运动控制课程设计

1、运动控制课程设计：不可逆直流PWM双闭环调速系统学号：姓名：班级：自动化一班指导老师：运动控制课程设计1、给定条件、技术指标：系统形式：不可逆（无制动功能）直流PWM双闭环调速系统 直流电动机（他励、立此电路参数略）：额定功率P为10KW、额定转速n为1500r/min、额定电流I为51.82A、额定电压 N N NU为220V、电枢电阻R为0.26Q、允许过载倍数入=1.5 系统总飞轮矩GD2： 10.a1Nm2测速发电机：额定转速为1900r/min、额定电压为110V、额定电流为0.21A 电流检测：采用霍尔电流传感器电枢回路总电阻（计及整流器的等效内阻等）：R=3R 脉宽调制器的调制波周期T设计值（建议）为100b sPWM系统技术指标：调速范围D=20、静差率s0.05、电流超调量。5%、 空载启动到额定转速时的转速超调量。% INRCanNB为最大占空比错误!未找到引用源。选取6曲=2001Z三相桥式整流电压系数 错误!未找到引用源。 直流斩波器输入电压: 错误!未找到引用源。电枢回路平波电抗器为:错误!未找到引用源。 则错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。一次测容量：

2、错误!未找到引用源。2、整流变压器的选择（1）整流二极管的选择 在一个电源周期中，整流器输出电流有6个波头，流过每一个二极管的是其中两个波 头，因此流过二极管电流有效值 错误!未找到引用源。 。 二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值， 错误!未找到引用源。 。 考虑 3-5 倍的裕量，取整流二极管参数为：错误!未找到引用源。 。由此我选用了三菱公司的CM300DY-24A，此二极管的参数：uVD = 2oor（2）滤波电容的选择电机的额定功率为10KW,为了保证电压的纹波系数足够小，取滤波电容为几千uF级。 因此，选用4700Uf/450V的电容作为滤波电容。（3）IGBT 选择主电路正常工作电流为51.82A，主回路电源电压为180V,考虑到留有充分的裕量， 取IGBT 为 IR 公司的 IRKT162-12，其参数为 1200V/110A。其栅极电阻取为错误!未找到引用源。二、IGBT驱动电路的选用本系统IGBT的驱动电路采用美国IR公司的IR2110驱动器，它兼有光耦隔离（体积小） 和电磁隔离（速度快）的优点。输出端电压范围是10-20V,逻辑端电眼范围是5-15V。 工作频率

3、高达500kHz，开通、关断延时小，分别为120ns和94ns。由于设计要求错误!未找到引用源。，由公式错误!未找到引用源。可以计算得出。 但是一般锯齿波发生最好选取大电阻小电容或小电阻大电容组合。我这里选取 错误!未找到引用源。三、控制器设计计算1、脉宽调制集成电路的选用采用电压脉宽型PWM控制芯片SG3524A，以及IR2110驱动芯片，用功率开关器件IGBT 模块方案实现直流供电。SG3524A是电压型PWM集成控制器，外接元器件少，性能好，包括开关稳压所需的全部控制电路。其主要特性包括：外同步、软启动功能；死区调节、欠压锁定功能； 误差放大以及关闭输出驱动信号等功能；输出级采用推挽式电路结构，关断速度快 输出电流士400mA；可提供精密度为5V 士1%的基准电压；开关频率范围 100Hz-400KHz。其内部结构主要包括基准电压源、欠压锁定电路、锯齿波振荡器、 误差放大器等，如图所示。SG3524内部结构图2、电动机部分参数计算（1）电动机的电动势系数220 - 51.82 X 0.26=0.138/-mia/2）系统的机电时间常数：gd2r37SCeCm=0.12s10.1

4、X 3 X。立&375 X 0.1382 X 9.553、测速发电机部分参数的计算（1）根据测速发电机的额定数据，有110（2）电位器 RP 的选择方法如下： 为了使测速发电机的电枢压降对转速检测信号的有显著影响，取测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的 20%，则0.0579 X 1500=2067.86fi0.2 X 0.21此时RP所消耗的功率为WRP2 = Gec5nN * 0.2IHtg = 0.0579 累 1500 X 0.2 X 0.21 = 3.6477IV错误!未找到引用源。选用错误!未找到引用源。的电位器。ce = %町吨=0.2 X 0.0579 = 0.01158K4、PWM部分参数计算(1) 电压放大倍数：错误!未找到引用源。(2) 延迟时间：错误!未找到引用源。(3) 传递函数为：错误!未找到引用源。5、调速系统稳态参数计算(1) 为满足调速系统的稳态性能指标,额定负载时的稳态速将为:错误!未找到引用源。(2) 求闭环系统应有的开环放大系数 开环系统的额定速降为：InR 51.82x 3 x 0.26_叽口二転二二网序仙M则闭环系统的开环放大系数应为

5、:293.75K =叩二二=74.4163.9474(3)电流反馈系数错误!未找到引用源。和转速反馈系数错误!未找到引用源。： 错误!未找到引用源。又调速均采用PI调节器调速，属于无静差调速，则转速反馈系数错误!未找到引用源。电流反馈系数：错误!未找到引用源。6、电流调节器(ACR)的设计、确定时间常数(1) PWM装置滞后时间常数错误!未找到引用源。由PWM部分参数计算结果得错 误!未找到引用源。(2) 电流滤波时间常数错误!未找到引用源。(3) 电流环小时间常数之和错误!未找到引用源。按小时间常数近似处理，取错误!未找到引用源。选择电流调节器的结构：根据设计要求电流超调量错误!未找到引用源。，并保证稳态电流无差，可以按照 典I型系统设计电流调节器，电流环调节对象是双惯性的，因此可以用PI型电流调节器，其 传递函数为：错误!未找到引用源。计算电流调节器参数：电流调节器超前时间常数：错误!未找到引用源。电流环开环增益：由错误!未找到引用源。，按表2-2，应取错误!未找到引用源。, 因此，错误!未找到引用源。KeRkeP于是，ACR的比例系数为120 0.0029 X 3 X 0.26=

6、0.52234.24 0.0643校验近似条件 电流环截止频率：错误!未找到引用源。 PWM变换与控制器传函的近似条件错误!未找到引用源。满足近似条件。 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 错误!未找到引用源。，满足近似条件。 电流环小时间常数近似处理条件错误!未找到引用源。，满足近似条件。计算调节器电阻和电容 按所用的运算放大器取错误!未找到引用源。，各电阻和电容为叫=KjRg = 0.522 X20 = 10.44kH 选取 lOkfi选取lpF卫二 0329 = 0 29 * 近吓二 0.29LtF1 R； 10 X 103-J = 響=蔦:囂 =0 06 X 10_6P = 0恥阳 选取0-17、转速调节器(ASR)的设计确定时间常数 电流环等效时间常数：错误!未找到引用源。 转速滤波时间常数错误!未找到引用源。根据所用测速发电机纹波情况，取错 误!未找到引用源。 转速环小时间常数错误!未找到引用源。小时间常数近似处理，取错误!未找到引用源。选择转速调节器结构按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：错误!未找到引用源。 计算转速调节器参数按跟随性和抗扰性都比较好的原则，取

7、h = 5,则ASR的超前时间常数为： 错误!未找到引用源。由公式可求得转速环开环增益：错误!未找到引用源。 于是，可得到ASR的比例系数为：(h + l)fCeTir6 X 0.0643 X 0.138 X 0.12Kn = = 22.9811 2hRotTE1 2 X 5 X 3 X 0.26 X 0.0033 X 0.0108检验近似条件 转速环截止频率为错误!未找到引用源。 电流环传递函数简化条件为错误!未找到引用源。满足简化条件。 转速环小时间常数近似条件为错误!未找到引用源。满足近似条件。 计算调节器电阻和电容 按所用的运算放大器取错误!未找到引用源。，各电阻和电容为:Rn = KnRG = 22.98 X 40 = 919.2kH 选取 lMfiGn = - = 爲=0.054 X 10_6F = 0.05幼F选取 0.1|F40 X 103con = H 号=1 X 10_6F = lF 选取 0.1 piF计算理想空载启动时转速超调量由教材可得错误!未找到引用源。设理想空载起动时错误!未找到引用源。IVR 5.1.S2 X 3 X 0.26= - = 292.90 r

8、/minN Ce0.138= lSOOr/min , TLli =0.0108s , Tm = 0.12s当h=5时,错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。8、电源模块四、系统仿真1、电气原理图I卜弓42、仿真模型阶跃给定转速为 1500 r / min ，无干扰时，转速和电流的波形如下转速波形图局部放大，由 图得：转速峰值：1587 r/min稳态值：1515 r /min超调量b % : 4.7%n峰值时间tp二0.45s上升时间tr=0.42s电流波形图局部放大，得:电流峰值：80 A稳态值：77 A超调量b % =3.9%仿真波形分析： 第一阶段是电流上升阶段：突加给定电压，由于转速很小，转速调节器输出保 持限幅值，强迫电流Id迅速上升，直到Id=Idmin。第二阶段恒流升速阶段：ASR始终饱和，Id保持恒定，转速线性增长。 第三阶段转速调节阶段：当转速达到给定值，由于 ASR 的积分作用，仍在加速， 转速超调后，ASR输出为负，开始退饱和，由于Id仍大于负载电流，转速仍然增加， 直到Id等于负载电流，转速达到最大值。然后在负载的作用下，转速下降，经过一段时 间调整，转速稳定，电流也达到稳定。阶跃给定转速分别为150 r / min 、300 r / min 、600 r / min 、1000 r / min 、1500 r /min 时的仿真波形仿真模型如下：仿真波形图如下仿真波形图如下亠转速波形3 3=43id3i-i2g-Tr-H电流波形抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能：

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