交直流调速课程设计

1、目 录 一、交直流调速课程设计任务书 2二、交直流调速课程设计说明书 4 2.1理论设计 4 2.1.1双闭环调速系统的结构图 4 2.1.2 调速系统起动过程的电流和转速波 4 2.1.3 H桥双极式逆变器的工作原理 5 2.1.4 PWM调速系统的静特性 7 2.2电路设计 7 2.2.1给定基准电源 8 2.2.2双闭环调节器电路设计 8 2.2.3转速及电流检测电路 9 2.3调节器的参数整定 112.3.1电流环的设计 112.3.2 转速环的设计 13 2.4电路图总体设计 15三、总结 20 交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

2、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管能动作用，且避免方案及结果雷同，在

3、选定系统方案时，规定外的其他参数有同学自己选定。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=10V3、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：可以选择单相交流380V供电；变压器二次相电压为52V；5、他励直流电动机的参数：见习题集【4-19】（P96）=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。四、设计任务a）总体方

4、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

5、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 李荣生主编 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，上海工业大学 陈伯时 机械工业出版社4、电力电子技术 王兆安 黄俊主编 机械工业出版社 2000.1 二、交直流调速课程设计说明书2.1理论设计2.1.1双闭环调速结构的系统图该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。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。电流调节器ACR 和电流检测反

6、馈回路构成了电流环；转速调节器ASR 和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR 和ACR 串联，即把ASR 的输出当做ACR 的输入，再由ACR 得输出去控制晶闸管整流器的触发器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI 调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环，如图1所示。图1 双闭环调速系统的结构图2.1.2 调速系统起动过程的电流和转速波形系统启动过程分析图2 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形分三个阶段：第一阶段（0t1

7、）是电流上升阶段突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值U*im，强迫电流Id迅速上升。直到，Id =Idm ，Ui=U*im 电流调节器很快就压制 Id 了的增长，标志着这一阶段的结束。第 II 阶段（t1t2）恒流升速阶段在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电

8、动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，Ud0和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm。第 阶段（t2以后）转速调节阶段当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U*i和Id很快下降。但是，只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。直到Id = IdL时，转矩Te=TL ，则dn

9、/dt=0，转速n才到达峰值（t=t3时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（t3t4），Id <IdL，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。2.1.3 H桥双极式逆变器的工作原理 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。H形双极式逆变器电路如图3所示。这时电动机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3 H形双极式逆变器电路双极式逆变器的四个驱动电压波形如图4所示。图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

10、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

11、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。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。2.1.4 PWM调速系统的静特性图4 双闭环直流调速系统的的静特性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

12、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2.2 电路设计H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图5所示。PWM逆变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。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这时电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rz消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VTz。图5 H桥式直流脉宽调速系统主电路四单元IGBT模块型号：20MT120UF 生产

13、厂家：IR公司主要参数如下：=1200V =16A =100 2.2.1给定基准电源此电路用于产生±15V电压作为转速给定电压以及基准电压，如图6所示：图6 给定基准电源电路2.2.2 双闭环调节器电路设计为了实现闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较，决定调节器的输出，反馈的关键是对被控量进行采样与测量。 （1）电流调节器由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数，以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。图7 含

14、给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器（2） 转速调节器转速反馈电路如图8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。根据和电流环一样的原理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。图8 含给定滤波与反馈滤波的PI型电转速调节器2.2.3转速及电流检测电路（1）转速检测电路转速检测电路如图9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9所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。图9转

15、速检测电路（2） 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10所示。图10  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； 

16、0;   3）电流测量范围宽，可测量额定1mA50kA电流；     4）跟踪速度di/dt>50A/s；     5）线性度优于0.1IN；     6）响应时间<1s；     7）频率响应0100kHz。2.3调节器的参数整定本设计为双闭环直流调速系统电路基本数据如下：1)PWM装置放大系数;2)电枢回路总电阻R=2;3)电磁时间常数;4)机电时间常数;5)调节器输入电阻;6)电动势系数;设计指标：1)静态指标：无静差；2)动态指标：电流

17、超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量。计算反馈关键参数： 2.3.1电流环的设计 1）确定时间常数PWM装置滞后时间常数：。电流滤波时间常数:。(和一般都比小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)。2）选择电流调节器结构根据设计要求：，而且可按典型型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的，其传递函数为式中 电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。3）选择电流调节器的参数ACR超前时间常数；电流环开环时间增益:要求，故应取，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）晶闸管装置传递函数近似条件： 即 满足近

18、似条件；（2) 忽略反电动势对电流环影响的条件： 即 满足近似条件；（3) 小时间常数近似处理条件：， 即 满足近似条件。5）计算调节器电阻和电容 调节器输入电阻为，各电阻和电容值计算如下 取 ，取 ， 取2.3.2 转速环的设计1）确定时间常数（1）电流环等效时间常数 （2）转速滤波时间常数 （3）转速环小时间常数近似处理 2）选择转速调节器结构按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型型系统选用设计PI调节器，其传递函数为3）选择调节器的参数根据跟随性和抗干扰性能都较好的原则取，则ASR超前时间常数为 转速开环增益： ASR的比例系数： 4）近似校验转速截止频率为： （1）电流环传递函数简化条件： 现在 ， 满足简化条件。（2）小时间常数近似处理条件： 现在， 满足近似条件。5）计算调节器电阻和电容 调节器输入电阻 ，则 ，取443 ，取1 ，取0.56）检验转速超调量当h=5时，查表得，=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于这是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。设理想空载起动时，负载系数z=0。当h=5时，；而，因此 过渡时间，