运动控制课程设计报告

1 带电流截止负反馈的转速闭环可逆直流调速系统的 仿真与设计 一、设计目的 1、应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。 2、应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 3、在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。 二、设计任务 带电流截止负反馈的转速闭环可逆直流调速系统的仿真与设计 三、设计参数 直流电动机控制系统设计参数如下：  输出功率为:7.5Kw 电枢额定电压220V  电枢额定电流 36A 额定励磁电流2A  额定励磁电压110V 功率因数0.85  电枢电阻0.2欧姆 电枢回路电感100mH  电机机电时间常数2S 电枢允许过载系数1.5  额定转速 1430rpm 测速发电机：  永磁式，ZYS231/110型  额定数据为23.1W,110V,0.18A,1800r/min 四、环境条件  电网额定电:380/220V;  电网电压波动:10%;  环境温度:-40~+40摄氏度;  环境湿度:10~90%. 五、控制系统性能指标  电流超调量小于等于5%;  空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;  调速范围D＝20;  静差率小于等于0.03. 六、问题的提出 众所周知，直流电动机全电压起动时，如果没有采取专门的限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机换向不利，对于过载能力低的晶闸管等电力电子器件来说，更是不允许的。采用转速负反馈的单闭环调速系统（不管是比例控制的有静差调速系统，还是比例积分控制的无静差调速系统），当突然加给定电压U*n时，由于系统存在的惯性，电动机不会立即转起来，转速反馈电压Un仍为零。因此加在调节器输入端的偏差电压，ΔUn=U*n，差不多是稳态工作值的（1+K）倍。这时由于放大器和触发驱动装置的惯性都很小，使功率变换装置的输出电压迅速达到最大值Udmax，对电动机来说相当于全电压起动，通常是不允许的。对于要求快速启制动的生产机械，给定信号多半采用突加方式。另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况，例如挖土机、轧钢机等，闭环系统特性很硬，若无限流措 2

施，电流会大大超过允许值。如果依靠过电流继电器或快速熔断器进行限流保护，一过载就跳闸或烧断迷熔断器，将无法保证系统的正常工作。 为了解决反馈控制单闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须设有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制的基本概念，要维持某个物理量基本不变，只要引入该物理的负反馈就可以了。所以，引入电流负反馈能够保持电流不变，使它不超过允许值。但是，电流负反馈的引入会使系统的静特性变得很软，不能满足一般调速系统的要求，电流负反馈的限流作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时必须去掉，使电流能自由地随着负载增减。这种当电流大到一定程度时才起作用的电流负反馈叫做电流截止负反馈。 七、电流负反馈截止环节 为了实现截止负反馈，必须在系统中引入电流负反馈截止环节。电流负反馈截止环节的具体线路有不同形式，但是无论哪种形式，其基本思想都是将电流反馈信号转换成电压信号，然后去和一个比较电压Ucom进行比较。电流负反馈信号的获得可以采用在交流侧的交流电流检测装置，也可以采用直流侧的直流电流检测装置，我们将在电流检测装置一节中作详细介绍。最简单的是在电动机电枢回路串入一个小阻值的电阻Rs，IdRs是正比于电流的电压信号，用它去和比较电压Ucom进行比较。当IdRs>Ucom，电流负反馈信号Ui起作用，当IdRs≤Ucom，电流负反馈信号被截止。比较电压Ucom可以利用独立的电源，在反馈电压IdRs和比较电压Ucom之间串接一个二极管组成电流负反馈截止环节，如图 (a)所示；也可以利用稳压管的击穿电压Ubr作为比较电压，组成电流负反馈截止环节，如图 (b)所示。后者线路更为简单。

图1 电流负反馈截止环节 （a）利用独立电源作比较电压 （b）利用稳压管获得比较电压 八、带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统 下图给出了带电流截止负反馈的转速负反馈调速系统的原理框图。图中控制器采用PI调节器，电流反馈信号来自交流电流检测装置，与主电路电流Id成正比，反馈系数为β，临界截止电流为Idcr，稳压管的击穿电压为Ubr，于是

有 3

图2 带电流截止负反馈的单闭环调速系统 静特性如图所示：

图3 带电流截止负反馈的转速负反馈闭环调速系统的静特性 显然，在Id≤Idcr时，系统的转速是无静差的，静特性是平直的（图中的no-A）段；当Id>Idcr时A，A-B段的静特性则很陡，静态速降很大。这种两段式的特性常被称为下垂特性或挖土机特性，因为挖土机在运行中如果遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，这时的电流称为堵转电流Idbl。电机堵转时，n=o，得

Idbl应小于电动机的允许最大电流（1.5～2.5）Inom，另一方面，从正常运行特性n0-A这一段看，希望有足够的运行范围，截止电流Idcr应大于电动机的额定电流，例如取

。这些就是设计电流截止负反馈环节参数的依据。 九、PWM脉宽调制 9.1 PWM基本介绍 自从全控型整流电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器—直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。PWM系统在很多方面有较大的优越性： 主电路线路简单，需用的功率器件少； 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小； 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右； 4

若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强； 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网效率因数比相控整流器高。 由于上述优点，在中、小容量的高动态性能系统中，直流PWM调速系统的应用日益广泛。 9.2 脉宽调制变换器 在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电。过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。为了节能，并实行无触电控制，现在多改用电力电子开关器件，如快速晶闸管，GTO，IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，统称为脉宽调制变换器。 直流斩波器-电动机系统的原理如图4a所示，其中VT用开关符号表示任何一种电力电子器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压Us加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，得到电枢端电压波形u=f(t),如图4b所示，好象是电源电压Us在ton时间内被接上，又在（T-ton）内被斩断，故称为“斩波”。这样，电动机得到的平均电压为： Ud=(ton/T)*Us=ρ*Us 式中 T---功率开关器件的开关周期 ton---开通时间 ρ---占空比，ρ= ton/T= ton*f，其中f为开关频率。

图4脉宽调制变换器-电动机系统的原理图和电压波形图 a）原理图 b)电压波形图 如图5 a)所示，给出了一种可逆脉宽调速系统的基本原理图，由VT1—VT2共4个电力电子开关器件构成桥式（或称H形）可逆脉冲宽度调制（PULSE WIDTH MODULATION，简称PWM）变换器。VT1和VT4同时导通和关断，VT2和VT3同时通断，使电动机M的电枢两端承受电压+ Us或- Us。改变两组开关器件导通的时间，也就改变了电压脉冲的宽度，得到电动机两端电压波形如图3—2 b)所示 5

图5 桥失可逆脉宽调速系统基本原理图和电压波形 a)基本原理图 b)电压波形 如果用ton表示VT1和VT4导通的时间，开关周期T和占空比ρ的定义和上面相同，则电动机电枢端电压平均值为： Ud=(ton/T)*Us- [（T-ton）/ T]* Us=（2*ton/ T-1）* Us=（2ρ-1）*Us 脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。 9.3 桥式可逆PWM变换器 可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H型）电路，如图6所示。

图6桥式可逆PWM变换器 双极式控制可逆PWM变换器的4个驱动电压波形如图7所示。 6

图7 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形 它们之间的关系是：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。在一个开关周期内，当0≤t电枢电流id沿回路1流通；当ton≤tUab=-Us。因此，Uab在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。

图7也绘出了双极式控制时的输出电压和电流波形。1dI相当于一般负载的情况，脉动

电流的方向始终为正；2dI相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。电动机的正反转则体现在驱动电压正、负脉冲的宽度上。当正脉冲较宽时，ton>T/2,则Uab的平均值为正，电动机正转，反之，则反转；如果正、负脉冲相等，t=T/2,平均输出电压为零，则电动机停止。图7所示的波形是电动机正转时的情况。 双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为：

sonsonsondU)1Tt2(UTtTUTtU 若占空比ρ和电压系数γ的定义与不可逆变换器相同，则在双极式是可逆变换器中：γ

=2ρ-1就和不可逆变换器中的关系不一样了。调速时，ρ的可调范围为0~1，相应的，γ=（-1）~（+1）。当ρ>1/2时，γ为正，电动机正转；当ρ<1/2时，γ为负，电动机反转；当ρ=1/2时，γ=0，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而，电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。 双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点： 1) 电流一定连续； 2) 可使电动机在四象限运行； 3) 电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区； 4) 低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右； 5) 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。为了克服上述缺点，可采用单极式控制，使部分器件处于常通或常断状态，以减少开关次数和开关损耗，提高可靠性，但系统的静、动态性能会略有