运控课设— 直流双极式脉宽调速系统设计

1、武汉理工大学华夏学院课 程 设 计 报 告 书题 目：直流双极式脉宽调速系统设计及仿真系 名： 信息工程系 专业班级： 自动化1133 姓 名： 王仕城 学 号： 10212413314 指导教师： 李莉 2016 年 6 月 19 日21课程设计任务书4学生姓名： 王仕城 专业班级： 自动化1133 指导教师： 李莉 工作单位： 信息工程系 题目: 直流双极式脉宽调速系统设计与仿真 一、初始条件：1.直流电机参数： PN3KW，UN220V，IN17A，nN1500r/min ，Ra0.2，励磁：它励，励磁电压220V，电流1.0A2.进线交流电源：三相380V3.性能指标：系统可逆，转速、

2、电流调节无静差二、要求完成的主要任务: 1.转速调节器及其反馈电路设计2.电流调节器及其反馈电路设计3.PWM主电路设计4.集成脉宽调制电路设计5.驱动电路设计6.仿真研究三、设计报告撰写要求1.内容要求一般要求包括如下内容： 目录编制课程设计的目录，目录的各级标题按照章节顺序排列，统一用阿拉伯数字表示，一级标题为1,2,3，二级标题为1.1,1.2,1.3，三级标题为1.1.1,1.1.2等。 绪论课程设计正文前的引言。应对课题研究的目的意义，研究现状，课题研究内容，预期研究目标等进行综合论述。正文是课程设计的主体，根据任务书要求的设计内容完成设计任务。应对系统总体设计方案的实用性和可行性进

3、行论证，设计系统主电路及控制驱动电路，说明系统工作原理，给出系统参数计算过程，给出仿真模型和仿真结果，并对结果进行分析。电路图纸、元器件符号及文字符号应符合国家标准。课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。 结论内容总结，应说明完成的主要设计任务、存在的主要问题及设计中的体会。 参考文献相关文摘不少于5篇，注意参考文献的格式。2. 格式要求（1）纸张格式：要求统一用A4纸打印，页面设置上空2.5cm，下空2.0cm，左空2.5cm，右空2.0cm（2）正文层次：统一用阿拉伯数字表示，标题一般不超过3级，格式左对齐，正文内容层次序号为：1.1.11.1.1.。（3）

4、正文标题；一级标题为黑体小2号，二级标题为黑体小三号，三级标题为黑体四号，四级标题为黑体小四号。（4）正文内容格式：宋体五号，1.25倍行距。（5）参考文献格式：参考文献不少于5个，按作者、文献名、出版地、出版社和出版时间等顺序书写。如：1刘国钧，陈绍业图书馆目录北京：高等教育出版社，1957 2 戴军，袁惠新.膜技术在含油废水处理中的应用.膜科学与技术，2002.4. 图表要求：所有曲线、图表、电路图、流程图、程序框图、示意图等必须采用计算机辅助绘图。图序及图名置于图的下方；表序及表名置于表的上方；图表一律采用采用阿拉伯数字连续编号。3.装订顺序设计报告按照如下顺序装订： 封面任务书目录正文

5、参考文献评分表。四时间安排：2016.6.132016.6.15 收集课程设计相关资料2016.6.162016.6.19 系统设计2016.6.202016.6.21 系统仿真2016.6.222016.6.24 撰写课程设计及答辩 2016 年 6 月 12 日目录绪论51直流双极式脉宽调速系统工作原理61.1 直流PWM可逆调速系统61.2 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性72电路设计92.1电流调节器的设计92.2转速调节器的设计112.3 集成脉宽电路设计112.4 驱动电路设计122.5 转速及电流检测电路设计133调节器的参数整定143.1 电流调节器参数的计算14

6、3.2 转速调节器参数的计算154 MATLAB仿真验证174.1 空载至额定转速仿真分析174.2 稳定运行时磁场突然减半仿真分析175 心得体会20参考文献21绪论自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统或直流PWM调速系统。与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：1）主电路线路简单，需用的功率器件少。2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。3）低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。4）若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态

7、抗干扰能力强。5）功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率高。6）直流电流采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。由于有以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能中，已完全取代了V-M系统。脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器，脉宽调制，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。1直流双极式脉宽调速系统工作原理1.1 直流PWM可

8、逆调速系统可逆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1所示。图1 桥式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2所示。图2 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，电枢电流沿回路1流；当时，电枢电流回路2续流，这时。因此，在一个周期内正负相间的脉冲波形，这是双极式PWM变换器的特征。图2绘出了双极式控制时的电压和电流波形。电动机电枢电压的平均值则体现在驱动电压正，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，反之，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

9、均电压为 若占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中有： 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，这就是双极式控制。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。而双极式控制方式也有不足：在工作过程中，四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。1.2 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性双闭环

10、调速系统的结构图如图3所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。图3 双闭环调速系统的结构简化图双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载反馈电流达到时对应于转速调节器为饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为无静差，起到过电流的自动保护作用。双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量有如下关系： 双闭环调速系统的稳态参数：转速反馈计算 电流反馈计算 2 电路设计为了使转速和电流两种负反馈

11、分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图所示，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了如图4所示的转速、电流反馈控制直流调速系统。 图4 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图5所示。PWM变换器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容滤波，以获得恒定的直流电压。由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限

12、制充电电流，在整流器和滤波电容之间传入电阻Rz，合上电源后，用延时开关将Rz短路，以免在运行中造成附加损耗。图5 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路2.1电流调节器的设计在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，在按动态性能设计电流环时，占不考虑反电动势变化的动态影响，所以忽略反电动势对电流环作用的近似条件是: 由于和一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为: 则电流环结构图可化为如图所示，从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就可以满足要求，而电流环的控制对象是两个时间常数大小相差较大的双惯性型的控制对象，如果采用PI型

13、的电流调节器，其传递函数可写成: 式中 电流调节器的比例系数 电流调节器的超前时间常数电流环开环传递函数为： 因为远远大于，所以选择，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，以便校正为典型I型系统，因此 由于在本课设中要求电流超调不超过5%，所以可选。含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图示于图6中，图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压，根据运算放大器的电路原理，所以可得： 从而计算调节器的具体电流参数。图6 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器2.2转速调节器的设计为了实现转速无静差，所以转速调节器应该设计成II型系统，这样的系统不

14、仅能满足条件还能满足动态抗扰性能好的要求，且ASR也应该采用PI型调节器，其传递函数为： 式中 Kn转速调节器的比例系数； 转速调节器的超前时间常数。 所以，按照典型II型系统的参数关系，可得出 本课设按要求选择h=5。含给定滤波器与反馈滤波的PI型转速调节器原理如图7所示，图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压，所以与电流调节器一样，可得到转速调节器参数与电阻、电容值得关系为 图7 转速反馈电路2.3 集成脉宽电路设计电路中的PWM信号由集成芯片SG3524产生，由SG3524构成的基本电路如图8所示，由15脚输入+15V电压，用于产生+5V基准电压。9脚是

15、误差放大器的输出端，在1、9引脚之间接入外部阻容元件构成PI调节器，可提高稳态精度。12、13引脚通过电阻与+15V电压源相连，供内部晶体管工作，由电流调节器输出的控制电压作为2引脚输入，通过其电压大小调节11、14引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。图8 SG3524管脚构成的电路图SG3524的基准源属于常规的串联式线性直流稳压电源,它向集成块内部的斜波发生器、PWM比较器、T型触发器等以及通过16脚向外均提供+5V的工作电压和基准电压,振荡器先产生0.6V-3.5V的连续不对称锯齿波电压Vj,再变换成矩形波电压,送至触发器、或非门,并由3脚输出。振荡器频率由SG3524的6

16、脚、7脚外接电容器CT和外接电阻器RT决定,其值为:f=1.15/RTCT。考虑到对CT的充电电流为(1.2-3.6/RT 一般为30A-2mA),因此RT的取值范围为1.8k100k,CT为0.001F0.1F,其最高振荡频率为300kHz。 开关电源输出电压经取样后接至误差放大器的反相输入端,与同相端的基准电压进行比较后,产生误差电压Vr,送至PWM比较器的一个输入端,另一个则接锯齿波电压,由此可控制PWM比较器输出的脉宽调制信号。2.4 驱动电路设计IGBT驱动采用了集成芯片IR2110，IR2110采用14端DIP封装 IGBT驱动电路如图9所示。IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰C

17、MOS工艺制作，具有独立的高端和低端输出通道；逻辑输入与标准的CMOS输出兼容；浮置电源采用自举电路，其工作电压可达500V，du/dt=±50V/ns，在15V下的静态功耗仅有1.6mW；输出的栅极驱动电压范围为1020V，逻辑电源电压范围为515V，逻辑电源地电压偏移范围为5V5V。IR2110采用CMOS施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。推挽式驱动输出峰值电流2A，负载为1000pF时，开关时间典型值为25ns。两路匹配传输导通延时为120ns，关断延时为94ns。IR2110的脚10可以承受2A的反向电流。 图9 IGBT驱动电路2.5 转速及电流检测电路设计转速检测电路

18、如图10。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10所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。图10 转速检测电路3 调节器的参数整定电流调节器以及转速调节器的电路结构如图6和图7所示，下面分别按设计要求计算电路中的各个参数。因为本设计采用双闭环直流调速系统，所以各参数为：直流电机参数： PN3KW，UN220V，IN17A，nN1500r/min ，Ra0.2，, ,励磁：它励，励磁电压220V，进线交流电源：三相380V时间常数： =

19、0.03s, 3.性能指标：系统可逆，转速、电流调节无静差转速反馈系数电流反馈系数计算调节器参数之前，先根据电动机的额定参数计算电动势系数，额定状态运行时于是可得3.1 电流调节器参数的计算电流反馈系统：（1）确定电流环时间常数1)整流装置滞后时间常数为Tn，则三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s.2)电流滤波时间常数Toi,三相桥式电路每个波头得时间为3.3ms，为了基本滤平波头，所以，因此取Toi=2ms=0.002s3)电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取=Ts+Toi=0.0037s（2）选择电流调节器结构因为根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调

20、节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为检查对电源电压的抗扰性能：（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数： 电流开环增益：要求时，应取=0.5，因此于是，ACR的比例系数为（4）校验近似条件电流环截止频率：1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 满足近似条件2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件3）校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图所示（*），按所用运算放大器去=,各电阻和电容值计算如下：=0.0345*40= 3.2 转速调节器参数的计算（1）确定时间常数1)电流环等效

21、时间常数， 2)转速滤波时间常数，根据测速发电机的纹波情况取；3)转速环小时间常数，按小时间常数尽速处理取(2)选择转速调节器结构根据设计要求，转速环应该设计为典型型系统，调节器也采用PI型，其传递函数为（3）计算转速调节器参数根据跟随性和抗干扰性能都较好的原则取,则ASR超前时间常数转速环开环增益于是ASR的比例系数为（4）校验近似条件：转速环截止频率1)校验电流环传递函数简化条件满足简化条件。2）校验小时间常数近似处理。满足近似条件。（5）按所用运算放大器，取各电阻和电容值计算如下：4 Matlab仿真验证4.1 空载至额定转速仿真分析根据上面计算的参数数据，使用Matlab的Simuli

22、nk进行仿真验证，进行双闭环模型搭建。搭建好的双闭环模型如图11所示，转速环给定10V，负载设定为0A,即空载启动。仿真时间设为4s，用示波器观察电流及转速波形如图12所示。图11 双闭环仿真模型图12 空载启动至额定转速仿真结果4.2 稳定运行时磁场突然减半仿真分析由模型中，磁场突然间半，只需将模型中的与2相乘即可，仿真使用乘法器完成这个过程，3s前阶跃信号为1，3s时突变为2。仿真模型如图13示。仿真时间设为4s，同时增加示波器观察直流电压，ASR、ACR输出电压的波形。图13稳定运行时磁场突然减半仿真模型仿真结果如图14，15，16，17所示。从图中看出当励磁突然减半时，转速变为原来的2

23、倍，通过转速反馈与给定相减使ASR减到0，电流给定也减到0，电机减速。减速到200r/min以下后，ASR达到饱和，电流给定为最大值，由于，则转速下降到一定值后保持不变。图14 稳定运行时磁场突然减半电流、转速波形图15 稳定运行时磁场突然减半ACR输出电压波形图16 稳定运行时磁场突然减半ASR输出电压波形图17 稳定运行时磁场突然减半波形 实际情况中电机存在机械惯性，转速不可能突变，直流电机提供的最大转矩小于负载转矩，所以转速会直接减小。经验证，当励磁发生变化时，满足最大输出转矩大于负载转矩，直流电机在双闭环的调解下能稳定运行。5 心得体会这次课程设计历时两周，期间设计过程可谓一语难尽。从

24、开始时满富盛激情期望开题，到拿到题目后无从下手的无助，再到到处寻找资料动手设计，最后在付出汗水完成设计的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。刚开始拿到题目时感觉并不陌生，但真正动手起来做时才发现自己其实对课本很多知识并没熟练掌握，例如在此设计过程中对于PI调节器就不太熟悉，还有对画图的软件也使用不是很熟，后来通过网上一些资料，还有课本上的知识才慢慢开始动手设计本完成本次课设本次课设设计我学到了很多东西，在和同学的交流过程中，互动学习，将知识融会贯通。更加让我们体会到了这门专业课的适用性与重要性，也体会到了电力电子、自动控制原理还有电机学他们之间的紧密联系。通过这次课设也让我明白了自己原来学习是一个长期