单极式PWM双闭环直流调速系统的设计.doc

沈阳工程学院课程设计（论文）21中 文 摘 要本文所论述的是“单极式PWM双闭环直流调速系统设计”。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。PWM调速系统由于具有动、静特性好，损耗小和电网功率因数高等优点，在中小功率伺服系统中已取代V-M系统，其使用日益广泛。由于双极式PWM变换器在工作过程中，4个电力晶体管都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两管直通的事故，降低了装置的可靠性。为了克服双极式变换器的这一缺点，对于静、动态性能要求低一些的系统，则可采用单极式PWM变换器，其主电路不变，不同的仅仅在于驱动脉冲信号。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型和典型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 单级式，双闭环，直流调速，电流调节器，电压调节器目录中 文 摘 要I目录II一、设计任务描述1二、设计思路2三、设计方框图5四、各部分电路设计及参数计算6小结20致谢21参考文献22一、设计任务描述1 任务试设计一H型单极式PWM直流闭环调速系统，已知的基本参数如下：电动机的PN =2.2kW , UN = 110V , I N = 22 . 56A, nN = 1500r/min, R a = 0.25，电枢回路总电阻R=0. 8，电枢回路电磁时间常数Tl = 0.025s，机电时间常数Tm = 0.08s，电源电压US =120V，给定转速的电压最大值和ASR, ACR的输出限幅值均为10V，电流反馈系数=2.256V/A，转速反馈系数 =0.0067V.min/r，电动势转速比Ce=0.0696 V.min/r，选用D202电力晶体管作功放用开关管，已知D202的参数如下：Tce0.159, tr0.103, tf0.061。2 要求按工程设计方法设计计算，设计的性能指标要求：稳态指标：稳态无静差。动态指标：电流超调量。空载起动到额定转速时的转速超调量。动态过渡过程时间s二、设计思路1 系统总体结构的设计此系统控制的对象是他励直流电动机，控制信号为转速控制电压给定信号，输出信号为电动机转轴的转速信号。系统的闭环控制按内环为电流环、外环为转速环的结构设计。电枢绕组的驱动为电力晶体管的PWM脉冲放大电路。转速和电流两个调节器可采用由运算放大器组成的模拟电路。PWM调速系统由于具有动、静特性好，损耗小和电网功率因数高等优点，在中小功率伺服系统中已取代V-M系统，其使用日益广泛。由于双极式PWM变换器在工作过程中，4个电力晶体管都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两管直通的事故，降低了装置的可靠性。为了克服双极式变换器的这一缺点，对于静、动态性能要求低一些的系统，则可采用单极式PWM变换器，其主电路不变，不同的仅仅在于驱动脉冲信号。2 环节设计、部件选择及参数计算根据总体结构要求设计各基本环节，由于电动机已经题意确定，所以需设计的环节主要有：电流、转速反馈环节，比较环节，H型单极式PWM变换器（包括锯齿波发生器，脉宽调制器，逻辑延时器，基极驱动电路和脉宽调制变换驱动器等），及电流、转速两个调节器等。最后根据已确定的各环节选择部件及计算参数。3 系统原理图系统原理图可以简化。但为了给建立系统动态数学模型打下基础，控制信号、反馈原理信号比较、调节原理、PWM调制和驱动电动机运行原理等都应在系统原理图中表示清楚。4 建立系统动态数学模型一般情况下，系统动态数学模型主要通过传递函数建立。PWM调速系统的控制规律和动态数学模型与V-M系统相比差别不大，主要不同点就是脉宽调制器和PWM变换器本身的传递函数。根据其工作原理，脉宽调制器和PWM变换器合起来可以看成是一个滞后环节，它的延时周期最大不超过一个开关周期T。和晶闸管装置传递函数的近似处理一样，当整个系统开环频率特性截止频率满足下式时可将滞后环节近似看成是一阶惯性环节。因此，脉宽调制器和PWM变换器的传递函数可以近似看成式中 Kpwm一脉宽调制器和PWM变换器的放大系数Kpwm= Ud/Uc ；Ud PWM变换器的输出电压；Uc脉宽调制器控制电压。图2-1是表示一单极PWM直流双闭环调速系统动态数学模型的动态结构图。图2-1 单极PWM直流双闭环调速系统动态结构图图中 (s)对应于给定转速的控制电压信号；Un(s)对应于实际转速的反馈电压信号；Un (s)对应于转速偏差的电压信号；Ui(s）对应于控制电流的电压信号；Uct(s)对应于脉宽调制器的输入控制电压信号；Ud0(s)PWM驱动电路输出的空载电压；E (s)电动机的反电动势；Id(s)电动机的电枢电流；Idl(s)对应于电动机负载转矩的负载电流；n (s)电动机转轴转速；Ton转速反馈环节滤波时间常数；Toi电流反馈环节滤波时间常数；KPWM, TPWM脉宽调制器和PWM变换器放大倍数与其近似惯性环节时间常数；R电动机电枢回路总电阻；Tl电动机电磁回路时间常数；Tm包括电动机在内的系统机电时间常数；Ce电动机在额定磁通下的电动势转速比；ASR系统的速度调节器；ACR系统的电流调节器；速度反馈系数；电流反馈系数。设计此动态结构图时，应先设计各模块的传递函数并求出各模块的参数和时间常数，再根据“先内环后外环”的原则分别设计ACR和ASR. ACR和ASR的设计是动态结构图设计的重点。其设计方法一般为先确定调节器结构，然后确定调节器的参数。调节器结构的设计可根据所设计闭环的控制（输出）量的要求及校正成哪一种典型系统的需要，在P, PI, PD, PID等类调节器中选一种。而调节器参数的设计则主要根据该闭环的输人、输出、各环节的参数及校正的目标系统的需要，通过计算而取得。另外也要考虑两个调节器限幅等非线性作用。数学模型建立过程中，主要有两项工作：一是要确定传递函数的结构；二是要计算各环节的时间常数和放大系数（比例系数）。三、设计方框图输入信号转速调节器电流调节器反馈环节反馈环节交流装置调节对象输出四、各部分电路设计及参数计算1 设计方法的基本思路预期典型系统选择调节器计算参数一般直流调速系统动态参数的工程设计，包括确定预期典型系统，选择调节器形式，计算调节器参数。如下图：最终结果应满足生产机械工艺要求提出的静态与动态性能指标。在实际应用中双闭环直流调速系统是应用得比较广泛的，而且也是比较典型的一种，也还是构成各种可逆调速系统的核心。双闭环调速系统由转速反馈和电流反馈组成，属于多环控制系统，其动态结构如下图：图4-1完整的闭环系统其结构由内到外，一环包围一环，每一闭环都设有本环的调节器，构成一个完整的闭环系统。转速调节器的输出作为电流调节器的输入，而电流调节器的输出则去晶闸管整流器的触发装置。从系统结构上看，电流环在里面，称为内环；转速环在外面，称外环。为了使转速，电流双闭环调速系统具有良好的静、动态性能。电流、转速两个调节器一般采用输出带限幅的PI调节器。典型系统及其参数与性能指标的关系(1) 典型型系统典型型系统的开环才传递函数为：由上式的结构可以看出典型型系统由一个积分环节和一个惯性环节相乘得来，其方框图如下：R（s）E（s）C（s）图4-2 典型型系统由上图可以看出来典型型系统是一个由积分环节和一个惯性环节串联组成的闭环反馈系统。(2) 型系统的稳态跟随性能由控制理论误差分析可知，型系统对阶跃给定信号的稳态误差为零；对单位斜坡输入信号的稳态误差不为零，即有跟踪误差。由上式可知，当开环增益K增大时，跟踪误差将减少。(3) 型系统的闭环传递函数为：在式中自然振荡频率，=；阻尼比，=。此系统在零初始条件下的阶跃响应动态性能指标计算公式为：超调量：调节时间： 截止频率：相角裕量：在对型系统进行工程设计时，通常选用K=1/(2T)或=0.707为典型函数，称为“型系统工程最佳参数”。当取这两个参数时，其性能指标为：实践表明，上述典型参数对应的性能指标适合于响应快而又不允许过大超调量的系统，一般情况下都能满足工程设计要求。(4) 型系统的频率特性典型型系统的开环对数频率特性如下图所示。当时，对数幅频特性以20dB/dec的斜率通过零分贝线，其截止频率=K，其相角裕量为L/dBO-20图4-3典型型系统开环对数频率特性从上述分析可知，与系统快速性相关的截止频率取决于开环增益K，增益K值可提高系统的快速性，但另一方面又会使相角裕量减少，超调量增大，所以不能随意增大。如果既要提高快速性，又要保持相角裕量不变，就应在增加的同时减少时间参数T，保持他们之间的比值不变。但时间常数T往往是系统的固有参数，较难改变，故在确定K值时，要兼顾快速性和超调量两项指标。典型型系统及其参数与性能指标的关系(1)典型型系统典型型系统的开环传递函数如下： ()其闭环系统结构图和开环对数幅频特性如下图所示：R(s)C(s)Oh-40-20-40图4-4典型型系统结构图和对数幅频特性从频率特性上可见，由于T一定，改变就等于改变了中频宽h；在确定以后，再改变K相当于使开环对数幅频特性上下平移，从而改变了截止频率。因此在设计调节器时，选择两个参数h和，就相当于选择参数和K。(2)性能指标与参数关系典型型系统的性能指标通常用三种方法描述：以相角裕量为基准的“最大（）法”；以闭环谐振峰值为基准的“最小谐振峰值法”；在第一种方法中令h=4或在第二种方法中令h=5时得到的“三阶工程最佳设计法”。“最小法”是根据最小振荡指标，由闭环频率特性推导的。反馈控制系统的闭环幅频特性如下图：MpM(w)IW图4-5闭环系统的幅频特性其中振荡峰值用表示。可以证明对于典型型系统，当截止频率符合下列关系式时，对应的最小，称为“最佳频比”，此时系统现对稳定性最好。或即这时最小的值与h有简单的关系：开环放大倍数则按“最小法”设计的典型型系统时的参数关系为若取h=5，则工程设计中的近似处理(1) 高频段小惯性环节的近似处理在下图所示的系统中，和是两个小惯性环节，系统的开环传递函数为若按典型一型系统进行校正，取调节器参数=，则系统的开环传递函数为 结构图如下：调节器交流装置调节对像反馈环节图4-6电流控制系统结构图式中K=显然，比典型一型系统的开环传递函数多了一个小惯性环节。为此需要将两个小惯性环节用一个等效惯性环节代替，并保持等效前后相角裕量不变，便可得到等效的典型一型系统的开环传递函数(2) 低频段大惯性环节的近似处理在把系统校正成典型型系统时，有时需要将系统中的大惯性环节近似用积分环节代替。若把下图校正成为典型型系统，在把两个小惯性环节等效成一个小时间常数T的惯性环节的同时，还需把大惯性环节等效成积分环节。L(w)WopBWopAL(w)L(w)L(w)L(w)L(w)图4-7等效前后的开环对数幅频特性近似等效前，系统的开环传递函数为式中K=若把大惯性环节用积分环节来近似，即则就成为典型型系统的形式 电流调节器和转速调节器的设计由任务书上的参数可以知道：电动机：=2.2KW，=110V，=22.56A，1500，=0.25，；预置参数：电流调节器输出限幅值=10V，它对应的最大整流电压=1.05=115.5V；ASR输出限幅值：=10V速度给定最大值：=10V电枢回路总电阻：R=0.8电枢回路电磁时间常数：=0.025s机电时间常数：=0.08s电源电压：=120V电流反馈系数：=2.256V/A速度反馈系数：=0.0067V min/r电动势转速比：=0.0696V min/r电力晶体管D202：启动电流：(3) 电流调节器ACR的设计最常用的电流调节器是PI。由于电流反馈滤波环节（惯性环节）折算到前向通道上表现为微分环节，电流超调将会增大，为此，在给定通道上也加一滤波环节（给定滤波器），以抵消电流反馈环节的影响。具有给定和反馈滤波器的电流调节器如下图所示。对PI调节器，其输出表达式为：其动态结构图，如下图所示，图4-8 电流调节器动态结构图式中双闭环直流调速系统中电流调节过程比转速调节过程快得多，因此电流环节设计时，可忽略电动机反电动势的影响。近似处理调节条件是：考虑到一般电动机电池时间常数要比晶闸管整流器等效时间常数和反馈滤波时间常数大得多，设计时可把和大得多，设计时可把和合并为小惯性群，即化简校正过程如下：a)b)图4-9 电流环等效结构图a) 等效前 b)等效后化简如下把电流环校正为典型型系统取“工程最佳”参数，结果如下：由此得调节器参数为性能指标如下：把上面几个参数代入得：校正后电流环动态结构图如下图所示，等效闭环传递函数为图三 典型型系统设计电流环结构图根据任务书说给参数可求得具体参数如下：(2)转速调节器ASR结构的的选择用电流环的等效传递函数代替电流闭环后，整个转速调节系统的动态结构图变成下图4-10 a所示：如果把给定滤波和反馈滤波环节等效的移到环内，同时将给定信号变为，再取时间常数，则转速环可化简成图四b形式a)b)c)图4-10转速环动态结构图a) 近似处理前 b)近似处理后c)按典型型系统校正后根据实践所得，转速环应该校正成为典型型环节，这不但符合静态无精差，而且使到调速系统具有良好的抗干扰性能，至于其阶跃响应超调量大的问题，是在线性条件下的计算数据，实际系统的转速调节器很多情况下是阶跃给定，因此，调节器会很快饱和，这个非线性作用会使超调量大大降低。把转速环校正成典型型环节，ASR应该采用PI调节器，其传递函数为：这样的调速系统的开环传递函数式中转速环开环增益 上式结果所需服从的假设条件为按法及典型型系统关系式得则调节器参数为取“工程最佳”参数时，h=5,则带入数据得：小结一周的伺服系统的课程设计已经结束，本设计为“单极式双闭环直流调速系统的设计”，设计的双闭环系统能满足设计指标的要求，完成了设计任务。经过该设计系统改进，与其为单闭环系统相比：机械特性偏硬，快速起制动，突加负载动态速将小。所以系统能够通过两个转速调节器进行自动调节作用减少稳态速降，但是有超调。为使系统的稳态性能更好，该系统采用无静差调节，即转速调节器采用比例积分调节器（PI调节器），使系统保证恒速运行，以保证满足更严格的生产要求。因为本系统采用了双闭环系统，单闭环系统不能随意控制电流和转矩的动态过程。采用电流截止负反馈环节只能限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。用工程设计方法设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，先内环后外环，即从内环开始，逐步向外扩展。首先设计电流调节器，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。外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）输出限幅值决定电机允许的最大电流。转速调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化。（2）对电网电压波动起及时抗扰作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。P