涡流制动器的无级励磁控制系统的设计

目录

一、课程设计目的 (2)

二、课程设计要求 (2)

三、工作原理介绍 (2)

3.1涡流制动器 (2)

3.2PI控制原理 (3)

3.3buck电路基本原理 (4)

3.4电路实现方式 (5)

四、控制系统的电路图 (6)

4.1主电路图 (6)

4.2PWM波形发生电路图 (6)

五、仿真结果与分析 (8)

六、心得体会 (10)

七、参考资料 (11)

涡流制动器的无级励磁控制系统的设计

一、课程设计目的

1、通过此次课程设计加深对电力电子和自控原理以及相关学科的知识的理解，并学会综合运用相关知识去解决一般实践问题。

2、通过此次课程设计学会去

3、通过此课程设计，掌握对MATLAB等仿真软件的运用，学会去分析并解决仿真过程中所遇到的问题。

二、课程设计的要求

根据所学电力电子和自控原理，结合其他相关课程知识，设计一个BUCK 变换器，通过一个PI调节器，使得输出电压在0-20V；控制开关S闭合时，涡流制动器励磁电压在10秒时间内由0无级增加至24V；当S打开时，涡流制动器励磁电压在10秒时间内由20V无级减小至0V；此功能有PI调节器实现。三、工作原理介绍

1、涡流制动器

涡流制动器又称电磁制动器，它是利用涡流损耗的原理来吸收功率的。通常由涡流制动器、控制器及测力装置组成测功装置，可以测取被测机械的输出转矩和转速，从而得出输出功率，它可以取代磁粉离合器、水力测功机、直流发电机组等，用来测量各种电动机、变频器、发动机、齿轮箱等动力机械的性能，成为型式试验的必要设备，与其它测功装置相比，WZ系列测功装置具有更高的可靠性、实用性和稳定性，价格也便宜很多。

涡流制动器具有以下特点：１、结构简单、运行稳定、价格低廉、使用维护方便；２、采用水冷却，噪音低、振动小；３、输入转速范围宽，可用于变频调速等各类电动机及动力机械的型式试验；４、控制器采用单相交流电源，控制功率小；５、转矩的测量可以采用普通磅秤、电子磅秤或高精度转矩转速测量仪，

适用于不同测量精度的场合；６、该装置还能作制动器用，制动力矩大,耐高转速。

2、PI控制原理

将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PI控制器。

该系统由PI控制器和被控对象组成。图中，r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)

(te)=r(t)?y(t)（式1－1）e(t)作为PI控制的输入，u(t)作为PI控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟PID控制器的控制规律为

u(t)=Kp[e(t)+dt]（式1－2）

其中：Kp――控制器的比例系数

Ti－－控制器的积分时间，也称积分系数

（1）、比例部分

比例部分的数学式表示是：Kp*e(t)

在PI控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比

例系数Kp，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数Kp选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。（2）、积分部分

积分部分的数学式表示是：从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加；只有在偏差e(t)=0时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。可见，积分部分可以消除系统的偏差。

积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数Ti越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡；但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当Ti较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定Ti。

3、buck电路基本工作原理

1）、buck电路基本结构

2）、等效的电路模型及基本规律

（1）从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使us(t)的直流分量可以通过，而抑制us(t)的谐波分量通过；电容上

输出电压uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小纹波uripple(t)。

电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple(t)很小，

相对于电容上输出的直流电压Uo有：电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。

一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。

（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S 置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：此增量将产生一个平均

感应电势：此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。

4、电路实现方法

根据课程设计的要求，利用buck电路对电源电压进行变换，使输出电压能够在0—20v内变化，通过过PI调节器的调节，使输出电压的上升时间能够在10秒内达到所需的目的电压。这些要求电路具体通过simlink模块搭建。

四、控制系统的电路图

1、控制系统的主电路

其中电源用的是直流电源，其值为24V,开关器件用的是IGBT和二极管，滤波电感和电容的值分别为0.45H和0.1F。电阻的值为5Ω，用来模拟涡流制动器的线圈阻值。通过V来对电路的输出电压进行采样

2、PWM波形产生电路

利用pi控制器对输出采样电压进行控制之后，再与三角波进行比较从而得到IG BT所需要的触发脉冲。根据buck电路都电压控制的需要，PI控制器的kp设为0.1，ki设为1.5.脉冲触发部分波形如下图：

3，s开关模拟电路

利用function函数的得到需要改变的定值电压以及其改变的时间，程序如下：

function y=fcn(u)

%This block supports the Embedded MATLAB subset.

%See the help menu for details.

if u<=15

y=20;

else

y=0;

end

可以通过改变clock与y的函数关系来改变开关s的开通与关闭。

四、实验仿真结果与分析

当PI控制参数设定为kp=0.1时，ki=1.5是系统的输出电压波形如下图：

PI控制器输出波形如下图

主电路电阻电流波形如下图：

当kp=2,ki=1.5时，系统的输出波形如下图：

当kp=0.1,ki=0.5时，系统的输出波形如下图：

由以上各图对比可以得出，当kp过大时系统会在上升过程中产生振荡，当ki

过小时系统无法在规定时间类达到目的电压。因此kp=0.1,ki=1.5满足buck电路的设计要求。

五、心得体会

在这两周时间里，通过这此专业课程设计,我得到了以下的收获：

1.孔子说过，温故而知新。在这次课程设计的过程中，通过对buck电路的PI 控制的实现与仿真，让我对以前所学的PID控制原理有了更深一层此的理解。同时也对基本变压变流电路的理论知识得到巩固和加深。通过对《电力电子技术》

和《自动控制原理》的复习，使我学到很多以前学习时所忽略的东西。同时也让我对这两门课程及其相关课程有了全新的理解。此外，经历这次课程设计，促进了自己对电力电子的学习兴趣，使自己有动力对其相关知识进行深入的学习。

2.实践是理论的试金石，没有实践的支持，理论只会变为哗众取宠的手段。对于控制理论的学习来说，实践更显得十分重要。因为课本提供给我们的只是基础的理论，只是为实际问题的解决提供了一个思考方向。只有通过不断实践，我们才能将理论知识变为自己能运用自如的东西。对于电力电子来说，实践同样十分重要，没有亲自做过基本的变换电路的仿真就不会真正的理解开关变换电路。通过这次课程设计，特别是电路的仿真过程，让我学会如何去处理突发的问题，如何通过自己所掌握的知识去改进目标系统。

当然，在实践过程中，团队精神是十分重要的，有些问题是永远没办法一个人解决的。通过这次课程设计，我明白团队精神的重要性，也体会到了团队之间明确分工的重要性，因为只有这样，才能让一个团队的发挥最高效率。

3.学而不思则罔，思而不学则殆。我觉得这是课程设计能给我们最大的收获，没有进行课程设计之前，好像感觉自己对所学的知识掌握的很牢靠，但通过课程设计才知道，自己所学的知识只是一块一块的，并没学会如何去综合运用所学只是去解决实际问题。这应该就是自己没有在学习的时候进行思考的原因吧。课程设计刚好给我们提供了一个很好的独立思考的机会。通过这次课程设计，不但检验了我们对以往所学知识的运用能力，同时也让我们学会在思考中带动自己的学习热情。只有在学习中思考，在思考后去有目的的学习和实践，这样才能让我们的知识变得更加的牢靠。

回头看看来时的路，我们知道了，知识的重要，技能的必要，知识与技能的完美结合外加彼此精诚合作这一永恒的主题，必定能让它开出绚丽的花朵……六、参考资料

《电力电子技术》机械工业出版社王兆安、刘进军主编《控制系统的计算机辅助设计》清华大学出版社薛定宇著

《自动控制原理》华南理工大学出版社余文杰等主编《电力电子控制系统的建模与仿真》机械工业出版社洪乃刚编著