环节设计、部件选择及参数计算2系统原理图2建立系统动态数学模型2三、设计方框图5四、各部分电路设计及参数计算6设计方法的基本思路6典型系统及其参数与性能指标的关系6典型型系统及其参数与性能指标的关系8工程设计中的近似处理10电流调节器和转速调节器的设计12五、元器件清单18小结19致谢20参考文献21沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目： 双极式PWM双闭环直流调速系统的设计 系 别 自控系 班级 测控本062 学生姓名 XXX 学号 10 指导教师 XXX 职称 助教 课程设计进行地点： 教学B座419 任 务 下 达 时 间： 2009 年 3 月 2 日起止日期： 2009 年 3 月 2 日起至 2009年 3 月 6 日止教研室主任 年 月 日批准1设计主要内容及要求（1）主要内容试设计一H型双极式PWM直流闭环调速系统。已知的基本参数如下：电动机：UN48V, IN3.7A, nN = 200r/min, Ra = 6.5，电枢回路总电阻R=8，电枢回路电磁时间常数Tl= 0.005s，机电时间常数Tm=0.2s，电源电压US = 60V，给定转速电压最大值和ASR, ACR的输出限幅值均为10V，电流反馈系数=1.33V/A，转速反馈系数=0.05V.min/r，电动势转速比Ce=0.18 V.min/r，选用D202电力晶体管作功放用开关管，已知D202的参数如下：Tce0.159, tr0.103, tf0.061。（2）要求按工程设计方法设计计算，设计的性能指标要求：1) 稳态指标：稳态无静差。2) 动态指标：电流超调量。空载起动到额定转速时的转速超调量。动态过渡过程时间s2对设计论文撰写内容、格式、字数的要求（1） 课程设计论文是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字。（2） 学生应撰写的内容为：中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。课程设计论文的结构及各部分内容要求可参照沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范执行。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。（3） 论文要求打印，打印时按沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范的要求进行打印。（4） 课程设计论文装订顺序为：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献。3.时间进度安排；顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注13月2日教师讲解题目，学生查阅相关资料23月3日电流调节器结构及其参数设计33月4日速度调节器结构及其参数设计43月5日撰写课程设计论文53月6日答辩沈 阳 工 程 学 院 伺 服 系 统 课程设计成绩评定表系（部）： 自控系 班级： 测控本062 学生姓名： ZXXX 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分中文摘要伺服系统对数控技术、自动化、电气工程及其自动化、机电一体化等专业是一门很重要的专业技术课。伺服系统的作用是联系数控装置与被控设备的中间环节，起着传递指令信息和反馈设备运行状态信息的桥梁作用。在当代工业上PWM控制调速系统已经被广泛地应用，其优点还是日益突现，而带有双闭环的调速系统更是受到广泛欢迎。在本次设计中，为了使调速达到高精度、高准度的要求，我使用了电流调节器和转速调节器，以此来组成双闭环，电流环为内环，转速环为外环。这样的设计能够达到任务要求的静态指标和动态指标。特别是把此两环校正为典型型和典型型后的性能指标更是达到了要求。本次设计中的电流调节器和电压调节器都是使用PI调节器，PI调节器是由运放和各种电子元器件组成的，由于本次设计时间有限所以就没有把相应的参数给调出来了。关键词 PWM，型系统，型系统，电流调节器，电压调IV一、设计任务描述1任务试设计一H型双极式PWM直流闭环调速系统。已知的基本参数如下：电动机：UN48V, IN3.7A, nN = 200r/min, Ra = 6.5，电枢回路总电阻R=8，电枢回路电磁时间常数Tl= 0.005s，机电时间常数Tm=0.2s，电源电压US = 60V，给定转速电压最大值和ASR, ACR的输出限幅值均为10V，电流反馈系数=1.33V/A，转速反馈系数=0.05V.min/r，电动势转速比Ce=0.18 V.min/r，选用D202电力晶体管作功放用开关管，已知D202的参数如下：Tce0.159, tr0.103, tf0.061。2要求按工程设计方法设计计算，设计的性能指标要求：稳态指标：稳态无静差。动态指标：电流超调量。空载起动到额定转速时的转速超调量。动态过渡过程时间s21二、设计思路系统总体结构的设计此系统控制的对象是他励直流电动机，控制信号为转速控制电压给定信号，输出信号为电动机转轴的转速信号。系统的闭环控制按内环为电流环，外环为转速环的结构设计。电枢绕组的驱动为电力晶体管的PWM脉冲放大电路。转速和电流两个调节器可采用由运算放大器组成的模拟电路。PWM调速系统由于具有动、静特性好，损耗小和电网功率因数高等优点，在中小功率伺服系统中已取代V-M系统，其使用日益广泛。其中H型双极式PWM变换器更为普遍。H型双极式PWM变换器的优点如下：电流一定是连续的；可以使电动机在四象限运行；电动机停止运行时有微振电流，能消除静摩擦死区；在低速时每个晶体管的驱动脉冲仍比较宽，有利于保证晶体管的可靠导通；低速平稳性好，调速范围可达0-20000左右。环节设计、部件选择及参数计算根据总体结构要求设计各基本环节，由于电动机参数已由题意确定，所以需设计的环节主要有：电流、转速反馈环节，比较环节，H型双极式PWM变换器（包括锯齿波发生器，脉宽调制器，逻辑延时器，基极驱动电路和脉宽调制变换驱动器等），及电流、转速两个调节器等。最后根据已确定的各环节选择部件及计算参数。系统原理图系统原理图可以简化。但为了给建立系统动态数学模型打下基础，控制信号、反馈原理信号比较、调节原理和PWM调制和驱动电动机运行原理等都应在系统原理图中表示清楚。建立系统动态数学模型一般情况下，系统动态数学模型主要通过传递函数建立。PWM调速系统的控制规律和动态数学模型与前题的V-M系统相比差别不大，主要不同点就是脉宽调制器和PWM变换器本身的传递函数。根据其工作原理，脉宽调制器和PWM变换器合起来可以看成是一个滞后环节，它的延时周期最大不超过一个开关周期T。和晶闸管装置传递函数的近似处理一样，当整个系统开环频率特性截止频率满足下式时可将滞后环节近似看成是一阶惯性环节。因此，脉宽调制器和PWM变换器的传递函数可以近似看成式中 KPWM一脉宽调制器和PWM变换器的放大系数KPWM= Ud/Uc ；Ud PWM变换器的输出电压；Uc脉宽调制器控制电压。图1-2是表示一双极式PWM直流双闭环调速系统动态数学模型的动态结构图。图1-2 双极式PWM直流双闭环调速系统动态结构图图中 (s)对应于给定转速的控制电压信号；Un(s)对应于实际转速的反馈电压信号；Un (s)对应于转速偏差的电压信号；Ui(s）对应于控制电流的电压信号；Uct(s)对应于脉宽调制器的输入控制电压信号；Ud0(s)PWM驱动电路输出的空载电压；E (s)电动机的反电动势；Id(s)电动机的电枢电流；Idl(s)对应于电动机负载转矩的负载电流；n (s)电动机转轴转速；Ton转速反馈环节滤波时间常数；Toi电流反馈环节滤波时间常数；KPWM, TPWM脉宽调制器和PWM变换器放大倍数与其近似惯性环节时间常数；R电动机电枢回路总电阻；Tl电动机电磁回路时间常数；Tm包括电动机在内的系统机电时间常数；Ce电动机在额定磁通下的电动势转速比；ASR系统的速度调节器；ACR系统的电流调节器；速度反馈系数；电流反馈系数。设计此动态结构图时，应先设计各模块的传递函数并求出各模块的参数和时间常数，再根据“先内环后外环”的原则分别设计ACR和ASR. ACR和ASR的设计是动态结构图设计的重点。其设计方法一般为先确定调节器结构，然后确定调节器的参数。调节器结构的设计可根据所设计闭环的控制（输出）量的要求及校正成哪一种典型系统的需要，在P, PI, PD, PID等类调节器中选一种。而调节器参数的设计则主要根据该闭环的输人、输出、各环节的参数及校正的目标系统的需要，通过计算而取得。另外也要考虑两个调节器限幅等非线性作用。数学模型建立过程中，主要有两项工作：一是要确定传递函数的结构；二是要计算各环节的时间常数和放大系数（比例系数）。三、设计方框图输入信号转速调节器电流调节器反馈环节反馈环节交流装置调节对象输出四、各部分电路设计及参数计算设计方法的基本思路预期典型系统选择调节器计算参数一般直流调速系统动态参数的工程设计，包括确定预期典型系统，选择调节器形式，计算调节器参数。如下图4-1所示：图4-1 调速系统的设计过程最终结果应满足生产机械工艺要求提出的静态与动态性能指标。在实际应用中双闭环直流调速系统是应用得比较广泛的，而且也是比较典型的一种，也还是构成各种可逆调速系统的核心。双闭环调速系统由转速反馈和电流反馈组成，属于多环控制系统，其动态结构如下图a：图a 双极式PWM直流双闭环调速系统动态结构图其结构由内到外，一环包围一环，每一闭环都设有本环的调节器，构成一个完整的闭环系统。转速调节器的输出作为电流调节器的输入，而电流调节器的输出则去晶闸管整流器的触发装置。从系统结构上看，电流环在里面，称为内环；转速环在外面，称外环。为了使转速，电流双闭环调速系统具有良好的静、动态性能。电流、转速两个调节器一般采用输出带限幅的PI调节器。典型系统及其参数与性能指标的关系(1) 典型型系统典型型系统的开环才传递函数为：由上式的结构可以看出典型型系统由一个积分环节和一个惯性环节相乘得来，其方框图如下图4-2：R（s）E（s）C（s）图4-2 典型型系统动态结构图由上图可以看出来典型型系统是一个由积分环节和一个惯性环节串联组成的闭环反馈系统。(2) 型系统的稳态跟随性能由控制理论误差分析可知，型系统对阶跃给定信号的稳态误差为零；对单位斜坡输入信号的稳态误差不为零，即有跟踪误差。由上式可知，当开环增益K增大时，跟踪误差将减少。(3) 型系统的闭环传递函数为：在式中自然振荡频率，=；阻尼比，=。此系统在零初始条件下的阶跃响应动态性能指标计算公式为：超调量：调节时间： 截止频率：相角裕量：在对型系统进行工程设计时，通常选用K=1/(2T)或=0.707为典型函数，称为“型系统工程最佳参数”。当取这两个参数时，其性能指标为：实践表明，上述典型参数对应的性能指标适合于响应快而又不允许过大超调量的系统，一般情况下都能满足工程设计要求。(4) 型系统的频率特性典型型系统的开环对数频率特性如下图所示。当时，对数幅频特性以20dB/dec的斜率通过零分贝线，其截止频率L/dBO-20ww=K，其相角裕量为图4-3 型系统的频率特性从上述分析可知，与系统快速性相关的截止频率取决于开环增益K，增益K值可提高系统的快速性，但另一方面又会使相角裕量减少，超调量增大，所以不能随意增大。如果既要提高快速性，又要保持相角裕量不变，就应在增加的同时减少时间参数T，保持他们之间的比值不变。但时间常数T往往是系统的固有参数，较难改变，故在确定K值时，要兼顾快速性和超调量两项指标。典型型系统及其参数与性能指标的关系(1) 典型型系统典型型系统的开环传递函数如下： ()其闭环系统结构图和开环对数幅频特性如下图4-4、4-5所示：C(s)R(s)图4-4 典型型系统闭环系统结构图Oh-40-20-40w图4-5典型型系统开环对数幅频特性从频率特性上可见，由于T一定，改变就等于改变了中频宽h；在确定以后，再改变K相当于使开环对数幅频特性上下平移，从而改变了截止频率。因此在设计调节器时，选择两个参数h和，就相当于选择参数和K。(2) 性能指标与参数关系典型型系统的性能指标通常用三种方法描述：以相角裕量为基准的“最大（）法”；以闭环谐振峰值为基准的“最小谐振峰值法”；在第一种方法中令h=4或在第二种方法中令h=5时得到的“三阶工程最佳设计法”。“最小法”是根据最小振荡指标，由闭环频率特性推导的。反馈控制系统的闭环幅频特性如下图4-6：MpM(w)Iw图4-6 典型型系统的闭环幅频特性其中振荡峰值用表示。可以证明对于典型型系统，当截止频率符合下列关系式时，对应的最小，称为“最佳频比”，此时系统现对稳定性最好。或即这时最小的值与h有简单的关系：开环放大倍数则按“最小法”设计的典型型系统时的参数关系为若取h=5，则工程设计中的近似处理(1) 高频段小惯性环节的近似处理在下图所示的系统中，和是两个小惯性环节，系统的开环传递函数为若按典型一型系统进行校正，取调节器参数=，则系统的开环传递函数为结构图如下图4-7：调节器交流装置调节对像反馈环节图4-7 典型型系统的结构图式中：K=显然，比典型一型系统的开环传递函数多了一个小惯性环节。为此需要将两个小惯性环节用一个等效惯性环节代替，并保持等效前后相角裕量不变，便可得到等效的典型一型系统的开环传递函数(2) 低频段大惯性环节的近似处理在把系统校正成典型型系统时，有时需要将系统中的大惯性环节近似用积分环节代替。若把下图校正成为典型型系统，在把两个小惯性环节等效成一L(w)WopBWopAL(w)L(w)L(w)L(w)L(w)个小时间常数T的惯性环节的同时，还需把大惯性环节等效成积分环节。w图4-8 大惯性环节近似为积分环节近似等效前，系统的开环传递函数为式中K=若把大惯性环节用积分环节来近似，即则就成为典型型系统的形式电流调节器和转速调节器的设计由任务书上的参数可以知道：电动机：=48V，=3.7V，=200r/min，=6.5欧姆最大整流电压：=1.05V，=1.0548=50.4ACR输出限幅值：=10VASR输出限幅值：=10V速度给定最大值：=10V电枢回路总电阻：R=8欧姆电枢回路电磁时间常数：=0.005s机电时间常数：=0.2s电源电压：=60V电流反馈系数：=1.33V/A速度反馈系数：=0.05V min/r电动势转速比：=0.18V min/r电力晶体管D202：启动电流：(1) 电流调节器ACR的设计最常用的电流调节器是PI。由于电流反馈滤波环节（惯性环节）折算到前向通道上表现为微分环节，电流超调将会增大，为此，在给定通道上也加一滤波环节（给定滤波器），以抵消电流反馈环节的影响。图4-9 PI调节器结构图对PI调节器，其输出表达式为：其动态结构图，如下图所示，式中双闭环直流调速系统中电流调节过程比转速调节过程快得多，因此电流环节设计时，可忽略电动机反电动势的影响。近似处理调节条件是：考虑到一般电动机电池时间常数要比晶闸管整流器等效时间常数和反馈滤波时间常数大得多，设计时可把和大得多，设计时可把和合并为小惯性群，即化简校正过程如下：（上图）为等效前，（下图）为等效后化简如下把电流环校正为典型型系统取“工程最佳”参数，结果如下：由此得调节器参数为性能指标如下：把上面几个参数代入得：校正后电流环动态结构图如下图所示，等效闭环传递函数为图4-10 校正后电流环动态结构图根据任务书说给参数可求得具体参数如下：(2)转速调节器ASR结构的的选择用电流环的等效传递函数代替电流闭环后，整个转速调节系统的动态结构图变成下图4-11所示：ASR图4-11 整个转速调节系统的动态结构图如果把给定滤波和反馈滤波环节等效地移到环内，同时将给定信号变为，再取时间常数，则转速环可简化为下图4-12：图4-12 化简后的转速环根据实践所得，转速环应该校正成为典型型环节，这不但符合静态无精差，而且使到调速系统具有良好的抗干扰性能，至于其阶跃响应超调量大的问题，是在线性条件下的计算数据，实际系统的转速调节器很多情况下是阶跃给定，因此，调节器会很快饱和，这个非线性作用会使超调量大大降低。把转速环校正成典型型环节，ASR应该采用PI调节器，其传递函数为：PI调节区结构如下：按法及典型型系统关系式得：取“工程最佳”参数时，h=5，则：五、元器件清单运算放大器2电阻16电容6二极管4小结一个很有意义的寒假过去了，开学第一天我们专业迎来了新年第一个课设，休闲的假期过去了，我们又投入到紧张的课设中。在这个假期里，我跟聂永富，杨东升，戴友伟一起到外面租房住，只在家呆了一周，一方面是为了准备飞思卡尔智能车比赛，另一方面是为了增加一点社会阅历。课设的尾声到来，我回顾了这个假期，甚至是这一年来我的收获，这一年里我成长了不少，也学会很多为人处事的方法。在上一年的暑假里我也是没有回家，总的来说我在2008年里在家只呆了一周。今年我回家了，但发现家里已经发生了很多的变化，家遭变故，让我这一年的新年过得很伤心。不过这也让我在人生道路上更加多了一份的成熟，多了一份稳重。对于我自己的情况和未来，我更加冷静了。我知道我必须要靠自己，我知道我必须要比别人更加努力。所以这次课设我做得很努力，虽然同时我肩负着要做好飞思卡尔智能车的责任，但我还是把这两方面的内容兼顾好了，只不过感觉到很累。想起以后工作后，我要面临着更多的压力，更多的责任，我知道我还要更努力。搞技术的确实要静下心来专心的研究，心浮气躁永远都不会有好结果，所以这一次，我的心特别的静，比起以前都静了很多。慢慢的我发现我已经在成长了。在这次课设的尾声我把我的一些感受写了出来，也许与本次课设的内容关系不大，但我喜欢把这份感受与别人分享。致谢“致谢”写过很多，但这一回的致谢是我这一辈子里最特别的一次。首先，我要感谢于宏涛老师的耐心解答，在我的印象中，于宏涛老师一直都是那么的耐心的，这让我很是感动，因为能够遇到一个这么由责任心的老师是很不容易的。接着，我我要对我父亲从小到大的培养说一声：“谢谢”，虽然父亲已经再也不可能听着了。没有对父亲尽到孝道是我这一辈子最遗憾的一件事。在此，再次对父亲说声“谢谢，谢谢”。最后，要感谢杨东升、聂永富、戴友伟、以及章菊芳同学在我伤心时给我的帮助，特别是陈畅明兄弟的帮助。致谢的言语不多，到此，但这些都是我的心中的真实写照。参考文献1 钱平主编 伺服系统 北京：机械工业出版社，20052 杨平等编著自动控制原理北京：中国电力出版社，2006