直流调速课程设计任务书.doc

直流调速课程设计任务书一、题目 双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计二、设计目的1、对先修课程（电力电子学、自动控制原理等）的进一步理解与运用2、运用电力拖动控制系统的理论知识设计出可行的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。也可以制作硬件电路。3、同时能够加强同学们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。达到综合提高学生工程设计与动手能力的目的。三、系统方案的确定自动控制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能（动、静）电机参数主电路控制方案”（系统方案的确定）“系统设计仿真研究参数整定直到理论实现要求硬件设计制版、焊接、调试”等过程，其中系统方案的确定至关重要。为了发挥同学们的主观能动作用，且避免方案及结果雷同，在选定系统方案时，规定外的其他参数由同学自己选定。1、主电路采用二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器; 2、速度调节器和电流调节器采用PI调节器；U*nm=U*im =Ucm=10V;3、机械负载为反抗性恒转矩负载，系统飞轮矩（含电机及传动机构）GD2 1.5Nm2；4、主电源：可以选择三相交流380V供电，变压器二次电压为52V；5、他励直流电动机的参数：见习题集【4-19】（p96）nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=2，电流过载倍数=2；6、PWM装置的放大系数Ks=11；PWM装置的延迟时间Ts=0.4ms。一、 设计任务a) 总体方案的确定；b) 主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；c) 系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图；d) 控制电路设计、原理分析、主要元件/参数的选择；e) 调节器、PWM信号产生电路的设计f) 检测及反馈电路的设计与计算；四、设计任务a）总体方案的确定；b）主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；c）系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图；d）控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择；e）调节器、PWM信号产生电路的设计；f）检测及反馈电路的设计与计算；五、课程设计报告的要求1、不准相互抄袭或代做，一经查出，按不及格处理。2、报告字数：不少于8000字（含图、公式、计算式等）。3、形式要求：以福建农林大学本科生课程设计（工科）的规范化要求撰写。要求文字通顺、字迹工整、公式书写规范、报告书上的图表允许徒手画，但必须清晰、正确且要有图题。4、必须画出系统总图，总图不准徒手画，电路图应清洁、正确、规范。未进行具体设计的功能块允许用框图表示，且功能块之间的连线允许用标号标注。六、参考资料1、电气传动控制系统设计指导 李荣生 机械工业出版社 2004.62、新型电力电子变换技术 陈国呈 中国电力出版社3、电力拖动自动控制系统 陈伯时 机械工业出版社4、电力电子技术 王兆安 黄俊 机械工业出版社 2000.1交直流调速课程设计说明书一、方案确定2.1.1 方案选定主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路采用25JPF40电力二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延时环节DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD和PWM变换器。系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流原理图如图所示。图1-1直流PWM传动系统结构原理图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1-2所示。图1-2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。图1-3 双闭环直流调速系统的静特性图1-4双闭环直流调速系统的稳态结构图图1-5双闭环调速系统的静态结构图 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 双闭环直流调速系统的静特性如上图所示，式中a，b 转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得，从而得到上图静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，U*i U*im，从上述第二个关系式可知: Id Idm。 这就是说， CA段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一直延续到 Id = Idm ，而 Idm一般都是大于额定电流 IdN 的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。这时，ASR输出达到限幅值U*im ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时式中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式中所描述的静特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于 n n0 ，则Un U*n ，ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。图1-6 主电路设计图 2.1.1.2 系统稳态结构图以及动态结构图图2-1 双闭环调速系统的静态结构图U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E图2-2双闭环调速系统的静态结构图U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E2.1.2 桥式可逆PWM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2-3所示。这是电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。图2-3 H形双极式逆变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2-4所示。 图2-4 H形双极式逆变器的驱动电压波形他们的关系是：。在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。当时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，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，则电动机停止。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为如果定义占空比，电压系数则在双极式可逆变换器中调速时，的可调范围为01相应的。当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，电动机停止。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，有利于保证器件可靠导通。控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积分器）、正弦参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性鉴别器）、PWM波发生器（三相正弦波发生器、锁相环、三相波载波发生器、比较器）及与主电路相隔离的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路。2.1.3 系统控制电路图控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积分器）、正弦参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性鉴别器）、PWM波发生器（三相正弦波发生器、锁相环、三相波载波发生器、比较器）及与主电路相隔离的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路。2.1.4 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 . 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，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 则机械特性方程式 2.1.5 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2-6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2-6 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2-7为双闭环直流调速系统原理.图2-7 双闭环直流调速系统原理图二、 硬件结构下图2-8为双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图。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。如图图2-8 双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图2.2.2 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。三、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。2.3.1 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：（A）（V）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)额定反向峰值电压URM（V)正向平均压降 （V)反向平均漏电流 （mA)散热器型号ZP10A1020020000.50.76SZ14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（35）T/2，且有（V)，即C15000uF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。2.3.2 绝缘栅双极晶体管的选择最大工作电流Imax2Us/R=440/0.45=978(A)集电极发射极反向击穿电压 (23)Us=440660v四、调节器参数设计和选择 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。2.4.1 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4.9Nm，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。调速系统的最小负载电流=1A，电源电压=122V，电力晶体管集电极电阻=2.5，设=2。nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=2,电流过载倍数=2。如图2-9为电流环结构图图2-9 电流环结构图图图2-9-1 电流环结构图2.4.1.1确定时间常数 脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传递函数为电流滤波时间常数取。（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电动机的启动电流为 启动电流与额定电流比为 晶体管放大区的时间常数为 电流上升时间的计算公式为 式中晶体管导通时的过饱和驱动系数，取=2则 电流下降时间的计算公式为 式中晶体管截止时的负向过驱动系数，取=2则 又 最佳开关频率为 开关频率f选为4.4kHz，此开关频率已能满足电流连续的要求。于是开关周期脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为 于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传递函数为（2）电流滤波时间常数 取0.5ms（3）电流环小时间常数 2.4.1.2选择电流调节器结构根据设计要求，而且因此可以按典型I型系统设计电流调节器选用PI型，其传递函数为 2.4.1.3选择电流调节器参数 要求时，应取，因此 又 于是 2.4.1.4检验近似条件 （1）要求，现。（2）要求，现。（3）要求，现。可见均满足要求。2.4.1.5计算ACR的电阻和电容取=40k，则 ，取 按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为，故满足设计要求。2.4.2转速环的设计2.4.2.1 确定时间常数（1）电流环等效时间常数为（2）取转速滤波时间常数（3）2.4.2.2 ASR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 2.4.2.3 选择ASR参数取h=5，则则 2.4.2.4 校验近似条件 （1）要求，现。（2）要求，现可见均能满足要求。2.4.2.5 计算ASR电阻和电容取，则 ，取1440 ，取0.1 2.4.2.6 检验转速超调量 当h=5时，而，因此可见转速超调量满足要求。2.4.2.7 校验过渡过程时间空载起动到额定转速的过渡过程时间可见能满足设计要求。图2-9-2 ASR调节器结构图图2-9-3 ASR变换器结构图2.4.3 反馈单元2.4.3.1 转速检测装置选择2.4.3.1.1 转速检测电路转速检测电路如图2-10所示。与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压输送给转速调节器。测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，测速电路如图2-10所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。图2-10 转速检测电路2.4.3.1.2 转速检测环节与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压Un*相比较后，得到转速偏差输送给转速调节器。测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，调节电位器即可改变转速反馈系数。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 测速反馈电位器阻值 此时RP2所消耗的功率为 为了使电位器温度不要很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故选RP2为4W，取2000。2.4.3.2 电流及转速检测单元本系统要求电流检测不但要反映电枢电流的大小而且还要反映电流极性，所以选用霍尔电流传感器。2.4.3.2.1电流检测电路通过霍尔传感器测量电流的电流检测电路原理如图2-11所示。图2-11 闭环霍尔电流传感器的工作原理霍尔电流传感器的结构如图13所示。用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。闭环霍尔电流传感器主要有以下特点： 1）可以同时测量任意波形电流，如：直流、交流、脉冲电流； 2）副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电压一般为2kV12kV； 3）电流测量范围宽，可测量额定1mA50kA电流； 4）跟踪速度di/dt50A/s； 5）线性度优于0.1IN； 6）响应时间1s； 7）频率响应0100kHz。2.4.3.2.2 电流检测环节电流反馈环的输入信号是主电路的电流量，经变化后获得输出为直流电压的反馈量Ui，根据电流反馈环节的组成，常用的电流反馈方式和检测元件为霍尔效应电流变换器。图2-12 电流检测环节电路图霍尔变换器的线性度好、无惯性、装置简单，但是输出电压一般为mV级，使用时须附加电压放大器。由此可见，系统对于电流反馈环节的基本要求是：电流反馈信号Ui要保证10V左右。Ui信号大小取决于转速调节器ASR输出限幅值Uim*的整定，即Ui=Uim*=Idm=In。对电流反馈信号要求进行滤波，滤掉交流分量。但滤波时间常数Toi=1/4RoCoi不得过大，否则将使电流环的等效时间常数过大，限制了电流环频带的展宽，影响电流响应的快速性，为抵消电流反馈通道滤波惯性的影响，在电流调节器的前向通道需设置给定滤波环节，并使两者时间常数大小相等。通过霍尔传感器测量电流，用一环形导磁材料做成磁芯，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性元件，器件导通后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。2.5系统总电路图总 结通过这次