數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)-電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告(編輯修改稿)
2025-02-17 17:01 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 用了 IR2110 集成芯片，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和保護(hù)功能。 數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過(guò)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。8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(pán)）。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 22 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)圖三、主電路設(shè)計(jì) 主電路主電路由二極管整流器 UR、PWM 逆變器 UI 和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容 C 濾波，同時(shí)兼有無(wú)功功率交換的作用。 限流電阻為了避免大電容 C 在通電瞬間產(chǎn)生過(guò)大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時(shí)，先限制充電電流，再延時(shí)用開(kāi)關(guān) K 將短路，以免長(zhǎng)期接入時(shí)影響整流電路的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。 泵升電壓限制 當(dāng)濾波電容 C 的端電壓超過(guò)規(guī)定的泵升電壓允許值時(shí)，VT 導(dǎo)通，接入分流電路，把回饋能量的一部分消耗在分流電阻中。對(duì)于更大功率的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在分流電路中接入逆變器，把一部分能量回饋到電網(wǎng)中去。9 主電路參數(shù)計(jì)算和元件選擇主電路參數(shù)計(jì)算包括整流二極管計(jì)算，濾波電容計(jì)算、功率開(kāi)關(guān)管 IGBT 的選擇及各種保護(hù)裝置的計(jì)算和選擇等。 整流二極管的選擇 根據(jù)二極管的最大整流平均 IF 和最高反向工作電壓 UR 分別應(yīng)滿(mǎn)足： IF IO(AV) 247。2≈*99/2= (A) URU2=2220= (V) 選用 2ZC 系列的大功率硅整流二極管，型號(hào)和參數(shù)如下所示： 型號(hào) ZP100 額定正向平均電流 IF(A) 100 額定反向峰值電壓 URM(V)100～1600 正向平均壓降 UF(V) ～ 反向平均漏電流 IR(MA) 6 散熱器型號(hào) SL18 在設(shè)計(jì)主電路時(shí)，濾波電容是根據(jù)負(fù)載的情況來(lái)選擇電容 C 值，使 RC≥(3～5)T/2,且有 Udmax=220=188(V) 2C≥, 即 C≥15000uF 故此，選用型號(hào)為 CD15 的鋁電解電容，其額定直流電壓為 400v，標(biāo)稱(chēng)容量為22022 uF 絕緣柵雙極晶體管的選擇 最大工作電流 Imax≈2Us/R=440/=978(A) 集電極－發(fā)射極反向擊穿電壓（BVCEO） BVCEO≥(2～3)Us=440～660v 調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則 按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 的設(shè)計(jì)原則，從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器10圖 32 直流雙閉環(huán)調(diào)速原理圖 調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最大允許電流 Idm=94=141(A) 電樞電流范圍為，A== = =1/==0.=∑i =(β)=500**(*)=28 校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率：wci ＝KI=500 脈寬調(diào)制變換器傳遞函數(shù)近似條件 wci≤1/(3Ts) 1/(3Ts)＝1/(3 )=500= wci 可見(jiàn)，滿(mǎn)足近似條件。 小時(shí)間常數(shù)近似條件 wci≤滿(mǎn)足近似條件。 忽略反電勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件：wci≥滿(mǎn)足近似條件。 ＝? 轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì) 1111＝＝ ?＝? ??500 ?500 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖速度反饋回路的滯后時(shí)間機(jī)電時(shí)間常數(shù)= 約為=1ms 速度環(huán)的小時(shí)間常數(shù)為 =1/+=1/500+=； 按跟隨性能和抗干擾性能要求，取中頻寬 h=5，則積分時(shí)間常數(shù)為=(h+1)/2h178。 178。=(5+1)/(2*5*5*178。)=速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)檢驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 W＝KNTn=*=200 Wci 11轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 KI1 i?= 3T?W≤滿(mǎn)足近似條件。 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 KI1 = 3Ton?W≤滿(mǎn)足近似條件。 當(dāng) h=5，查表可知， σn=℅,不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表中是按線(xiàn)性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR 飽和，不符合線(xiàn)性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按照退飽和時(shí)的情況重新計(jì)算超調(diào)量。由公式代入數(shù)據(jù)計(jì)算得 σn=℅，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求 主電路保護(hù)電路設(shè)計(jì) 電力半導(dǎo)體元件雖有許多突出的優(yōu)點(diǎn)但承受過(guò)電流和過(guò)電壓的性能都比一般電氣設(shè)備脆弱的多，短時(shí)間的過(guò)電流和過(guò)電壓都會(huì)使元件損壞，從而導(dǎo)致變流裝置的故障。因此除了在選擇元件的容量外 還必須有完善的保護(hù)裝置。 過(guò)電壓保護(hù) 過(guò)電壓保護(hù)可分為交流側(cè)和直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)，前者常采用的保護(hù)措施有阻容吸收裝置、吸收裝置、金屬氧化物壓敏電阻。這里采用金屬氧化物壓敏電阻的過(guò)電壓保護(hù)。 阻容吸收裝置接在變壓器二次側(cè) （1）單相電路 電阻電容串聯(lián)后并聯(lián)在繞組兩端 其參數(shù)估算可以用下列公式 2beNSCKU? 10fR ? ()reUPRX12電阻 R 的額定功率應(yīng)選擇計(jì)算值 的 2 倍。 rP式中, 為系數(shù),單相 200VA 以下的電路 取 700，單相 200VA 以下的電eKeK路 取 400， 為整流變壓器容量； 為晶閘管的額定電壓； 為等效負(fù)bSNUfR載電阻（ ）；f 為電源頻率； 為變壓器二次側(cè)電壓； 為容抗（NfURI?2 eX）。6102eXfC??電容器應(yīng)采用紙質(zhì)金屬膜電容器。 （2）三相電路 常見(jiàn)的阻容吸收裝置有兩種接法，即三角形和星形聯(lián)接 其參數(shù) 2beNSCKU? 為參數(shù)，見(jiàn)下表； e電容器采用應(yīng)采用紙質(zhì)金屬膜電容器，電阻值計(jì)算同單相。 不同聯(lián)接時(shí)的 值 eK表 31 不同聯(lián)接時(shí)的 值對(duì)照?qǐng)DeK 270eK?13NfURI?????????2348950rPIRW?電容取 100 ，電阻取 10 。uf/? 過(guò)電流保護(hù)設(shè)計(jì) 過(guò)電流保護(hù)使用快速熔斷器實(shí)現(xiàn)：它可以安裝在交流側(cè)或直流側(cè) 在直流側(cè)與元件直接串聯(lián)。在選擇時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題 ① 快熔的額定電壓應(yīng)大于線(xiàn)路正常工作電壓的有效值。 ② 熔斷器的額定電流 應(yīng)大于溶體的額定電流。 KNI③ 溶體的額定電流可按下式計(jì)算： ? : .KNTaTII3140lUVA??。?KN 熔斷器的額定電壓可選 400V，額定電流選 220A 晶閘管過(guò)電流保護(hù)設(shè)計(jì)： ? 0A?取 2KNI14四、控制回路設(shè)計(jì) PWM 控制電路 PWM 的基本原理PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM 可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。在 PWM 驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期
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