双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统的设计.doc

电力拖动自动控制系统课程设计报告 PWM 控制双闭环可逆直流 调速系统设计 学学 院 院 信息工程学院 学学 号 号 专业 方向 年级 专业 方向 年级 学学 生生 姓姓 名 名 扬州大学信息工程学院 年 月 日 目录目录 1 课程设计任务书 1 2 课程设计技术报告 3 2 1 方案确定 3 2 1 1 方案选定 3 2 1 2 桥式可逆 PWM 变换器工作原理 3 2 1 3 系统控制电路图 6 2 1 4 双闭环直流调速系统静态分析 6 2 1 5 双闭环直流调速系统稳态结构图 7 2 2 硬件结构 9 2 2 1 主电路 9 2 2 2 泵升压限制 11 2 3 主电路参数计算及元件选择 12 2 3 1 整流二极管选择 12 2 3 2 绝缘栅双极晶体管选择 12 2 4 调节器参数设计和选择 13 2 4 1 电流环的设计 13 2 4 2 转速环的设计 16 2 4 3 反馈单元 18 2 5 系统动态结构图 19 2 6 系统仿真 3 心得体会 20 4 参考资料 1 1 课程设计任务书课程设计任务书 1 11 1 题目 题目 PWM 控制双闭环可逆直流调速系统设计 1 21 2 设计目的和意义 设计目的和意义 1 通过对电力拖动控制系统的设计 了解电力电子 自动控制原理及 电力拖动自动控制系统课程所学内容 初步具备设计电力拖动自动控制系统的 能力 为今后从事技术工作打下必要的基础 2 运用 电力拖动控制系统 的理论知识设计出满足任务书要求的直 流调速系统 通过建模 仿真验证理论分析的正确性 1 31 3 技术数据 技术数据 1 他励直流电动机的参数 电枢电阻 Ra 1 64 电枢回路总电感 L 10 2mH 额定电流 6A 额定电压 110V 额定转速 n 1000r min nomInomU 电流过载倍数 2 励磁电压 110V 励磁电流 0 4A 转动惯量 0 0468kg m2 磁场与电枢互感 2 17 2 电枢回路总电阻 R 2 调速系统的最小负载电流 1A oI 3 主电源 可以选择单相交流 220V 供电 4 稳定指标 无静差 动态指标 5 i 5 空载起动到额定转速时转速超调量 15 n 6 给定电压最大值为 10V 1 41 4 设计任务 设计任务 1 总体方案的确定 2 主电路原理及波形分析 元件选择 参数计算 3 系统原理图 稳态结构图 动态结构图 4 电流环 转速环的参数的设计 5 根据电流环 转速环的参数构建仿真模型 6 进行 MATLAB 仿真 2 2 课程设计课程设计技术报告技术报告 2 12 1 方案确定方案确定 2 1 12 1 1 方案选定方案选定 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 总体方案简化图如图 1 所示 ASRACRPWM R 1 Ce Un Ui n Id 图 1 双闭环调速系统的结构简化图 用双闭环转速电流调节方法 虽然相对成本较高 但保证了系统的可靠性 能 保证了对生产工艺的要求的满足 既保证了稳态后速度的稳定 同时也兼 顾了启动时启动电流的动态过程 在启动过程的主要阶段 只有电流负反馈 没有转速负反馈 不让电流负反馈发挥主要作用 既能控制转速 实现转速无 静差调节 又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过 渡过程 很好的满足了生产需求 2 1 22 1 2 桥式可逆桥式可逆 PWMPWM 变换器的工作原理变换器的工作原理 脉宽调制器的作用是 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 从而平均输出电压的大小 以调节电机转 速 桥式可逆 PWM 变换器电路如图 2 所示 这是电动机 M 两端电压的极性随 AB U 开关器件驱动电压的极性变化而变化 MG MOT OR DC VT1 VT2 VD1 VD2 VT3 VT4 VD3 VD4 Ug1 Ug2 Ug3 Ug4 Us 图 2 桥式可逆 PWM 变换器电路 双极式控制可逆 PWM 变换器的四个驱动电压波形如图 3 所示 O O O O Ug1Ug4 Ug2Ug3 UAB Us Us id id1 id2t t t t tonT tonT 图 3 PWM 变换器的驱动电压波形 他们的关系是 在一个开关周期内 当时 1423gggg UUUU 0 on tt 晶体管 饱和导通而 截止 这时 当时 1 VT 4 VT 3 VT 2 VT ABs UU on ttT 截止 但 不能立即导通 电枢电流经 续流 这 1 VT 4 VT 3 VT 2 VT d i 2 VD 3 VD 时 在一个周期内正负相间 这是双极式 PWM 变换器的特征 ABs UU AB U 其电压 电流波形如图 2 所示 电动机的正反转体现在驱动电压正 负脉冲的 宽窄上 当正脉冲较宽时 则的平均值为正 电动机正转 当正 2 on T t AB U 脉冲较窄时 则反转 如果正负脉冲相等 平均输出电压为零 则电 2 on T t 动机停止 双极式控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为 2 1 ononon dss tTtt UUU TTT 如果定义占空比 电压系数 on t T d s U U 则在双极式可逆变换器中 21 调速时 的可调范围为 0 1 相应的 当时 为正 电动 1 1 1 2 机正转 当时 为负 电动机反转 当时 电动机停止 1 2 1 2 0 但电动机停止时电枢电压并不等于零 而是正负脉宽相等的交变脉冲电压 因而电流也是交变的 这个交变电流的平 均值等于零 不产生平均转矩 徒然增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点 但它也有好处 在电动机停止时仍然有高频微震电流 从而消除了正 反向时 静摩擦死区 起着所谓 动力润滑 的作用 双极式控制的桥式可逆 PWM 变换器有以下优点 1 电流一定连续 2 可使电动机在四象限运行 3 电动机停止时有微震电流 能消除静摩擦死区 4 低速平稳性好 每个开关器件的驱动脉冲仍较宽 有利于保证器件的可靠导 通 2 1 32 1 3 双闭环直流调速系统的静特性分析双闭环直流调速系统的静特性分析 由于采用了脉宽调制 电流波形都是连续的 因而机械特性关系式比较简单 电压平衡方程如下 d sd di URiLE dt 0 on tt d sd di URiLE dt on ttT 按电压平衡方程求一个周期内的平均值 即可导出机械特性方程式 电枢两端 在一个周期内的电压都是 平均电流用表示 平均转速 ds UU d I e nE C 而电枢电感压降的平均值在稳态时应为零 于是其平均值方程可以写成 d di L dt sdde URIERIC n 则机械特性方程式 0 s dd eee URR nInI CCC 2 1 42 1 4 双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流调速系统的稳态结构图 首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图 4 所示 分析双闭环调速系 统静特性的关键是掌握 PI 调节器的稳态特征 一般存在两种状况 饱和 输 出达到限幅值 不饱和 输出未达到限幅值 当调节器饱和时 输出为恒值 输入量的变化不再影响输出 相当与使该调节环开环 当调节器不饱和时 PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是为零 图 4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 实际上 在正常运行时 电流调节器是不会达到饱和状态的 因此 对于 静特性来说 只有转速调节器饱和与不饱和两种情况 为了获得近似理想的过度过程 并克服几个信号综合于一个调节器输入端 的缺点 最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制 用两 个调节器分别调节转速和电流 构成转速 电流双闭环调速系统 所以本文选 择方案二作为设计的最终方案 如图 5 为双闭环直流调速系统原理 图 5 双闭环直流调速系统原理图 2 22 2 硬件结构 硬件结构 双闭环直流调速系统主电路中的 UPE 是直流 PWM 功率变换器 系统的特 点 双闭环系统结构 实现脉冲触发 转速给定和检测 由软件实现转速 电 流调节 系统由主电路 检测电路 控制电路 给定电路 显示电路组成 如 图 6 为双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图 图 6 双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图 2 2 12 2 1 主电路主电路 主电路由二极管整流器 UR PWM 逆变器 UI 和中间直流电路三部分组成 一般都是电压源型的 采用大电容 C 滤波 同时兼有无功功率交换的作用 可逆 PWM 变换器主电路有多种形式 最常用的是桥式 亦称 H 形 电路 如图 7 为桥式可逆 PWM 变换器 这时电动机 M 两端电压 Uab 的极性随开关器件 驱动电压极性的变化而变化 其控制方式有双极式 单极式 受限单极式等多 种 本设计用的是双极性控制的可逆 PWM 变换器 双极性控制的桥式可逆 PWM 变换器有电流一定连续 可使电动机在四象限运行 电动机停止时有微振电流 可消除静摩擦死区 低速平稳性好等优点 图 7 桥式可逆 PWM 变换器 图 8 为双极式控制时的输出电压和电流波形 相当于一般负载的情况 1 id 脉动电流的方向始终为正 相当于轻载情况 电流可在正负方向之间脉动 2 id 但平均值仍为正 等于负载电流 图 8 双极式控制时的输出电压和电流波形 双极性控制可控 PWM 变换器的输出平均电压为 s on s on s on U T t U T tT U T t 1 2 Ud 转速反馈电路如图 9 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 根据和电流环一样0 012s on T 的道理 在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节 R0 2R0 2 R0 2R0 2 Rn Rbal Cn Con Con Ui Un Un 图 9 转速反馈电路 2 2 22 2 2 泵升电压限制泵升电压限制 当脉宽调速系统的电动机减速或停车时 储存在电机和负载传动部分的动能 将变成电能 并通过 PWM 变压器回馈给直流电源 一般直流电源由不可控的整 流器供电 不可能回馈电能 只好对滤波电容器充电而使电源电压升高 称作 泵升电压 如果要让电容器全部吸收回馈能量 将需要很大的电容量 或 者迫使泵升电压很高而损坏元器件 在不希望使用大量电容器 在容量为几千 瓦的调速系统中 电容至少要几千微法 从而大大增加调速装置的体积和重量 时 可以采用由分流电阻 R 和开关管 VT 组成的泵升电压限制电路 用 R 来 消耗掉部分动能 R 的分流电路靠开个器件 VT 在泵升电压达到允许数值时接 通 2 32 3 主电路参数计算和元件选择 主电路参数计算和元件选择 主电路参数计算包括整流二极管计算 滤波电容计算 功率开关管 IGBT 的选 择及各种保护装置的计算和选择等 2 3 12 3 1 整流二极管的选择整流二极管的选择 根据二极管的最大整流平均 和最高反向工作电压 分别应满足 f I R U A 3 32 61 121 1I f AVo I V 17111021 121 1U 2R U 选用大功率硅整流二极管 型号和参数如下所示 型号 额定正向平 均电流 A f I 额定反向峰 值电压 URM V 正向平均压 降 V F U 反向平均漏 电流 R I mA 散热器型号 ZP10A10200 20000 5 0 76SZ14 在设计主电路时 滤波电容是根据负载的情况来选择电容 C 值 使 RC 3 5 T 2 且有 V 9495 0 1109 0U maxd 即 C15000uF2 00 51C2 故此 选用型号为 CD15 的铝电解电容 其额定直流电压为 400V 标称容量为 22000uF 2 3 22 3 2 绝缘栅双极晶体管的选择绝缘栅双极晶体管的选择 最大工作电流Imax 2Us R 2 122 2 122 A 集电极 发射极反向击穿电压 2 3 Us 244 366v CEO BV CEO BV 2 42 4 调节器参数设计和选择 调节器参数设计和选择 调节器工程设计方法的基本思路调节器工程设计方法的基本思路 先选择调节器的结构 以确保系统稳定 同时满足所需要的稳态精度 再 选择调节器的参数 以满足动态性能指标 设计多环控制系统的一般原则是 从内环开始 一环一环地逐步向外扩展 在这里是 先从电流环人手 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 2 4 12 4 1 电流环的设计电流环的设计 H 型单极式 PWM 变换器供电的直流调速系统 采用宽调速直流电动机 额定力矩为 4 9N m 电枢电阻 Ra 1 64 电枢回路总电感 L 10 2mH 额定 电流 6A 额定电压 110V nomInomU 调速系统的最小负载电流 1A 电源电压 122V 1000r min 电枢回oIsU 路总电阻 R 2 电流过载倍数 2 如图 10 为电流环结构图 图 10 电流环结构图 2 4 1 12 4 1 1 确定时间常数确定时间常数 rV n IRU C N NaN e min 1 0 1000 664 1110 s CC RGD T me m 08 0 301 0375 25 1 375 2 2 s R L Tl005 0 2 10 2 10 3 1 脉宽调制器和 PWM 变换器的滞后时间常数与传递函数的计算PWMT 开关频率 f 选为 4 4kHz 于是开关周期 1 0 23PWMTms f 脉宽调制器和 PWM 变换器的放大系数为 110 11 10 d PWM i U K U 于是可得脉宽调制器和 PWM 变换器的传递函数为 11 10 000231 PWM PWM PWM K WS Tss 2 电流滤波时间常数 取 0 5ms oiT 3 电流环小时间常数 0 230 50 73iPWMoiTTTmsmsms 2 4 1 22 4 1 2 选择电流调节器结构选择电流调节器结构 根据设计要求 而且 5 i 5 1 0 736 9910liTT 因此可以按典型 I 型系统设计 电流调节器选用 PI 型 其传递函数为 1 i ACRi i s WsK s 2 4 1 32 4 1 3 选择电流调节器参数选择电流调节器参数 0 0051ilTs 要求时 应取 因此 5 i 0 5IiKT 11 0 50 5 684 93 0 00073 I i Kss T 又 10 0 833 2 6 im N U VA I 于是 684 93 0 0051 2 0 76 0 833 11 i iI PWM R KK K 2 4 1 42 4 1 4 检验近似条件检验近似条件 1 684 93ciIKs 1 要求 现 1 3 ci PWMT 11 11 s1449 3 33 0 00023 ci PWM s T 2 要求 现 1 3ci mlT T 11 11 3349 5 0 08 0 0051 ci ml ss T T 3 要求 11 3 ci PWMoiTT 现 1 1111 982 95 330 00023 0 0005 ci PWMoi s TT 可见均满足要求 2 4 1 52 4 1 5 计算计算 ACRACR 的电阻和电容的电阻和电容 取 40k 则 0R 取 00 76 4030 4iiRKRk 30iRk 6 0 0051 100 17 30000 i i i CFF R 6 3 0 44 0 0005 100 05 40 10 oi oi T CFF R 按照上述参数 电流环可以达到的动态指标为 故满足设计 4 3 5 i 要求 2 4 22 4 2 转速环的设计转速环的设计 2 4 2 12 4 2 1 确定时间常数确定时间常数 1 电流环等效时间常数为22 0 000730 00146s i T 2 取转速滤波时间常数 0 005 on Ts 3 20 001460 0050 00646 nion TTTsss 2 4 2 22 4 2 2 ASRASR 结构设计结构设计 根据稳态无静差及其他动态指标要求 按典型 II 型系统设计转速环 ASR 选用 PI 调节器 其传递函数为 1 n ASRn n s WsK s 图 11 速度环结构图 2 4 2 32 4 2 3 选择选择 ASRASR 参数参数 取 h 5 则 5 0 006460 0323nnhTss 22 222 16 2875 5 22 25 0 00646 N n h Kss h T 则 1 6 0 833 0 09016 0 103 35 92 22 5 0 01 2 0 00646 em n n hC T K h RT 2 4 2 42 4 2 4 校验近似条件校验近似条件 1 2875 5 0 032392 88 cnNn Ks 1 要求 现 1 5 cn i T 1 11 273 97 55 0 00073 cn i s T 2 要求 11 32 cn ion T T 现 11 1111 123 4s 3232 0 00073 0 005 cn ion s T T 可见均能满足要求 2 4 2 52 4 2 5 计算计算 ASRASR 电阻和电容电阻和电容 取 则 0 40Rk 取 1440 0 35 92 401436 8n n RK Rkk k 取 0 1 6 3 0 0323 100 022 1440 10 n n n CFF R F 6 3 0 44 0 005 100 5 40 10 on on T CFF R 2 4 2 62 4 2 6 检验转速超调量检验转速超调量 max n 2 Nn bNm CnT z CnT 当 h 5 时 而 max 81 2 b C C 6 2 133 1 minmin 0 09016 N N e I R rr n C 因此 133 10 00646 81 2 2 10 16714 8 15 10000 103 n 可见转速超调量满足要求 2 4 2 72 4 2 7 校验过渡过程时间校验过渡过程时间 空载起动到额定转速的过渡过程时间 12 0 09016 0 103 1000 0 390 5 2 2 6 emN s N C T n TTTss R I 可见能满足设计要求 2 4 32 4 3 反馈单元反馈单元 2 4 3 12 4 3 1 转速检测装置选择转速检测装置选择 选测速发电机 永磁式 ZYS231 110 型 额定数据为 P 23 1W U 110V I 0 21A n 1900r min 测速反馈电位器 RP2 的选择 考虑测速发电机输出最高电压时 其电流约为 额定值的 20 这样 测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小 测速发电机工作最高电压 V n Un U TN TNN TM 89 57 1900 1101000 测速反馈电位器阻值 1378 21 0 2 0 89 57 20 1 TN TM RP I U R 此时 RP2 所消耗的功率为 WIUP TNTMRP 4 221 0 2 089 57 20 1 为了使电位器温度不要很