自动化1132陈絮10212413209

1、武汉理工大学华夏学院课 程 设 计 报 告 书题 目：直流双极式可逆PWM调速系统设计与仿真系 名：信息工程系 专业班级：自动化1132 姓 名： 董嘉源 学 号：10212413219 指导教师： 蔡金萍 2016 年 6 月 22 日课程设计任务书9学生姓名： 董嘉源 专业班级： 自动化1132 指导教师： 工作单位： 信息工程系 题目: 直流双极式可逆PWM调速系统设计与仿真 一、初始条件：1.直流电机参数： PN10 KW，UN220 V，IN55 A，nN1000 r/min ，Ra0.4，直流它励励磁电压220V，电流1.6A2.进线交流电源：三相380V3. 采用永磁式测速发电机

2、，其参数：23W，110V，0.21A，1900 r/min， 二、要求完成的主要任务: 1.PWM主电路设计2.转速反馈和电流反馈电路设计3.集成脉宽调制电路设计4.驱动电路设计5.ASR及ACR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

3、计任务。应对系统总体设计方案的实用性和可行性进行论证，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

4、内容层次序号为：1.1.11.1.1.。（3）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

5、设计报告按照如下顺序装订： 封面任务书目录正文参考文献评分表。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1概述- 12设计思路- 22.1双闭环调速系统结构图- 22.2 桥式可逆PWM变换器-23电路设计- 53.1 给定及偏移电路- 53.2双环调节器电路- 63.21 电流调节器- 63.22 转速调节器- 63.3 信号产生电路- 73.4 驱动电路- 83.5 转速及电流检

6、测电路- 94 调节器的参数整定- 104.1 电流调节器的参数- 104.2转速调节器的参数- 115 MATLAB仿真- 135.1双闭环调速系统仿真框图- 135.2 仿真结果- 136 心得体会- 14参考文献- 151 概述脉冲宽度调制 脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变

7、，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。  脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通

8、常调制频率为1kHz到200kHz之间。许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作： * 设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期 * 在PWM控制寄存器中设置接通时间 * 设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚 * 启动定时器 * 使能PWM控制器  PWM的一个优点是从

9、处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。 2 设计思路2.1双闭环调速系统结构图本次设计要求采用P

10、WM控制和变换器实现电机调速的功能，为了使系统的稳态性能和动态性能都达到比较高的标准，还是采用了转速电流双闭环的控制方式。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。电路总体结构框图如图1所示：图1 双闭环调速系统结构图2.2 桥式可逆PWM变换器图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。图3 

11、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，晶体管1VT、4VT饱和导通而3VT、2VT截止，这时。当时，1VT、4VT截止，但3VT、2VT不能立即导通，电枢电流经2VD、3VD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3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 ：÷èø  如果定义占空比，电压系

12、数= 则在双极式可逆变换器中 gr=-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

13、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。3 电路设计H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图4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电容量较大，突加电源时相当短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管。为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻或电抗），合上电源以后，延时用开关将短路，以免在运行中造成附加损耗。 滤波电容器往往在PWM装置的体积和重量中占有不小的份额，因此电容量的选择是PWM装置设计中的重要问题。但对于PWM变

14、换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rb消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VT5。图4 H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路3.1 给定及偏移电路此电路用于产生±15V电压作为转速给定电压以及基准电压，如图5所示：图5 给定及偏移电路3.2双环调节器电路3.21 电流调节器电流反馈电路原理图如图6所示。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。其中， 

15、;, 。图6 电流反馈电路3.22 转速调节器转速反馈电路原理图如图7所示，图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出时电流调节器的给定电压。其电路结构与电流调节器雷同， ， 。=图7 转速反馈电路3.3 信号产生电路PWM生成电路如图8所示，SG3524生成的PWM信号经过一个非门转为两路相反的PWM信号，为了确保上下两桥臂不会直通发生事故，中间加入电容进行逻辑延时，后面再加上非门和与门构成的电路。图8 信号产生电路本设计采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。根据主电路中IGBT的开关频率，选择适当的值即可确定振荡频率。由初始条件知开关频率为10kHz，

16、可以选择。 电路中的PWM信号由集成芯片SG3524产生，SG3524可为脉宽调制式推挽、桥式、单端及串联型SMPS(固定频率开关电源)提供全部控制电路系统的控制单元。由它构成的PWM型开关电源的工作频率可达100kHz,适宜构成100-500W中功率推挽输出式开关电源。SG3524采用是定频PWM电路,DIP-16型封装。 由SG3524构成的基本电路如图9所示，由15脚输入+15V电压，用于产生+5V基准电压。9脚是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

17、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9 SG3524管脚电路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,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脚、7脚外接电容器和外接电阻器决定,其值为:f=1.15/。考虑到对的充电电流为(1.2-3.6/ 一般为30A-2mA),因此的取值范围为1.8k100k,

18、 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。3.4 驱动电路IGBT驱动采用了集成芯片IR2110，IR2110采用14端DIP封装，引出端排列如图10所示。图10 IR2110管脚图它的各引脚功能如下：  脚1（LO）是低端通道输出； 脚2（COM）是公共端； 脚3（Vss）是低端固定电源电压； 脚5（Us）是高端浮置电源偏移电压；&

19、#160;脚6(UB)是高端浮置电源电压；脚7（HO）是高端输出； 脚9（VDD）是逻辑电路电源电压； 脚10（HIN）、脚11（SD）、脚12（LIN）均是逻辑输入； 脚13（Vss）是逻辑电路地电位端外加电源电压，其值可以为0V； 脚4、脚8、脚14均为空端。 IGBT驱动电路如图11所示。IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS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

20、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11 IR2110驱动电路3.5 转速及电流检测电路 转速检测电路如图12。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

21、图12所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。图12 转速检测电路4 调节器的参数整定4.1 电流调节器的参数根据运算放大器的电路原理，可以容易的导出： 根据以上的过程分析，本次课程设计的电流调节器的具体参数选取方式如下。由于采用的PWM的频率为10kHz，所以整流装置的滞后时间常数，不妨取。PWM的每个正脉冲的时间为=0.05ms，为了基本滤平电流，应有(12) =0.05ms，所以，取电流滤波时间常数。故有。检查对电源电压的抗扰性能：，这一指标表明动态降落非常的小，但是恢复时间相对来说较长，但是也在可以接受的范围内。 电流调节器的超前时间常数：。 电流开环增

22、益：要求，故应取，因此。 不妨设为12.33V于是,可以算出电流调节器ACR的比例系数为：校验近似条件的验证如下： 有电流环截止频率： 1.PWM整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件。 2.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.电流环小时间常数近似处理条件 w=>满足近似条件。 下面开始计算PI调节器中的相关电子元器件的取值 按照图6不妨取=50k，则各电阻和电容值为： ,取，取38，取3.3由以上原件构成的PI调节器的动态跟随指标为，满足设计

23、要求。4.2转速调节器的参数转速调节器的参数包括和。按照典型型系统的参数关系有： 对于中频宽h的选择，一般取5能够满足跟随和抗扰性能都较好的原则，如果不能满足系统的动态性能要求则做适当的调整。电阻电容的取值如下： 根据以上讨论，本设计中的ASR设计如下： 电流环等效时间常数为，前面已经选择,则有 转速滤波常数根据测速发电机的纹波情况，取于是转速环小时间常数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为å=由题意可以算的： (设为14.5V)则可得到：下面验证近似条件是否满足： 电流环传递函数简化条件为

24、60;=>满足条件 。转速环小时间常数近似处理条件为 =>满足条件 。下面开始计算实现电路所需要的电器元件的取值,取，取W，取，取4 MATLAB仿真4.1双闭环调速系统仿真框图双闭环直流调速系统仿真框图如图13所示：图13 双闭环调速系统仿真框图其中，限幅值的计算为：4.2 仿真结果ASR，ACR输出电压波形如图14图14 ASR，ACR输出电压波形图6 心得体会 这次课程设计历时两周，在整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。经过这次课程设计我感受颇多。在正式进行设计之前，我参考了一些网上的资料，通过对这些设计方案来开拓自己的思路，最后终于有了自己的思路。课程设计是实践课的一种，在很大程度上实现了动手与动脑，理论与实际的相互结合，既是对工业环境的一个简单缩影，又是对理论知识的一种检验，很好地实