直流电机PWM调速系统设计书

1 直流电机 速系统设计书 第一章 绪论 背景 在现代科学技术革命过程中，电气自动化在 20世纪的后四十年曾进行了两次重大的技术更新。一次是元器件的更新，即以大功率半导体器件晶闸管取代传统的变流机组，以线形组件运算放大器取代电磁放大器件。后一次技术更新主要是把现代控制理论和计算机技术用于电气工程，控制器由模拟式进入了数字式。在前一次技术更新中，电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方法。而后一次技术更新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变，电气系统的结构和性能亦随之改观。在整个电气自动化系统 中，电力拖动及调速系统是其中的核心部分。 现代的电力拖动控制系统都是由惯性很小的晶闸管、电力晶体管或其他电力电子器件以及集成电路调节器等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以用低阶近似。而以运算放大器为核心的有源校正网络（调节器），和由 R、 又可以实现更为精确的比例、微分、积分控制规律 ,于是就有可能将各种各样的控制系统简化和近似成少数典型的低阶系统结构。 目前，随着大功率电力电子器件的迅速发展，交流变频调速技术已日臻成熟并日渐成为实际应用的主流，但这并不意味着传统的直 流调速技术已经完全退出了实际应用的舞台。相反，近几年交流变频调速在控制精度的提高上遇到了瓶颈，于是直流调速的优势就显现了出来。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。譬如在对控制精度有较高要求的造纸，转台，轮机定位等系统中仍离不开直流调速装置，因此加强对直流调速系统的研究还是很有必要的。 直流调速系统的方案设计 设计已知参数 1、拖动设备：直流电动机： 8520rn 600 ，过载倍数 。 2、 负载：直流发电机： 0020rn 500 3、 机组：转动惯量 22 2 设计指标 1、 D，稳态时无静差。 2、稳态转速 n=1500r/负载电流 3、电流超调量 %5i，空载起动到稳态转速时的转速超调量 %15n。 现行方案的讨论与比较 直流电动机的调速方法有三种：调节电枢供电电压 U、改变电动机主磁通 、改变电枢回路电阻 R。 改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速 以上作小范围的升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。 改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有三种：旋转变流机组、静止可控整流器、直流斩波器或脉宽调制变换器。 由于旋转变流机组缺点太多，采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。离子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点，而且缩短了响应时间。目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统已经成为直流调速系统的主要 形式。 由于以上种种原因，所以选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。 选择 制系统的理由 能全，通用性强的单片集成 于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。 ： 1） 用的功率器件少。 2） 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。 3） 低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到 1： 10000左右。 4） 如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快。 3 变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中， 速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。 选择 H 桥型主电路的理由 1)关损耗小。 2)在相同电压和电流定额的情况下， 安全工作区比 且具 有耐脉冲电流冲击的能力。 3)别是在电流较大的区域。 4)输入特性与电力 5)与电力 时可保持开关频率高的特点。 在众多 以 种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。本次设计以 采用转速电流双闭环的理由 同开环控制系统相比，它具 有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。 单闭环速度反馈调速系统，采用 以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。 在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最 大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。 以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。 4 第二章 直流脉宽调速系统主电路设计 主电路结构设计 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 面对本课设用到的可逆做一下简单的介绍和分析。 可逆 型 和 基本电路如图 中（ a）为 b）为 图 逆 换器电路 （ a） T 型 （ b） H 型 用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于 50是 路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为 由 四个可控电力电子器件和四个续流二极管组成的桥式电路 。 双极式可逆 换器的主电路如图 b）所示。四个电力晶体管分为两组， 一组中两个电力晶体管的基极驱动电压波形相同，即 通和关断。而且 一个开关周期内 换器输出电压 由于电压 性的变化，使得电枢回路电流的变化存在两种情况，其电压、电流波形如图 示 。 图 极式 换器电压和电流波形 （ a）电动机负载较重时 （ b）电动机负载较轻时 如果电动机的负载较重，平均负载电流较大， 2止。这时，5，电 枢电流沿图 b），电动机处于电动状态。在 时，1 止；2电枢电感释放储能的作用下，电枢电流经二极管 流，在 的正向压降使 承受反压而不能导 通，5，电枢电流 流通，电动机仍处于电动状态。有关参量波形图示于图 a）。 如果电动机负载较轻，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零。于是在2 时， 在负的电源电压（ 5U ）和电动机反电动势 枢电流回路 3流通，电动 机处于反接制动状态。在 1 （ 10 ）时，2 止，因电枢电感的作用，电流经 流，使 承受反压，虽然1 不能导通，电流沿回路 4 流通，电动机工作在制动状态。有关参量的波形示于图 b）。 6 双极式可逆 换器与具有制动作用的不可逆 要区别在于电压波形；前者，无论负载是轻还是重，加在电动机电枢两端的电压都在5U和5U之间变换；后者的电压只在5U和 0之间变换。这里并未反映出 “ 可逆 ” 的作用。实现电动机制可逆运行，由正、负驱动电压的脉冲宽窄而定。如果正、负脉冲宽度相等， 2/，平均电压为零 ，电动机停止运转。因为双极式可逆 换器电动机电枢两端的平均电压为 555 )12()(1 若仍以5/来定义 双极式 25 。 改变 即可调速， 的变化范围为 11 。 为正值，电动机正转； 为负值，电动机反转； 0 ，电动机停止运转。在 0 时，电动机虽然不动，但电枢两端的瞬时电压和流过电枢的瞬时电流都不为零，而是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增加了电动机的损耗，当然是不利的。 由于本次设计要求电机能实现启动、制动、正反转，并且能进行无极调速等。又根据 双极式 H 型 可逆 换器 具有 的优点：电流一定连续，可以使电动机实现四象限动行；电动机停止时的微 振交变电流可以消除静摩擦死区；低速时由于每个电力电子器件的驱动脉冲仍较宽而有利于折可靠导通；低速平稳性好，可达到很宽的调速范围 。 所以，本次设计我们选择 双极式 逆 主电路如图 图 桥主电路 7 泵升电路 当脉宽调速系统的电动机转速由高变低时（减速或者停车），储存在电动机和负载转动部分的动能将变成电能，并通过 换器回馈给直流电源。当直流电源功率二极管整流器供电时，不能将这部分能量回馈给电网，只能对整流器输出端的滤波电容器充电而使电源电压升高，称作 “ 泵 升电压 ” 。过高的泵升电压会损坏元器件，因此必须采取预防措施，防止过高的泵升电压出现。可以采用由分流电阻 R 和开关元件（电力电子器件） 成的泵升电压限制电路，如图 图 升电压限制电路 当滤波电容器 C 两端的电压超过规定的泵升电压允许数值时， 通，将回馈能量的一部分消耗在分流电阻 R 上。这种办法简单实用，但能量有损失，且会使分流电阻 参数设计 的参数 做绝缘栅 极双极晶体管。这种器件具有 极的高速开关性能和双极动作的高耐压、大电流容量的两种特点。其开关速度可达 1定电流密度 100A/电压驱动，自身损耗小。其符号和波形图如图 示。 设计中选的 的型号是 的参数如下： 8 管子类型： 极限电压 600V 极限电流 27 A 耗散功率 P： 200 W 额定电压 U： 220V 额定电流 I： 号及波形图 缓冲电路参数 如图 2.1(b)所示， 电阻和电容组成。 是由于 工作频率可以高达 30此很小的电路电感就可能引起颇大的c，从而产生过电压，危及 安全。逆变器中 通时出现尖峰电流，其原因是由 于在刚导通的 以在此二极管恢复阻断前，刚导通的 形成逆变桥臂的瞬时贯穿短路，使此需要串入抑流电感，即串联缓冲电路，或放大 容量。 缓冲电路参数：经实验得出缓冲电路电阻 R=10K ；电容 。 泵升电路参数 如图 示，泵升电路由一个电容量 大的电解电容、一个电阻和一个 成。 泵升电路中电解电容选取 C=2000 F ；电压 U=450V； 号的 管； 电阻选取 R=20 。 第三章 直流脉宽调速系统控制电路设计 号发生器 号发生器以 集成可调脉宽调制器 核心构成，他把产生的 电压信号送给 H 桥中的四个 过改变电力晶体管基极控制电压的占空比，而达到调速的目的。其控制电路如图 3 图 3制电路 转速、电流双闭环设计 电流调节器设计 本设计 因为 i% 5% 且 I =(忽略了饱和压降 )其临界状态， ,因此 临界值为： 应的 临界值为： ， 通，使 变，因此即使 即 续上升） 保持等于 不变。 显然： 2 动态特性 前已分析过稳态情况下输入与输出的关系如下： +1/2于 此电容器 端的电压为： +1/2控制信号突然下降时，即 样由于 端的电压不能突变，所以 止，造成 通，同理 极节点有以下关系： b c 173)( b c )(14183173 因此： b c )(14183173 由上可知，当控制信号突变时，输出电压变化速度只与 或 有关，而与其变化的数值大小无关，只要合理选择， 17 及长久可以得到所希望的上升或下降速度。 32 图 发电路 为了获得 制信号，控制电路采用了 制单元是 宽调速系统的核心，它由 片 其相关的外围电路组成。 本系统采用 此正转和反转各有一个电流调节器，分属在各自 为了使 出的 号能通过脉冲变压器的隔离传至 用一片 片对两路输出 号进行了放大。 电流检测 在直流电源的正极引线上安装有霍尔电流传感器 50P，它 由 15V 电源供电，二次电流通过测量电阻 R 200欧姆形成电流反馈信号。 给定单元 给定单元由 15V 电源，双