H桥可逆直流调速系统设计与实验.docx

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H桥可逆直流调速系统设计与实验

CDIO项目报告书

项目名称：

H桥可逆直流调速系统设计与实验

姓名：

班级：

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指导老师：

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摘要

在电力拖动系统中，调节电压的直流调速系统是应用最为广泛的一种调速方法，除了利用晶闸管获得可控的直流电源外，还可以利用其他可控的电力电子器件，采用脉冲调制的方法，直接将恒定的直流电压调制为极性可变、大小可调的直流电压，用以实现直流电机电枢电压的平滑调节，构成脉宽直流调速系统。

本报告采用了PWM脉宽调制的方法，完成了H桥可逆带转速负反馈的单闭环直流调速系统的设计及实验。

介绍了作为PWM控制器脉冲控制芯片的SG3525和驱动芯片IR2110的引脚功能与工作原理，转速调节器的选择以及参数的优化设计。

本文重点介绍了H桥可逆直流调速系统的总体结构、设计原理及参数优化设计方法，提供了通过matlab仿真进行实验效果预分析和校正处理，得到较为理想结果后进行实际操作和调试的实验思路。

关键词：

PWM脉宽调制单闭环直流调速SG3525matlab仿真

前言

1.项目研究报告的目的：

本项目研究目的在于通过对H桥可逆直流调速系统的设计与调试，加深学生对电力电子拖动相关原理的认识和理解，提高学生的团结协作能力，锻炼学生的动手操作能力。

2．项目研究报告的范围：

（1）H桥可逆直流调速系统的基本原理；

（2）转速器的选型以及参数的优化设计；

（3）　ＰＷＭ调速系统的的基本原理；

（4）SG3525芯片的介绍以及脉冲产生原理及控制接线；

（5）IR2110的脉冲功率放大原理及控制接线。

（6）相关电路设计：

控制电路设计；主电路设计；保护电路设计；供电电源设计；操作系统设计。

3.该领域所做工作和研究概况

对H桥电路工作的了解，对电路板及元件进行了解和认识。

对单闭环原理进行了解和运用。

学习并自行设计各个环节的参数以及需要的电阻电容的大小。

4.研究报告的意图和实验预期结果

设计成单闭环直流调速调节系统，以动态和静态性能设计好各个环节所用器件的具体参数。

做出仿真，由于时间急迫性。

可以先做出开环实验和单闭环。

完成电机的启动和调速。

5.项目组分工：

主电路控制电路设计：

参数的计算：

计算机仿真：

焊接、调试：

实验报告：

摘要…………………………………………………………………………………………......2

前言……………………………………………………………………………………………..3

第一章　调速控制系统设计…………………………………………………………………..5

　１、动静态性能指标规划…………………………………………………………………..5

1.1直流调速系统稳态分析………………………………………………………….5

1.2基于稳态性能指标闭环直流调速系统设计…………………………………….6

1.3直流调速系统动态性能分析…………………………………………………...8

1.4基于动态性能指标及系统动态稳定性反馈控制闭环直流调速系统设计…….10

2、控制系统动、静态数学模型的建立……………………………………………………11

2.1双极性控制的桥式可逆PWM变换器的工作原理……………………………..11

2.2SG3525芯片工作原理……………………………………………………………13

2.3控制电路具体设计………………………………………………………………..16

3、调速系统总体结构设计…………………………………………………………………16

4、调节器选型及参数优化设计……………………………………………………………16

4.1方案一参数设计…………………………………………………………………...16

4.2方案二参数设计……………………………………………………………………19

第二章电源及操作系统设计………………………………………………………………….19

第三章计算机仿真…………………………………………………………………………….19

1、方案一matlab仿真…………………………………………………………………20

2、方案二matlab仿真………………………………………………………………….21

第四章总结……………………………………………………………………………………..22

参考文献…………………………………………………………………………………………23

第一章　调速控制系统设计

１、动静态性能指标规划

1.1直流调速系统稳态性能分析

直流电动机具有良好的起、制动性能，可在大范围内平滑调速。

广泛应用于需要调速和快速正反向变化的电力拖动领域中。

直流电动机的转速和其它参量之间的稳态关系可用（1—1）式表示

（1—1）

式中U——电枢供电电压；

——由电机结构决定的电动势常数；

R——电枢回路总电阻；n——电动机转速；

I——电枢电流；

调节电动机的转速可以有三种方法：

（1）调节电枢的供电电压U来调节转速；改变电枢回路电阻R或减弱电机励磁磁通

调节。

在自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。

静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。

抗扰动性是指系统稳定在某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响。

静态性能指标

1.调速范围

电动机在额定负载运行时，系统限定的最高转速

与最低转速

之比叫做调速范围，用D来表示

（1—2）

2.静差率

系统在一转速下运转的时候，当负载由空载增加到额定值的时候对应的转速降落

和理想空载转速

的比值，称作为静差率s，表示为

（1—3）

显而易见，静差率它是用来衡量调速系统在负载发生变化的时候其转速的稳定度。

同样情况下当机械特性硬度变大，

就会变小，从而静差率也就变小，最终转速的稳定度就提高了。

事实上，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。

一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。

脱离了对静差率的要求。

任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。

1.2基于稳态性能指标闭环直流调速系统设计

调速原理

根据自动控制原理，反馈控制闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。

调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统能减少转速降落。

转速负反馈直流调速系统结构框图

在有反馈的闭环直流调速系统里，安装测速发电机TG与电动机同轴运转，这时可以引出负反馈电压

，它被调量转速成正比。

和给定电压

比较后，就得出转速偏差电压ΔUn，在经过放大器A的放大作用，最总控制电力电子变换器UPE的电压

得以产生，用它来控制电动机转速n。

转速闭环直流调速系统稳态结构框图

闭环系统静特性和开环机械特性的关系

由图看来，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。

带有比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差系统，而积分控制可以使系统在无静差的条件下恒速运行，实现无静差调速。

根据设计要求，要求稳态无静差，则要求调节器带有积分环节。

1.3直流调速系统动态性能分析

动态性能指标是实际生产对控制系统的动态性能有一定的要求，经过折算和量化表示出来的。

其动态性能指标包括了其对给定的跟随性能指标和其对扰动输入的抗扰性能指标。

1.跟随性能指标

在给定信号R（t）的作用下，系统输出量C（t）的变化规律可以通过跟随性能指标来描述。

当给定信号不同时，输出的响应也就不一样。

通常情况下输出量的初始值为零的时候，在给定信号阶跃变化的情况下的过渡过程来作为典型的跟随过程，这时候的动态响应又我们又叫做阶跃响应。

在一般的情况下我们希望阶跃响应中的输出量c（t）和其稳态值

的尽可能的小，而达到

的时间尽可能的快。

通常用用来作为阶跃响应的跟随性能的指标有：

上升时间

，超调量

和调节时间

三个量。

下面分别介绍：

1）.上升时间

在典型的阶跃响应跟随的过程中，输出量从零开始起第一次上升到稳态值

是所用的时间我们称之为上升时间，它可以表示系统动态响应的快速性，见图1—2。

图1—2输出量与时间关系

2）.超调量

在典型的阶跃响应跟随系统中，系统输出量超出了稳态值的最大偏离量在与稳态值的比值，叫做超调量：

反映了系统的相对稳定性。

系统的超调量越小，则表示系统的相对稳定性越好，即就是系统的动态响应比较平稳。

3）.调节时间

调节时间是衡量系统的整个调节过程快慢的物理量。

从原则上讲它是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来时的时间。

但对于线性的控制系统而言，原则上要等到

才是真正的稳定下来了，可是在实际的系统中由于存在一些非线性的因素致使其不用这样。

通常，我们一般在响应曲线的稳态值附近，取

的范围作为允许的误差带并认为响应曲线达到了并且再也不超出次范围的时候所需要的最短的时间定义为调节时间，如图1—2。

2.抗扰性能指标

抗扰过程是在系统的稳定运行中，突然加上负载阶跃扰动后输出的动态相应过程，并根据这个指标来定义抗扰动态的性能指标，见图1—3。

同常我们用到的抗扰性能指标分为动态降落

和恢复时间

：

1）.动态降落

动态降落：

在系统稳定运行时，突然给其加一定的扰动而后引起的转速的最大降落值

。

用输出量原稳态值

的百分数来表示。

输出量在动态降落后慢慢的恢复最后达到新的稳态值

是该系统在此次扰动下的稳态降落。

2）.恢复时间

系统从阶跃扰动的作用开始计时直到系统的输出量基本上恢复到稳态时，即距离新的稳态值

的差进入了某一基准量

的

范时总共花费的时间，我们定义其

为恢复时间

，其中

叫做抗扰指标中输出量的基准值。

在实际系统中由于对于各种动态指标的要求不同工程各有不同，所以通常要根据生产机械的具体要求而设定。

不过一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主[7]。

1.4基于动态性能指标及系统动态稳定性反馈控制闭环直流调速系统设计

反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。

扰动——除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”。

这里调速系统的扰动源有以下几种：

（1）负载变化的扰动（使

变化）；

（2）交流电源电压波动的扰动（使

变化）；

（3）电动机励磁的变化的扰动（造成

变化）；（4）放大器输出电压漂移的扰动（使

变化）；（5）温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；（6）检测误差的扰动（使

变化）。

闭环调速系统的给定作用和扰动作用

在设计闭环调速系统，常常会遇到动态稳定性和稳态性能指标发生矛盾的情况，这是可

以设计动态校正环节，来同时满足动态稳定性和稳态性能指标。

由静态设计要求得，调节器要包含积分环节，所以可以选择比例积分调节器或者比例积分微分调节器。

本设计中选择了后者，原因在后面的内容中加以详述。

2、控制系统动、静态数学模型的建立

2.1双极性控制的桥式可逆PWM变换器的工作原理

PWM系统在许许多多的方面都有很大的优点例如：

（1）PWM系统的主电路线路简单，需用的功率器件少；

（2）由于其