电力拖动自动控制课程系统设计

1、1设计分析1.1双闭环调速系统的构造图直流双闭环调速系统的构造图如图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如图2所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。(a)带电流截止负反应的单闭环调速系统起动过程(b)理想快速起动过程图2调速系统起动过程的电流和转速波形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

2、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Uab的极性随 开关器件驱动电压的极性变化而变化。图3H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。U giU g4tt onU g2O图4 H形双极式逆变器的驱动电压波形他们的关系是：Ug1 Ug4 Ug2Ug3。在一个开关周期内，当0 t时，晶体管VTi、VT4饱和导通而VT3、VT2截止，这时Uab Us。当ton t T时, VTi、VT4截止，但VT3、VT2不能立即导通，电枢电流id经VD2、

3、VD3续流，这时 UabUs。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。电动机的正反转表达在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。 当正脉冲较宽时，ton T，那么Uab的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄2时，那么反转；如果正负脉冲相等，ton T，平均输出电压为零，那么电动机停2顿。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为UtonT tondU s如果定义占空比¥，电压系数UdUs2tonTTT那么在双极式可逆变换器中1调速时，的可调X围为01相应的1 1。当 -时， 为正，电211动机正转；当1时，为负，电动机反转；当-时，0，电动机停顿。

4、22但电动机停顿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，在电动机停顿时仍然有高频 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电动机停顿时有微震电流，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。1.4 PWM调速系统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拟简单， 电压平衡方程如下Us Rid L

5、d E (0 t ton).dtdidUs RidE (ton t T)dt按电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 Us，平均电流用Id表示，平均转速n E/Ce，而电 枢电感压降L%的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成dtUs Rid E Rid Cen那么机械特性方程式n2电路设计UsCeCeidn°CeidH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

6、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，在泵升电压到达允许值时接通VTz四单元IGBT模块型号：20MT120UF 生产厂家：IR公司主要参数如下:Ucer=1200V lc=16A Tcn =100 C FCm0.9kW UcE（sat）3.05V2.1给定基准电源此电路用于产生土 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，必须对被控量进展采样，然后与给定值比拟，决定调节器的输出，反应的关键是对被控量进展采样与测量。221电流调节器由于电

7、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。为了平衡反应信号的延迟，在给定通 道上参加同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。图7含给定滤波与反应滤波的PI型电流调节器转速调节器转速反应电路如图8所示，由测速发电机得到的转速反应电压含有换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数Ton 0.005s。根据和电流环一样的原理,图8含给定滤波与反应滤波的PI型电转速调节器2.3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

8、主电路中IGBT的开关频率，选择适当的Rt、Ct值即可确定振荡频率。电路中的PWM信号由集成芯片SG3524产生，SG3524采用是定频PWM电 路QIP-16型封装。由SG3524构成的根本电路如图8所示，由15脚输入+15V电压，用于产 生+5V基准电压。在6、7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12、13引脚的输 出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。IN-U I1 16REF OUTIN+ 215VCCOSC OUT 314EMIT

9、2CURRLIM+ 413COL 2CURRLIM-512COL 1RT6 11EMIT 1CT710SHUTDOWNGND 89COMP图9 SG3524管脚图V亡亡-9vrefOutputi£ 2k'tOp« > 1WSHUTDOWNOSC OUTIN*14REF OUTCOfflFOJRR LIVI*C OL 2CURRLJM-C0L1EMIT 2EMIT1VCGSG2f24 ”10>>->11 -XXkl一一WwheK2图10 SG3524引脚接线图NlI Hi；l5Vrt 064 3If060:IkOosc丿0:|输入RUII愉入地

10、1<>Un10LQ图11 SG3524内部框图主要参数：输入电压Uimax: 40V 输出电流：500mA 好散功率：1W2.4 IGBT基极驱动电路原理工作原理如图12所示,s .1厂15o I Vm+ WV：2=k tCj 脸图12 EXB841内部构造图EXB841系列驱动器的各引脚功能如下：脚1 :连接用于反向偏置电源的滤波电容器；脚2 :电源+ 20V；脚3 :驱动输出；脚4 :用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作大多数场合不需要该电容器；脚5 :过流保护输出；脚6 :集电极电压监视；脚7、8 :不接；脚9 :电源；脚10、11 :不接；脚14、15 :驱动信号输

11、入-,+；2.5基于EXB841驱动电路设计驱动电路中V5起保护作用，防止EXB841的6脚承受过电压，通过VD1检测是 否过电流，接VZ3的目的是为了改变EXB模块过流保护起控点，以降低过高的保 护阀值从而解决过流保护阀值太高的问题。R1和C1及VZ4接在+20V电源上保证稳定的电压。VZ1和VZ2防止栅极和射极出现过电压，Rge是防止IGBT误导通。针对EXB841存在保护盲区的问题，可如图12所示将EXB841的6脚的超快速 恢复二极管VDI换为导通压降大一点的超快速恢复二极管或反向串联一个稳压 二极管，也可采取对每个脉冲限制最小脉宽使其大于盲区时间，防止IGBT过窄脉宽下的低输出大功耗

12、状态。针对 EXB841软关断保护不可靠的问题，可以在 EXB841的5脚和4脚间接一个可变电阻，4脚和地之间接一个电容，都是用来调节 关断时间，保证软关断的可靠性。针对负偏压缺乏的问题，可以考虑提高负偏压。 一般采用的负偏压是-5V，可以采用-8V的负偏压（当然负偏压的选择受到IGBT栅 射极之间反向最大耐压的限制），输人信号被接到15脚，EXB841正常工作驱动 IGBT.祐 9 J图13 EXB841驱动IGBT设计图主要参数:电源电压：20V 最大输出功率：47mA 最高工作频率：10kHz2.6锯齿波信号发生电路锯齿波信号发生器 SG的输出信号 Us与控制信号UC在PWM转换器SG3

13、524中进展比拟，PWM输出幅度恒定、宽度变化的方波脉冲序列，即PWM 波。SG电路可有UJT或者PUT构成。UJT锯齿波信号发生器根本电路如图14所示QrioR12VJT-m| J JolC+ 1 fsrfetllr lkor<r>图14锯齿波信号发生电路2.7转速及电流检测电路转速检测电路转速检测电路如图15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应电压 Un ,与给定电压U；相比拟后，得到转速偏差 电压Un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15所示，通过调节电位器即可改变转速反应系数。

14、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16所示图16闭环霍尔电流传感器的工作原理霍尔电流传感器的构造如图13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畐寸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2kV 12kV;3电流测量X围宽，可测量额定1mA50kA电流；4跟踪速度 di/dt>50A/ 卩s;5线性度优于0.1

15、% IN ;6响应时间 <1卩s;7频率响应0100kHz。3调节器的参数整定本设计为双闭环直流调速系统电路根本数据如下：1）PWM装置放大系数Ks 4.8;2）电枢回路总电阻R=8Q;3）电磁时间常数Tl 0.015s;4）机电时间常数Tm 0.2s;5）调节器输入电阻R040k ;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20%。计算反应关键参数:U nm 10nnom200U*mI nom3.1电流环的设计1确定时间常数PWM装置滞后时间常数：Ts 0.001s。电流滤波时间常数：人 0.01sT i Ts Toi 0.0

16、02s （Ts和h 般都比Ti小得多，可以当作小惯性群近似地看作 是一个惯性环节）。2选择电流调节器构造根据设计要求：i 5%，而且TiTi0.0150.0027.5 10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）KiiS 1iS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 Ti 0.015s;电流环开环时间增益：要求i 5%，故 应取KJ i 0.5，因此Ki0.5Ti0.50.002250s于是，ACR的比例系数为：KiiRKi Ks2500.015 81.3

17、5 4.84.634校验近似条件电流环截止频率ciK i 250s1晶闸管装置传递函数近似条件:13Ts333.33s3 0.001ci满足近似条件;2）忽略反电动势对电流环影响的条件:310.2 0.01554.77sci满足近似条件;3）小时间常数近似处理条件:Ci 3 TsToi即3 TsToi1 13 > 0.001 0.001333.33sci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R。40k ，各电阻和电容值计算如下RiKi R0 4.63 40k185.2k ,取 185kCi0.081，取 0.08 FCoi4ToiRo4 0.00140 103106 F0.1

18、 F ,取0.1 F3.2转速环的设计1确定时间常数2 0.0020.004s0.005sT n 2T i T°m 0.009s1电流环等效时间常数2T2转速滤波时间常数Ton3转速环小时间常数近似处理2选择转速调节器构造按跟随和抗扰性能都能较好的原那么，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U由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型U型系统一选用设计PI调节器,其传递函数为Wasr(s)Kn ns 1ns3选择调节器的参数根据跟随性和抗干扰性能都较好的原那么取 h 5,那么ASR超前时间常数hT n 5 0.

19、009s 0.045s转速开环增益:Kn2h2T2n62 25 0.00921418.48sASR的比例系数:(h 1) CeTm2h RTn6 1.35 0.12 0.22 5 0.05 8 0.0095.44近似校验转速截止频率为:66.67s 1K1cn N Kn n 1481.48 0.0451s1电流环传递函数简化条件:cn15T i现在 丄5T i5 0.002 1s 100S1满足简化条件。2小时间常数近似处理条件:cn132T iTon现在，32TiTon3、2174.540.002 0.005cn满足近似条件。5计算调节器电阻和电容RoCnCon调节器输入电阻 R040kKn

20、R5.4 40k216k，那么，取 220k°045 3 106 F 0.205 F，取 0.2 FRn220 104Ton4 005 106 F 0.5 F，取 0.5 FR040 1036检验转速超调量当h=5时，杳表得，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。(-C%) 2( z) DCbnTm当h=5时，Cmax%81.2% ；而 nmaxI dnom R3.7 8r24667 r minCbCe0.12 min因此n81.2

21、%2 2246.670.00918%20%2001 0 /o0.2过渡时间Ts Ti T2 , T1为恒流升速时间，T2为恢复时间。T1 启）fT"=0.081s当 h=5 时，T28.80 T n 0.0792sTs T1 T20.081 0.0792 0.162s，满足设计要求。4电路图总体设计LsJ CCCCJ-CCCCTTHE;i>二 o-Tlr7J.B一CIknmr 宀hLI叫 tcsfi t« IInTtOT门疔.'厂T一 t .* -£ 一11- il * 一 ii n 一 tt £ -fli i _匚首 6 -11!d1-R

22、3-善-二七5 心得及总结脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation)就是指保持开关周期 T不变，调 节开关导通时间 t 对脉冲的宽度进展调制的技术。 PWM 控制技术以其控制简单 , 灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术等领域最广泛应用的控制方式。 本 文利用SG3524集成PWM控制器设计了一个基于 PWM控制的直流调速系统， 本系统采用了电流转速双闭环控制， 并且设计了完善的保护措施， 既保障了系统 的可靠运行，又使系统具有较高的动、静态性能。在当今的社会生活中，电子科学技术的运用越来越深入到了各行各业之中， 并得到了长足的开展和进步， 自动化控制系统更是的到了广泛的应用， 其中一项 重要的应用就是自动调速系统。相较于交流电动机，直流电动机构造复杂、 价格昂贵、 制造困难且不容易维护， 但由于直流电动机具有良好的调速性能、 较 大的启动转矩和过载能力强，适宜在广泛的 X 围内平滑调速，所以直流调速系 统至今仍是自调速系统中的重要形式。 而伴随着电力电子技术的不断开展， 开关 速度更快、控制更容易的全控性功率器件 MOSFET和IGBT成为主流，PWM表 现出了越大的优越性：主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流 容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速