H型双极式PWM直流调速系统设计

控制系统课程设计设计主题：H型双极性PWM DC调速系统的设计学生姓名：王峰数量：8专业课：05自动化1班科学部：信息科学与技术教员：梁秀曼2008年11月28日河北理工大学本科设计成果综合评价表部门：信息科技部05班自动化1班学生姓名王峰总体设计成果设计主题H型双极脉宽调制DC调速系统的设计手动评估结果辩护的结果回答和争论时需要一个人回答的问题。注：总设计得分=指令评估得分(60%)防御得分(40%)程序(a)业绩指数要求：稳态指标：系统无静态误差。动态指示器：空载启动至额定速度时。(2)给定电机和系统参数：PN=220W瓦，UN=48V，IN=3.7A，nN=200r转/分，Ra=6.5电枢回路总电阻R=8电枢回路总电感L=120mH毫安时电机飞轮惯性GD2=1.29Nm2(3)设计步骤和规范要求：1绘制系统结构图并简要说明工作原理。2根据给定的电机参数，设计整流变压器，并计算变压器容量和二次电压值；选择整流二极管和开关管的参数，确定过流和过压保护元件的参数。3分析了脉宽调制转换器、脉宽调制器(UPW)和逻辑延迟(DLD)的工作原理。4设计ACR和ASR，满足给定性能指标的要求。5.当完成说明书并分析系统的每个环节时，应首先绘制该环节的示意图，以便进行对比分析。6打印说明手册(A4)和电气原理图(A4)。目录导言12.系统组成和原则1三脉宽调制主电路设计3四个电流调节器和速度调节器的设计44.1电流调节器ACR 4的设计4.2速度调节器ASR设计44.2.1电流回路等效闭环传递函数74.2.2调速器结构的选择84.2.3时间常数的确定84.2.4速度调节器8参数的选择4.2.5近似条件8的验证4.2.6检查速度超调84.2.7速度调节器9的实现5.以SG3525为核心的控制电路95.1 SG 3525芯片9的内部结构和工作原理5.2逻辑延迟链路10六驱动电路设计11七电流反馈和速度反馈电路设计127.1电流反馈电路设计127.2速度反馈电路的设计13八.结束语139参考文献15总电路图16介绍DC电机由于其广泛的起动和制动性能，适合大范围的平滑调速，而DC驱动系统在理论和实践上都比较成熟，所以目前得到了广泛的应用。对于一定范围内的DC电机无级平滑调速系统，最好的方法是调整电枢电压。DC脉宽调制调速系统作为一项新技术，发展迅速，应用广泛。特别是在中小容量系统中，它已经取代了V-M系统成为主要的DC调速方式。脉宽调速本质上是电压调节和速度调节的方法之一。由全控制电力电子器件组成的DC脉冲调制调速系统得到了越来越广泛的发展和应用。与传统的视频监控系统相比，它在很多方面都有很大的优势。双极性可控桥式可逆脉宽调制转换器具有以下优点：(1)电流必须连续；(2)电机可在四个象限运行；(3)电机停止时，有轻微的振动电流，可以消除静摩擦死区；(4)低速稳定性好，系统调速范围可达1:2000左右；(5)在低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍然很宽，这有利于保证器件的可靠导通。双极控制模式的缺点是，在运行过程中，所有四个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，开关过程中可能会发生上下桥臂直通的事故。为了防止直通，应在上桥臂和下桥臂的驱动脉冲之间设置逻辑延迟。2系统结构和原理DC双极可逆脉宽调制速度控制系统的组成见附录1。图中可逆脉宽调制变换器的主电路采用由场效应管构成的H型结构。它是由四个功率MOSFET管和四个续流二极管组成的双极PWM可逆变换器。根据脉冲占空比的不同，在DC电机上可以得到-DC电压。脉宽调制转换器的功能是利用脉宽调制的方法将恒定的DC电源电压调制成恒定频率和可变宽度的脉冲电压序列，从而改变平均输出电压来调节电机速度。TG是一台与DC发动机相连的测速发电机。在通过速度转换器FBS之后，可以获得反映速度变化的速度反馈信号。该信号连接到速度调节器ASR的反馈输入端。g是一个电压设置器，它可以提供正电压和负电压，电压大小可以调整。SG3525是一个脉宽调制器。R1、C1、VD1、R2、C2和VD2形成逻辑延迟链路。二极管整流桥将输入交流电转换成直流电。正常情况下，交流输入为380伏，整流后转换为220伏直流。电阻R1是一个启动限流电阻。在VT1和VT4的源极环路中，两个采样电阻串联连接。两个采样电阻上的电压分别反映流过VT2和VT4的电流。通过差分放大输出反映电流大小的电压。该电压可用作双闭环系统的电流反馈信号，并连接到电流调节器ACR的输入端。回路中的电阻器R2有两个功能。首先，它可以用来观察波形，它上面的电压波形反映了主回路的电流波形。其次，它用于过电流保护。当R2电压超过设定值时，过流保护电路动作，关闭脉冲，从而保护功率MOSFET管。3脉宽调制主电路设计根据电路是否能持续保持电流，可分为限制型和非限制型两种，根据输出电压的极性是否单一，可分为单极型和双极型。图1中设备的系统结构图采用h型转换器。采用适当的控制方法可以使其在双极无限制状态下工作。电源开关管VT1和VT4同时接通和断开，它们的驱动电压Ug1=Ug4；VT2和VT3同时工作，它们的驱动电压Ug2=Ug3=-Ug1。经过分析，很容易知道无论电流路径是什么，只要VT1和VT4被提供正控制信号，电动机电枢两端的电压UAB=US(US指电容器两端的电压)，只要VT2和VT3被提供正控制信号，电动机电枢两端的电压UAB=-Us。如果VT1的开关周期为T，并且在一个周期内正向控制信号加到VT1的时间为吨，则电动机电枢的平均电压为。正转时，电机正转，负转时，电机反转。当它为零时，电枢两端的平均电压为零，电机不旋转。虽然电动机不动，但电枢上的瞬时电压和电流不是零，而是交变的。交流电流的平均值为零，这不会产生平均转矩，并且徒然增加电机的损耗。然而，它的优点是电机具有高频微振动，起到所谓的“动态润滑”作用，消除正反向反转时的静摩擦死区，使电机在低速时具有更好的动静态特性。电枢电压的极性在每个周期都会改变，但开关管的频率非常高。电机的转速不会因运行过程中的惯性而瞬间改变。此外，电枢电感对电流有滤波作用，因此电机的转速可以认为是稳定的。然而，稳态在这里指的是电动机的平均电磁转矩与负载转矩平衡的状态，并且电枢电流实际上周期性地变化，并且只能被视为准稳态。准稳态脉宽调速系统的机械特性是平均速度和平均转矩(电流)之间的关系。图1脉宽调制调速主电路4电流调节器和速度调节器的设计设计多回路控制系统的一般原则双闭环速度控制系统的动态结构如图2所示。因为电流检测信号通常包含交流分量，所以需要低通滤波，并且根据需要选择滤波时间常数Toi。滤波器可以抑制反馈信号中的交流分量，但也会给反馈信号带来延迟。为了平衡这种延迟效应，将具有相同时间常数的惯性环节添加到给定的信号通道，称为给定的滤波环节。它的意思是：让给定的信号和反馈信号经过相同的延迟，以便它们能及时得到适当的匹配，从而给设计带来方便。图2双闭环速度控制系统动态结构图图中的Toi是电流反馈滤波时间常数；Ton是速度反馈的过滤时间常数。测速发电机得到的速度反馈电压包含了电机的换相纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。根据与电流回路相同的原理，在给定的旋转速度通道中还提供了时间常数为Ton的给定滤波环节。4.1电流调节器ACR的设计电流调节器的设置是为了充分利用电机允许的过载能力。在系统暂态过程中，电流始终保持在最大允许值，使得系统能够以尽可能大的加速度启动和制动，缩短了调节时间，具有良好的快速响应性能。当达到稳定状态时，电流立即减小。该系统中的电流调节器采用比例积分调节器，因为比例积分调节器的比例部分可以提高系统的快速性，积分部分可以消除电流的静态差异，所以系统具有良好的动静态品质。电流调节器位于双闭环内环，是一个随动系统。在调速过程中，电流调节器的给定值随着速度调节器输出值的变化而变化。由于运算放大器的饱和，调速器的输出值不能无限增加，所以当电机过载甚至锁定时，通过调节调速器的输出极限值，可以限制电枢电流的最大值，从而起到快速安全保护的作用。如果故障消失，系统可以自动恢复正常。此外，电流回路对电网电压起到及时的抗干扰作用。主要参数的确定：根据初始数据，可以得出以下结论：速度反馈系数电流反馈系数电力电子变换器的放大系数电枢电路的电磁时间常数电驱动系统的机电时间常数电流滤波时间常数。三相桥式电路的每个波头的时间是，为了基本上过滤平的波头，因此，它应该被采取。整流器延迟时间常数。三相桥式电路的平均失控时间s。电流回路的小时间常数。根据小时间常数近似，取。电流调节器结构的选择电流回路的重要功能是在动态过程中保持电枢电流在允许值内，因此不希望有过冲，过冲越小越好。在正常情况下，当控制对象的两个时间常数之比不变时，典型的一类系统的扰动抑制恢复时间仍然是可以接受的，因此电流回路一般是根据典型的一类系统设计的。电流回路的控制对象是双惯性型。为了将其校正为典型的I型系统，显然应该采用PI调节器。它的传递函数可以写成如下：(4-1)其中：是电流调节器的比例系数；是电流调节器的超前时间常数。电流调节器参数的选择电流调节器的参数包括和的选择。电流调节器超前时间常数：电流环路开环增益：应在需要时获取，因此因此，电流调节器的比例系数为：检查近似条件上述结果是在一系列假设条件下获得的。使用的假设条件总结如下。这些条件必须在具体设计过程中进行验证。电流环路截止频率晶闸管器件传递函数的近似条件；，功效计算：满足近似条件。忽略反电动势对电流影响的近似条件根据上述参数，电流环可以达到的动态指标满足设计要求。电流闭合后，控制对象被改造，电流跟随动作被加速。这表明了多回路控制系统中局部闭环(内环)的重要作用。4.2调速器的ASR设计ASR的输入信号来自给定链路的输出Ugd和测速发电机的输出Ufn。例如，为了满足系统的动态和静态质量要求，速度调节器使用比例积分放大器。其输出信号作为电流调节器ACR的给定电压信号。调速器具有正负限幅，限幅值Ugim=Idmax在反馈电压输入端和给定电压输入端设有无源T型滤波环节，滤除高次谐波干扰信号。场效应晶体管确保当系统停止时调节器锁定零。图4调速器电路图4.2.1电流回路等效闭环传递函数在设计速度调节器时，所设计的电流环可以看作是速度调节系统中的一个环节，因此，必须得到它的等效传递函数。闭环传递函数为：(4-2)转速环的截止频率通常较低，因此传递函数可以降低到大约：(4-3)4.2.2调速器结构的选择为了实现转速没有静态差异，还需要在扰动作用点之前建立积分环节。同时，从动态性能的角度来看，速度控制系统首先需要更好的抗干扰性能，因此选择了典型的二类系统。为了将速度环校正为典型的二类系统，自动驾驶仪还应采用比例积分调节器，其传递函数为：(4-4)其中：是速度调节器的比例系数；是速度调节器的提前时间常数。4.2.3时间常数的确定电流回路的等效时间常数为速度滤波时间常数，根据所用测速发电机的纹波，取转速环的小时间常数应按小时间常数近似处理。4.2.4调速器参数的选择调速器的参数包括和。至于介质带宽h应该有多大，根据典型的类系统的参数选择方法和较好的跟踪和抗干扰性能的原则，ASR的超前时间常