直流脉宽调速系统的设计

双闭环可逆直流脉宽调速系统的设计和仿真,专 业： 电气工程与自动化 年 级： 2007级 学 院： 电气信息学院 学生姓名： / 学 号：/ 指导老师： /,主要内容包括： 1. 方案设计 2. 直流调速系统 3. PWM脉宽调制 4. 双闭环直流调速系统仿真,方案设计,方案一：单闭环直流调速系统 单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机，引出与转速成正比的电压Uf与给定电压Ud比较后，得偏差电压U，经放大器FD产生触发装置CF的控制电压Uk，用以控制电动机的转速，如图1所示 图1 方案一原理结构图,整流触发装置,电动机,负载,速度检测,电压,放大器,电压,ASR,ACR,整流触发装置,电动机,负载,电流检测,速度检测,方案二：双闭环直流调速系统 为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环电流调节器；ACR和电流检测反馈回路构成了电流环，称为双闭环调速系统。该方案的原理框图如图2所示。 图2 方案二原理结构图,直流调速系统,直流调速系统的调速原理直流电动机的转速和其它参量的关系和用式（11）表示： （11）,直流调速系统的性能指标一、静态性能指标（1）调速范围 （12）（2）静差率 （13） 机械特性硬度越大，ned越小，静差率就越小，转速的稳定度就越高。,二、动态性能指标（1）跟随性能指标 图3 典型的阶跃响应 tr上升时间； ts调节时间（2）抗扰性能指标 一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标 。,C(t),t,tr,ts,c,双闭环直流调速系统的组成 图4 转速、电流双闭环直流调速系统,ASR,Un*,+,_,Ui*,_,+,ACR,UPE,I,Ui,TA,M,Id,+_,Ud,+,_,TG,n,Un,PI调节器PI调节器结构如图5所示： 图5 PI调节器结构图 PI调节器传递函数： （14）,Uin,+,_,+,+,R0,R1,C1,Uex,_,Rab1,调节器的具体设计一.电流环的设计（1）确定时间常数（2）选择电流调节器结构（3）选择电流调节器的参数（4）校验近似条件二.速度环的设计（1）确定时间常数（2）选择转速调节器结构（3）选择调节器的参数（4）近似校验（5）检验转速超调量,PWM脉宽调制,脉宽调制变换器 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。 a）原理图 b)电压波形图图6 脉宽调制变换器-电动机系统的原理图和电压波形图,如图7 a)所示，给出了一种可逆脉宽调速系统的基本原理图，由VT1VT4共4个电力电子开关器件构成桥式（或称H形）可逆脉冲宽度调制（PULSE WIDTH MODULATION，简称PWM）变换器。VT1和VT4同时导通和关断，VT2和VT3同时通断，使电动机M的电枢两端承受电压+ Us或- Us。改变两组开关器件导通的时间，也就改变了电压脉冲的宽度，得到电动机两端电压波形。 如图7 b) 所示： a)基本原理图 b)电压波形 图7 桥失可逆脉宽调速系统基本原理图和电压波形,桥式可逆PWM变换器 可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H型）电路，如图4.3所示。 图4.3 桥式可逆PWM变换器,双极式控制可逆PWM变换器的4个驱动电压波形如图8所示。 图8 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形 它们之间的关系是：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。,双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下列优点：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限运行；（3）电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右；（5）低速时，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。 双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。为了克服上述缺点，可采用单极式控制，使部分器件处于常通或常断状态，以减少开关次数和开关损耗，提高可靠性，但系统的静、动态性能会略有降低。,双闭环直流调速系统仿真,仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。系统仿真结构如图9所示 图9系统仿真结构图,图10 ASR内