精品毕业论文基于h型主电路的直流pwmm可逆调速系统设计

目 录摘 要2Abstract31 双闭环直流PWM-M可逆调速系统的原理与设计41.1 系统框图41.2 转速、电流双闭环调速系统51.4电流调节器和转速调节器的设计81.4.1电流调节器的设计81.4.2 转速调节器的设计92 可逆PWM变换器112.1可逆PWM变换器工作原理112.2 PWM控制电路133 系统的仿真143.1 建立仿真模型143.2 H桥PWM直流可逆调速系统的仿真分析及结果163.2.1 H桥PWM开环调速系统仿真结果163.2.2 H桥PWM双闭环直流调速系统仿真图174 总结21参考文献22摘 要当今，直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，随着计算机毕业设计技术的不断进步，数字化PWM已逐步取代模拟式PWM，成为电力电子装置共用的核心技术。交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于PWM技术的不断进步。目前广泛应用的是在规则采样PWM的基础上发展起来的准优化PWM法，即三次谐波叠加法和电压空间矢量PWM法，这两种方法具有计算简单、实时控制容易的特点。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了MOSFET模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。 关键词：直流可逆调速，双闭环，PWM AbstractToday,DC speed regulation is mainly made up of control unite,power unite and DC motor.For a long time,DC motor has possessed the main role in the area of electric drive field because of its neatly adjust,easy method and smooth timing in wide rage,also,its control performance is very good. This paper based on the microcomputer control of double closed loop speed system reversible dc PWM is thoroughly study, along with the computer graduation design technology advances, digital PWM has gradually replace analog PWM, become the power electronic equipment Shared by the core technology. Ac motor performance of speed in the continuous improvement of the largely due to PWM technology advances. It is used widely in the rules of the sample PWM developed on the basis of accurate PWM optimization method, i.e. three harmonic superposition method and voltage space vector PWM method, the two kinds of method is simple, the characteristics of the real-time control easily. This paper analyzes the working principles of the system and some key technical issues of the application based on the IGBT apparatus,which include drive circuit,snubber circuit,protection and controlling the quantity of heat,and so on.In the aspect of microcomputer control,it has discussed the principle of number touch off、number velocity testing、current/velocity controller、number PWM modulator and presents the hardware/software scheme to achieve it.Keywords: reversible DC timing system,Double Closed Loop Pulse-Width Modulation1 双闭环直流PWM-M可逆调速系统的原理与设计1.1 系统框图整个系统上采用了转速、电流双闭环控制结构，如图1所示。在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以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作为PWM的控制电压。从闭环反馈结构上看，电流调节环在里面，是内环，按典型型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检测，达到了比较理想的检测效果。主电路部分采用了以GTR为可控开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。控制PWM脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中对电机速度的控制。 图1系统结构直流调速系统的结构如上图所示，其中UPE是电力电子器件组成的变换器，其输入接三相(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压铸。对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P一MOSFET组成的PWM变换器;对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等;对于特大容量的系统，则常用晶闸管装置。根据自动控制原理，反馈控制的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。1.2 转速、电流双闭环调速系统一般来说，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0nnt输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。这种理想的起动过程如图2所示。图2 转速调节系统理想起动过程 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，就要引入这个量的负反馈。因此很自然地想到要采用电流负反馈控制过程。这里实际提到了两个控制阶段。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。如何才能做到使电流、转速两种负反馈在不同的控制阶段发挥作用呢？答案是采用转速、电流双闭环控制系统。如图3所示。图3 双闭环直流调速控制系统原理图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。图4 双闭环直流调速系统动态结构图在转速环、电流环的反馈通道和输入端增加了转速滤波、电流滤波和给定滤波环节。因为电流检测信号中常含有交流成分，须加低通滤波，其滤波时间常数按需要而定。滤波环节可以抑制检测信号中的交流分量，但同时也个反馈检测信号带来延迟。所以在给定信号通道中加入一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，其时间常数用表示。1.3 双闭环控制系统起动过程分析前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图5所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以、和。第阶段：0t1是电流上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使、都上升，当后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压数值较大并使其输出达到饱和值，强迫电流迅速上升。当时，电流调节器ACR的作用使不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。图5 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形第阶段：t1t2是恒流加速阶段。这一阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又，n，这样才能保持=cont。由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。第阶段：t2以后是转速调节阶段。此时，但由于积分作用，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。当时，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段时间内，转速仍继续增加。当时，n达到最大值（t3时刻）。此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小与的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：l 饱和非线性。在不同情况下表现为不同结构的线性系统。l 准时间最优控制。阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。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。l 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。1.4电流调节器和转速调节器的设计我们现在采用一般系统调节器的工程设计方法具体设计双闭环调速系统的两个调节器。由工程设计法可知，设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环逐步向外扩展。在这里，先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。1.4.1电流调节器的设计图6 电流环的动态简化结构图由双闭环系统动态结构图可看出外环通过反电动势E对内环产生影响，但是由于实际系统中处于外环的系统机电时间常数比内环的时间常数大得多，机构经ACR对内环效正后其输出量的动态过程变化很快，而反电动势E的变化过程E（t）相对来说是缓慢的。反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似地认为E基本不变。因此在设计电流环时可以简化计算略去反电动势E对内环地影响，将电流闭环的动态结构简化为单位负反馈形式并将脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间T与电流反馈滤波时间两个小的时间常数所对应的两个小惯性合并为一个小惯性时间环节，即，于是得到如图6的电流简化动态结构图。电流环即可设计成典型I型系统也可设计成典型II型系统，一方面取决于对电流环的动态要求，并且典型I系统的跟随性能优于抗扰性，而典型II型系统的抗扰性优于跟随性。电流环的一项重要作用就是保持电枢电流动态过程中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电流环效正成典型I系统。另一方面电流环还有对电网电压波动及时调节的作用，为了提高其抗扰性能，有希望把电流环效正成典型II系统。在一般情况下，当控制对象的两个时间常数之比时，典型I系统的抗扰恢复时间还是可以接受的，因此，效正成典型I型系统，显然采用PI调节器，其传递函数为： （11）电流调节器的参数包括和，为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，取=。按二阶最佳系统效正，在一般情况下，希望超调量%5%时，查表得阻尼比=0.7070，=0.5，因此 （12）1.4.2 转速调节器的设计由自动控制基本理论推导可得，电流环不论是典型I型花或是典型II型化在一定的近似条件下都可以等效为一个惯性环节，写成通式为： （13）若典型I型化且=0.707，=0.5，则a=2。若典型II型化h=5,m=0.1.则a=。由上式画出转速闭环的动态结构图，将它简化为单位负反馈形式并将两个小惯性合并为一个小惯性，即将转速给定及转速反馈的滤波时间常数与电流环等效时间常数合并为转速环小惯性时间常数.由于要求转速对负载扰动无静差，则在ASR中必须含有积分环节，取ASR为PI调节器，因此转速环必然按典型II型系统设计。若只考虑给定信号的作用则得到简化的转速环的动态结构图如图7所示，这里有 （14）图7 转速调节闭环等效动态结构图可见，上图已具备典型II型系统的标准形式，ASR调节器的参数按以下各式计算即可 （15） （16） （17） 2 可逆PWM变换器2.1可逆PWM变换器工作原理可逆变换器主电路的结构形式有H型、T型等多种类型，现在选用常用的H型变换器，它是由4个电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。H型变换器在控制方式上分为双极式、单极式和受限式三种。本设计选用双极式H型PWM变换器。图8绘出了双极式H型PWM变换器的电路原理图。和同时导通和关断，其驱动电压和；和同时动作，其驱动电压= =。它们的波形如图9所示。在一个开关周期内，当0t 时，和为正，晶体管和饱和导通；而和为负，和截止。这是，加在电枢AB两端, =,电枢电流沿回路1流通。t T时，和变负，和截止；、变正，但、并不能立即导通，因为在电枢电感释放储能的作用下，di沿回路2经、续流，、上的压降使、c-e极承受反压，这时，=。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征。图8双极式H型PWM变换器电路图9 双极式PWM变换器电压和电流波形双极式可逆PWM变换器电枢平均端电压为： （21）以=定义PWM电压的占空比，则 = （22）的变化范围为 1。当为正值时，电动机正转；为负值时，电动机反转；0时，电动机停止。在0时虽然电机不动，电枢两端的瞬时电和瞬时电流都不是零，而是交变的。这个交变电流平均值为零，不产生平均转矩，陡然增大电机的损耗。但它的好处是使电机带有高频的微振，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、反向的静摩擦死区。 2.2 PWM控制电路 经典的模拟控制电路主要由PWM 电路、延时电路和驱动电路组成。而PWM发生电路是采用三角波发生器产生的三角波放大后与一路可调直流电压（电流调节器输出的uk进行比较，则电压比较器输出的是一系列方波信号。如果改变uk的大小, 那么方波脉冲宽度将会改变, 从而达到脉宽调制的目的。其基本电路结构和调制原理如图10。脉宽调制信号的质量，对于PWM 调速系统是十分重要的。然而它的质量主要取决于三角波信号的质量。如果三角波的线性度不好，那么PWM 的输出将得不到对称的波形。这对调速系统来说，将大大地降低系统的性能，出现正反转不平衡。 图10 PWM基本电路结构和调制原理3 系统的仿真3.1 建立仿真模型(1)打开MATLAB中的Simulink工具箱，将所需模块拖入模型编辑窗口并将其相连。(2)将设计的开环调速系统的参数输入各个模块，运行调试功能，如果无误后就可以运行系统。(3)运行后便可通过模拟示波器观察波形。1H桥PWM发生器仿真模型如图11所示图11 H桥PWM发生器防真模型2转速调节器和电流调节器模块分别如图12、13所示图12 转速调节器模块图13 电流调节器模块2H桥PWM开环调速系统仿真模型如图12所示：图12 H桥PWM开环调速系统仿真模型3H桥PWM双闭可逆环调速系统仿真模型如图13所示：图13 H桥PWM双闭环调速系统仿真模型3.2 H桥PWM直流可逆调速系统的仿真分析及结果3.2.1 H桥PWM开环调速系统仿真结果PWM变流器的输出瞬时电压波形图如图14所示：图14 PWM输出电压瞬时值波形图由于输出电压基本是定值，所以其平均电压与瞬时电压一样，其波形图是一条稳定的直线。转速波形图如图15所示：图15 输出转速波形图电枢电流波形图如图16所示：图16 电枢电流波形图3.2.2 H桥PWM双闭环直流调速系统仿真图转速给定波形图如图17所示：图17 转速给定波形图转速波形图如图18所示图18 转速波形图电流给定波形图如图19所示图19 电流给定波形图电枢电流波形图如图20所示图20 电枢电流波形图电流调节器的输出及局部展开图分别如图21、22所示图21 电流调节器的输出图22 电流调节器输出局部展开图4 总结双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从起动时间上看，阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。本次设计的直流PWM调速系统与由晶闸管相控整流构成的直流调速系统的区别在于主电路和PWM控制电路。至于闭环控制系统，静、动态分析和设计基本相同。在提高主电路驱动能力，完善相应的保护电路后，PWM系统还可用于一般直流电机的调速。PWM调速系统结构简单，省去了复杂的换流装置，因此体积小，成本低，加之采用PIM来完成直流电动机PWM调速控制器，不仅简化了系结构，提高了系统性价比、灵活性、可靠性和抗干扰性，还可有效克服以往直流调速中谐波大、功率因数低的问题，是一种节能的调速方案，在应用中取得了令人满意的结果。参考文献1李仁定.电机的微机控制.北京：机械工业出版社，19992陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，20003