双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

1、电力拖动自动控制系统课程设计报告PWM控制双闭环可逆直流调速系统设计学院：信息工程学院学号：专业（方向）年级：学 生 姓名：扬州大学信息工程学院年 月 日目录1. 课程设计任务书 12课程设计技术报告 32.1 方案确定 32.1.1 方案选定 32.1.2桥式可逆PWM换器工作原理32.1.3 系统控制电路图 62.1.4 双闭环直流调速系统静态分析 62.1.5 双闭环直流调速系统稳态结构图 72.2 硬件结构 92.2.1 主电路 92.2.2 泵升压限制 112.3 主电路参数计算及元件选择 122.3.1 整流二极管选择 122.3.2 绝缘栅双极晶体管选择 122.4 调节器参数设

2、计和选择 132.4.1 电流环的设计 132.4.2 转速环的设计 162.4.3 反馈单元 182.5 系统动态结构图 192.6 系统仿真3心得体会 204. 参考资料1、课程设计任务书1.1、题目PWM控制双闭环可逆直流调速系统设计1.2、设计目的和意义(1) 、通过对电力拖动控制系统的设计，了解电力电子、自动控制原理及 电力拖动自动控制系统课程所学内容，初步具备设计电力拖动自动控制系统的能 力，为今后从事技术工作打下必要的基础。(2) 、运用电力拖动控制系统的理论知识设计出满足任务书要求的直 流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。1.3、技术数据(1) 、他励直流电动机的参

3、数：电枢电阻Ra=1.641，电枢回路总电感 L=10.2mH，额定电流 |nom=6A，额定电压 Unom=110V。额定转速 n=1000r/min ， 电流过载倍数入=2。励磁电压110V,励磁电流0.4A。转动惯量，磁场与电枢互感 2.17。(2) 、电枢回路总电阻R=2Q,调速系统的最小负载电流Io=1A。(3) 、主电源：可以选择单相交流 220V供电；(4) 、稳定指标，无静差。动态指标， 、乞5%(5) 、空载起动到额定转速时转速超调量6 n兰15%(6) 、给定电压最大值为土 10V。1.4、设计任务(1) 总体方案的确定；(2) 主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；3

4、）系统原理图、稳态结构图、动态结构图；4）电流环、转速环的参数的设计；5）根据电流环、转速环的参数构建仿真模型；（6）进行MATLA仿真；2、课程设计技术报告2.1、方案确定2.1.1方案选定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所示。Id图1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

5、，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。2.1.2 桥式可逆PWM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所示。这是电动机M两端电压Uab的极性

6、随开关器件驱动电压的极性变化而变化Us图2桥式可逆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3所示。U gi Ug4AOUg2ttonUg3Tt11tIk-O图3 PWM变换器的驱动电压波形他们的关系是：Ug1 =Ug4 - -Ug2 - -Ug3。在一个开关周期内，当0 时，晶体管VT,、VT4饱和导通而VT3、VT2截止，这时Uab二Us。当ton乞t T时，VT,、VT4截止，但VT3、VT2不能立即导通，电枢电流id经VD2、VD3续流，这时Uab二-Us。Uab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

7、驱动电压正、 负脉冲的宽窄 上。当正脉冲较宽时，ton T，则Uab的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较2窄时，则反转；如果正负脉冲相等，ton=T，平均输出电压为零，则电动机停止。2双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为tonT - ton2ton-1如果定义占空比： = bn_T，电压系数专则在双极式可逆变换器中=-11调速时，的可调范围为01相应的-1。当尸3时， 为正，电动机11正转；当:：:-时， 为负，电动机反转；当T二时，吋=0，电动机停止。但22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，

8、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，有利于保证器件的可靠导 通。2.1.3 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Us 二 RidEdt（0空 t ： ton ）Us 二 RidL屯 Edt（t。沁 t ：T）按电

9、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Ud二Us，平均电流用Id表示，平均转速n二E/Ce，而电 枢电感压降L贽的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成Us = Rid E = RId Cen则机械特性方程式CeCe=noRCe2.1.4 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4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：饱和一一输出 达到限幅值；不饱和一一输出未达到限幅值。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

10、时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。图4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5为双闭环直流调速系统原理.图5双闭环直流调速系统原理图2.2、硬件结构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

11、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6为双闭环直流PWM调速系统硬件结构图。3ftflih.i'fc检甜单片厳机劇抖盟;lillA -iW上 机生U4图6 双闭环直流PWM调速系统硬件结构图2.2.1 主电路主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成， 一般都是电压源型的，采用大电容 C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称 H形）电路，如 图7为桥式可逆PWr变换器。这时电动机M两端电压Uab的极性随开关器件驱动 电压极性的变化而变化，其

12、控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，本 设计用的是双极性控制的可逆 pwr变换器。双极性控制的桥式可逆pwr变换器有 电流一定连续、可使电动机在四象限运行、电动机停止时有微振电流可消除静摩 擦死区、低速平稳性好等优点。图8为双极式控制时的输出电压和电流波形。id!相当于一般负载的情况,脉动电流的方向始终为正；id2相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动， 但平均值仍为正，等于负载电流。图8双极式控制时的输出电压和电流波形双极性控制可控pwr变换器的输出平均电压为u占UsT -t2t1tonUs =（；on 1）Us转速反馈电路如图9所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，

13、因 此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数Ton -0.012s。根据和电流环一样的道 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。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

14、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。2.3、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If和最高反向工作电压 Ur分别应满足：If 1.1 Io（av）“21.1 6/2 =3.3（A）Ur 1.12 U2 =1.12 110 =171（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If（A）额定反向峰值电压URM（V）正向平均压降 Uf （V）反向

15、平均漏 电流IR（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Udmax =0.9 110 0.95 = 94（V）2 C -1.5 0.02，即 C-15000uF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。232绝缘栅双极晶体管的选择最大工作电流lmax 2Us/R=2*122/2=122(A)集电极发射极反向击穿电压(BVceo)(BVceo) >(23)Us=244366v2.4、调节器参数设计和选择调节器工程设计方法的基本思路

16、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4.9N m，电枢电阻Ra=1.641，电枢回路总电感L=10.2mH,额定 电流|nom=6A，额定电压Unom = 110V。调速系统的最小负载电流Io =1A，电源电压Us=122V。： =1000r/min，

17、电枢回路 总电阻R=2Q ,电流过载倍数入=2。如图10为电流环结构图號一為一賠f語丁图10电流环结构图CeUN RaI n1101.64 6TmTi 二nN1000二 0.1V *min/ rgd2r1.5 2 r:375CeCm375 0.12 30=0.08sL 10.2 10"0.005s(1)脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数Tpwm与传递函数的计算开关频率f选为4.4kHz。于是开关周期1Tpwm0.23ms脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为UdKpwm *Ui尊1110于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传递函数为11KpwmWpwm (S)=Tpwms+10.00

18、023s+1(2)电流滤波时间常数 Toi取0.5ms(3)电流环小时间常数 T'，TpwmT o0.23ms 0.5ms根据设计要求，门乞5%，而且Ti/TH =5.1/0.73=6.99 ： 10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Wacr(s)* = Ki-liSi 二 Ti 二 0.0 051要求二i%乞5%时，应取KT、，0.5，因此0.50.511Kis = 684.93sT 迓 0.00073又*匕 100.833V / A?Jn 2x6于是KKi 亠8 4. 93 °. °°50. A PKpwm0. 8 331 1

19、，ci=K i=68 4. 9"3(1)要求1 .ci3T pwm1,现 3TpwmI二_Js 1449.3s”ci3 0.00023要求"f，现3爲人0.08 0.0051宀4曲：' -> ci。"S 1(3)要求 3、TpwMT°i ,oi1 13、0.00023 0.0005-982.95s4ci可见均满足要求取R°=40八，则Ri 二 KiR0=0.7 640*01,4 取 R30k'.1° =上=0 . 0 051 伽=0.17Ri 300004 0.。柚牛二401300. 0 5按照上述参数，电流环可

20、以达到的动态指标为G =4.3% ：:5%，故满足设计要求。确定时间常数(1) 电流环等效时间常数为 2Ti =2 0.00073 = 0.00146s取转速滤波时间常数口 =0.005S(3)T吊=2T丁 Ton = 0.00146s 0.005s = 0.00646sASR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，ASRI ns +1 WASR（S）= Kn 选用PI调节器，其传递函数为"S图11速度环结构图选择ASR参数取h=5,则n = hT 二n = 5 0.00646s = 0.0323sKnh 1_62h2磅2 25 0.006462=287

21、5.5s'Kn(h - 1)CeTm2h： RT习6 汉 0. 8330. 09 0 1 6 _0.J g 3250. 0 120. 0 06 4.6校验近似条件cn=KNn2875.5 0. 0323 s© 2. 88-'cn(1)要求5Tt，现1273.97s cn5Tr 5 0.0007332T；Ton，要求1113 2 0.00073 0.005-'cn2TiTon1 1s = 123.4s cn可见均能满足要求。计算ASR电阻和电容取 Rq = 40k1 1RnR-3 5. 92 40 = 14 3哼取 1440小CnRn0. 03231 0卩 F=

22、 0. 02 23 1 01 440Con4TonRq40.400 05 (W = 0.好130检验转速超调量Cb2(_z4“nNTm当h=5时，Cb% =81.2%InRCe0.09016 r min= 133.1rmin因此J% =81.2% 2 10.167 1331 O.00646 =14.8% 疳帖10000.103可见转速超调量满足要求。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。2.4.3反馈单元转速检测装置选择选测速发电机n=1900r/min 。永磁式 ZYS231/110型，额定数据为 P=23.1WU=110VI=0.21A ,测速反馈电位器RP2

23、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U TMnNU TN1000 110190057.89V测速反馈电位器阻值RrP1U TM20%Itn57.890.2 0.21=1378"此时RP2所消耗的功率为PrP1 =Utm 20%Itn =57.89 0.2 0.21=2.4W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 20001。电流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。2.5系统动态结构图图中Wasr(S)和Wacr(S)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数， 为了引出 电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电流Id显露出来。电机的启动过程 中转速调节器经历了饱和、退饱和、不饱和三种状态。2.6系统仿真系统空载启动并在2.5s加载情况下的仿真图如图所示，仿真波形如图所示。系统正反转仿真如图15所示图15电机正反转时仿真图图16上图电流波形，下图转速波形Time DHset 0图17上：给定电流，中：电流转速，下：电流调节器输出从图16可以看出，带载启动时转速到达稳态时间比空载时长，系统从正转启动 到反转运行过程中，图16表示的转速和电枢电流对转速给