PWM直流双闭环调速系统设计

1、运动控制系统大作业直流PWM双闭环调速系统，基本数据如下:直流电机：额定功率 185W，额定电枢电压 220VDC，额定电枢电流 1.25A，励磁电压220VDC，励磁电流0.16A，额定转速1500rpm，额定转矩12000g cm，允许过载倍数1.2 ;PWM 变换器：占空比15%-85% ;时间常数：电磁时间常数10ms,机电时间常数87ms ;控制器的最大输入/输出电压均不超过3V设计要求:(1)静态指标，转速/电流无静差;(2)动态指标，电流超调不超过5% ;空载启动到额定转速时的转速超调不超过 10%。请完成转速调节器、电流调节器的设计、理论仿真和调试。1.双闭环调速系统的结构图直

2、流双闭环调速系统的结构图如图所示，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。双闭环调速系统的结构图2.电路设计H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图所示。 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 Co滤波，以获得恒定的直流电压Us。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

3、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。四单元IGBT模块型号：20MT120UF主要参数如下:U CER =1200V1 c =16A Tcn =100 CPcM09kW U CE (sat) 305V2.1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，如图所示:丰MJV'liF珈|止=：C1JRiiil-Vwd VuiLfcrpH给定基准电源电路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

4、。2.2.1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Toi 0.001s，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。E 加E严吕COQjD.ziit)(.Ul*'lHh0九dH IbidIACHTjok2.2.2转速调节器fiUIIT图2-3含给定滤波与反馈滤波的 PI型电流调节器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Ton0.005s。根据和电流环一样的原理，在转速给

5、定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。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）电磁时间常数Ti0.001s ；2）机电时间常数Tm 0.087s ;3）触发整流环节的允许过载倍数入=1.2 ;设计指标:1）静态指标：无静差;2）动态指标：电流超调量 i% 5% ;空载起动到额定转速时的转速超调量n%10% o计算反馈关键参数:Ct=T/la=0.9408Ce=Ct/9.55=0.0985V.mi n/rnN=(UN-IN*R)/Ce R=57.78 Qa= Unm/nN=0.002V/(r/mi n)3=Uim/ldm=2V/A 3.1电流环的设计1）确定时间常数

6、0.002s oPWM装置滞后时间常数：Ts=0.0017s。电流滤波时间常数:ToiT=0.0017+0.002=0.0037s（Ts和人匚一般都比丁小得多，可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节）o2）选择电流调节器结构可按典型I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WACR(s)式中 Ki 电流调节器的比例系数；Ti 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i Ti0.01s ;改电流环开环时间增益:要求i 5%，故应取KiT i 0.5，因此0. 5T?為 1351s1于是，ACR的比例系数为：iR瓦1

7、35 1O.。1* 577851.3 20.764)校验近似条件电流环截止频率:ciKi135 1s(1 )晶闸管装置传递函数近似条件:ci13tS13T30.001196. 1s1> ci满足近似条件;(2 )忽略反电动势对电流环影响的条件:ci 3.满足近似条件; TmTiw 话而 101-71s1ci1(3)小时间常数近似处理条件:ci3J070017 0.00218°7s' Ci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Ro20k ，各电阻和电容值计算如下R 1.2Ki R02. 4524k18.24k ,取 20kCoi4To"r00.

8、0120_104 0.002401031061060.5，取 0. 5 F0.2 F，取 0.2 F3.2转速环的设计1)确定时间常数(1)电流环等效时间常数2T i20. 00370. 0074s(2)转速滤波时间常数Ton0.005s(3)转速环小时间常数近似处理Tn2T iTom0. 0124s1cn3Y2TiTon2)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n由PI调设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型n型系统一选用设计 节器，其传递函数为s 1Wasr(s)Kn

9、nS3) 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 h 5，则ASR超前时间常数为n hTn5 0. 012S0.06岔转速开环增益:Knh 12h2Tin6 2250.01242780 4s 2ASR的比例系数:Kn(丄_ 1)CeTm 2hRT n4) 近似校验转速截止频率为:cnKnKn178Q40. 0621s48 4s 1(1)电流环传递函数简化条件:cn15Ti现在150.003754. 1scn满足简化条件。(2)小时间常数近似处理条件:1现在1 f 113 归 iG3 V2 0.00370. 00554. 8s 1 cn满足近似条件。5 ）计算调节器电阻和电容CnR。20k，则Rn1.2KnR0122.4k，取 125 k0. 062106 F0.496F，取 0.5 F1251034Ton40.0035 106F 0.5F，取 0.5 F调节器输入电阻nCon6 ）检验转速超调量当h=5时，查表得,n =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