运动控制课程设计

目 录

摘要 ..................................... 错误！未定义书签。 1 设计分析 ................................................ 1

1.1双闭环调速系统的结构图 ............................. 1 1.2直流双闭环系统的原理 ............................... 1 1.3双闭环调速系统优点 ................................. 2 1.5 PWM变换器介绍 ..................................... 3 2 电路设计 ................................................ 3

2.1 PWM（双极式）主电路设计 ............................ 3 2.2 双闭环调节器电路设计 ............................... 4

2.2.1 电流调节器 ................................... 4 2.2.2 转速调节器 ................................... 5 2.3 信号产生电路 ....................................... 6 2.4 IGBT基极驱动电路原理 .............................. 8 2.5 基于EXB841驱动电路设计 ............................ 9 2.6 锯齿波信号发生电路 ................................ 10 3 系统参数计算 ........................................... 10

3.1电流调节器的设计 .................................. 10 3.2 转速调节器的设计 .................................. 13 心得及总结 ............................................... 17 致谢 ..................................................... 18 参考文献 ................................................. 19 附录 ..................................................... 20

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Ⅰ型和典型Ⅱ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；直流调速；双闭环；双极式

1 设计分析

1.1双闭环调速系统的结构图

直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM装置。其中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，达到设计要求。

图1 双闭环调速系统的结构图

1.2直流双闭环系统的原理

ASR（速度调节器）根据速度指令Un*和速度反馈Un的偏差进行调节，其输出是电流指令的给定信号Ui*（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。

1

ACR(电流调节器)根据Ui*和电流反馈Ui的偏差进行调节，其输出是UPE（功率变换器件的）的控制信号Uc。进而调节UPE的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te与TL不相等转速会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，转速不变后，达到稳定。

1.3双闭环调速系统优点

一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态[1]。这种理想的起动过程如图2所示。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。采用转速、电流双闭环控制系统。

参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图如图4所示。

1.4转速、电流双闭环控制系统

双闭环调速系统的起动过程有三个特点：

1饱和非线性。在不同情况下表现为不同结构的线性系统。 2准时间最优控制。Ⅱ阶段属于电流受限制条件下的最短时间控

2

制。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍地得到应用。

3转速必超调。按照PI调节器的特性，只有转速超调，ASR的输入偏差电压

?Un为负值，才能使ASR退饱和。这就是说，采用PI调

节器的双闭环调速系统的转速必超调。

1.5 PWM变换器介绍

脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。PWM变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。

2 电路设计

2.1 PWM（双极式）主电路设计

H型变换器电路在控制方式上分为双极式、单极式和受限单极式三种，本次设计我们选择双极式H型可逆PWM变换器。H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图9所示，WM逆变器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容C0滤波，以获得恒定的直流电压Us。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这时电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rz消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VTz。

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图9 H桥式直流脉宽调速系统主电路

四单元IGBT模块型号：20MT120UF 生产厂家：IR公司 主要参数如下：

UCER=1200V Ic=16A TCN=100?C PCM?0.9kW UCE(sat)?3.05V

*2.2 双闭环调节器电路设计

为了实现闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较，决定调节器的输出，反馈的关键是对被控量进行采样与测量。

2.2.1 电流调节器

由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数Toi?0.002s，以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。

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图10 给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器

2.2.2 转速调节器

转速反馈电路如图11所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数

Ton?0.01s。根据和电流环一样的原理，在转速给定通道上也加入相

同时间常数的给定滤波环节。

图11 含给定滤波与反馈滤波的PI型电转速调节器

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2.3 信号产生电路

本设计采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。根据主电路中IGBT的开关频率，选择适当的

Rt、

Ct值即可确定

振荡频率。电路中的PWM信号由集成芯片SG3524产生，SG3524采用是定频PWM电路,DIP-16型封装。

由SG3524构成的基本电路如图12所示，由15脚输入+15V电压，用于产生+5V基准电压。在6、7引脚之间接入外部阻容元件构成PI调节器，可提高稳态精度。12、13引脚通过电阻与+15V电压源相连，供内部晶体管工作，由电流调节器输出的控制电压作为2引脚输入，通过其电压大小调节12、13引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。

图12 SG3524管脚图

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图13 SG3524引脚接线图

图14 SG3524内部框图

主要参数：

输入电压Uimax：40V 输出电流：500mA 好散功率：1W

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2.4 IGBT基极驱动电路原理

工作原理如图15所示

图15 EXB841内部结构图

EXB841 系列驱动器的各引脚功能如下： 脚1 ：连接用于反向偏置电源的滤波电容器； 脚2 ：电源(+20V)； 脚3 ：驱动输出；

脚4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）； 脚5 ：过流保护输出；

脚6 ：集电极电压监视； 脚7 、8 ：不接； 脚9 ：电源； 脚10 、11 ：不接；

脚14 、15 ：驱动信号输入（-，＋）；

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2.5 基于EXB841驱动电路设计

驱动电路中V5起保护作用，避免EXB841的6脚承受过电压，通过VD1检测是否过电流，接VZ3的目的是为了改变EXB模块过流保护起控点，以降低过高的保护阀值从而解决过流保护阀值太高的问题。R1和C1及VZ4接在+20V电源上保证稳定的电压。VZ1和VZ2避免栅极和射极出现过电压，Rge是防止IGBT误导通。

针对EXB841存在保护盲区的问题，可如图16所示将EXB841的6脚的超快速恢复二极管VDI换为导通压降大一点的超快速恢复二极管或反向串联一个稳压二极管，也可采取对每个脉冲限制最小脉宽使其大于盲区时间，避免IGBT过窄脉宽下的低输出大功耗状态。针对EXB841软关断保护不可靠的问题，可以在EXB841的5脚和4脚间接一个可变电阻，4脚和地之间接一个电容，都是用来调节关断时间，保证软关断的可靠性。针对负偏压不足的问题，可以考虑提高负偏压。一般采用的负偏压是-5V，可以采用-8V的负偏压(当然负偏压的选择受到IGBT栅射极之间反向最大耐压的限制)，输人信号被接到15脚，EXB841正常工作驱动IGBT.

图16 EXB841驱动IGBT设计图

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主要参数：

电源电压：20V 最大输出功率：47mA 最高工作频率：10kHz

2.6 锯齿波信号发生电路

锯齿波信号发生器SG的输出信号Us与控制信号

*UC在PWM转换器

（SG3524）中进行比较，PWM输出幅度恒定、宽度变化的方波脉冲序列，即PWM波。SG电路可有UJT或者PUT构成。UJT锯齿波信号发生器基本电路如图17所示

图17 锯齿波信号发生电路

3 系统参数计算

3.1电流调节器的设计

(1)确定时间常数

1) 整流装置滞后时间常数：三相桥式电路的平均时空时间

Ts?0.0017s。

2)电流滤波时间常数:三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为

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了基本滤平波头，应有(1-2)Toi?3.33ms,因此取Toi?2ms?0.002s。 3)电流环小时间常数之和T?i?Ts?Toi?0.0037s。 4)电动势系数Ce=

Udo?Id*Ra?0.04

n0.014Ra=0.084s

375CeCm转矩系数Cm=30Ce/3.14=0.38 电机时间常数Tm?(2)选择电流调节器结构

根据设计要求：?i?5%，电磁时间常数Tl?La/Ra?0.0178s 可按典型Ⅰ型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的，其传递函数为

WACR(s)?Ki?is?1式中 Ki——电流调节器的比例系数； ?isτi——电流调节器的超前时间常数。

Tl检查对电源电压的抗扰性能：?0.0178/0.0037s?4.8，对于Ⅰ型系

T?i统动态抗扰性能，各项指标都可以接受。 (3)选择电流调节器的参数

电流调节器超前时间常数：?i?Tl?0.0178s。

电流环开环时间增益:要求?i?5%时应取KITi?0.5，因此

?KI?0.50.5??135.1s?1T?i0.0037

电流反馈系数:

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*Uim10????2.3VA?Inom1.5?2.9

U?nm10????0.004V(rnnom2400)min

PWM装置放大系数：Ks?4.8 于是，ACR的比例系数为:

Ki?KI?iR0.0178?3.4?135.1??0.74?Ks2.3?4.8

(4)校验近似条件

?1??K?135.1I电流环截止频率: ci

1)检验晶闸管整流装置传递函数近似条件： ?ci?即

11??196.1s?1??ci 3Ts3?0.0017

1 3Ts满足近似条件；

2) 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：

?ci?3即

31,TmTl

11?3?77.58s?1??ciTmTs0.084?0.0178

满足近似条件；

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3) 小时间常数近似处理条件：

?ci?即

113TsToi，

1111??180s?1??ci3TsToi30.0017?0.002

满足近似条件。 4)计算调节器电阻和电容

调节器输入电阻为R0?40k?，各电阻和电容值计算如下 Ri?KiR0?0.74?40k??29.6k?, Ci??iRi?0.01786?10?F?0.6， 329.6?10 Coi?4Toi4?0.002??106?F?0.2?F， 3R040?103.2 转速调节器的设计

(1)确定时间常数

1)电流环等效时间常数 2T?i?2?0.0037?0.0074s 2)转速滤波时间常数 Ton?0.01s

3)转速环小时间常数近似处理 T?n?2T?i?Tom?0.0174s (2)选择转速调节器结构

按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个

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积分环节,因此需要Ⅱ由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型Ⅱ型系统—选用设计PI调节器，其传递函数为

WASR(s)?Kn?ns?1 ?ns(3)选择调节器的参数

根据跟随性和抗干扰性能都较好的原则取h?5，则ASR超前时间常数为

?n?hT?n?5?0.0174s?0.087s 转速开环增益：

KN?h?16?2?2?s?396.4s2h2T?2n2?25?0.01742

ASR的比例系数：

Kn?(h?1)?CeTm6?2.3?0.04?0.084??19.62h?RT?n2?5?0.004?3.4?0.0174

(4)近似校验 转速截止频率为：

?cn?KN?1?KN?n?396.4?0.0871?34.5s?1s

1)电流环传递函数简化条件：?cn?1KI即 3T?i?11KI1135.1??63.7s??cn

3T?i30.0037 满足简化条件。

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2) 小时间常数近似处理条件：?cn?11

32T?iTon 现在，

1111??38.75??cn 满足

32T?iTon32?0.0074?0.01近似条件。

(5)计算调节器电阻和电容

调节器输入电阻 R0?40k?，则 Rn?KnR0?19.6?40k??784k? Cn??nRn?0.087?106?F?0.11?F ，取0.2?F 3784?10 Con?4Ton4?0.016??10?F?1?F ，取1?F 3R040?10(6)检验转速超调量

当h=5时，查表得，?n=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于这是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

设理想空载起动时，负载系数z=0。

?n?(?Cmax?nT?n%)?2(??z)nom? ?CbnTm当h=5时，

?Cmax%?81.2?；

?nmax?IdnomRa2.9?3.4r??246.5r，因此

minminCe0.0415

?n?81.2%?2?1.5?能满足设计要求。

246.670.0174??5.2%?20% 24000.08416

心得及总结

课程设计不仅是对前面所学电力电子技术和运动控制理论的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺，自己要学习的东西还太多。以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

通过这次课设，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，这也算是课设给我的一点小小的感悟。

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致谢

通过这次毕业设计，我学到了很多东西，感觉到理论和现实的差别。在过去四年多的大学学习中，大部分时间是在跟着老师学习，学习过去的一些基本理论、一些基本的思想，感觉上好像学习就应是这个样子，就应该是老师让我们干什么我们就干什么，没有自己真正实践过。第一次接触这样的课程，十分高兴。它能充分调动大家的积极性。不仅锻炼能力，而且可以学到很多书本上没有的东西。我上网查找相关的资料，并从众多资料中筛选出对自己有用的东西，真正锻炼了我的能力。在这次的设计中，也得到了同学和老师的帮助。通过这次学习，使我对本专业有了更深的认识，也大大提高了我的动手能力。

在此，感谢在课程设计过程中一直耐心、认真、负责的指导我的老师们，以及给与我帮助的所有同学。

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参考文献

[1]陈伯时. 电力拖动自动控制系统—运动控制系统第四版 [M]. 上海：机械工业出版社

[2]徐邦荃. 直流调速系统与交流调速系统 [M]. 武汉：华中理工大学出版社, 2000.

[3]李发海. 电机与拖动基础第二版 [M]. 北京：清华大学出版社,1994. [4]刘进军. 电力电子技术第五版 [M]. 北京机械工业出版社

[5]王臣业. Protel 99SE电路设计基础与工程范例 [M]. 北京：清华大学出版社,2008.

[6]王万良. 自动控制原理 [M]. 北京：高等教育出版社,2008. [7]李汉强. 运动控制系统 [M]. 武汉：武汉理工大学出版社,2002.

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附录

电路图总体设计

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