直流双闭环pwm反馈电路

1、1已知参数。某转速电流双闭环直流调速系统采用桥式可逆PWM电路供电，已知基本数据如下：电动机参数：U nom=220V, lnom=136A,%m =1460r/mi n, Ra=0.2允许过载倍数 =1.5;（2）电枢回路总电阻：R=0.5；（3）电枢回路总电感：L=15mH ；（4） 电动机轴上的总飞轮力矩：GD2=22.5N.m2 ；2设计指标：电流超调量i 5%,转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量n 10%表2典型I型系统动态抗绕性能指标与参数的关系T T mT2 T215110120130Cmax 100%Cb27.8%16.6%9.3%6.5%TonT2.83.43.84

2、.0TvT14.721.728.730.4表3典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间ti6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T表4典型U型系统动态抗扰性能指标与参数关系h345678910Cmax /Cb72.2%

3、:77.5% :81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40ty/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85解：假设PWM开关频率为8kHZTs=0.000125s(2)电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms,为了基本滤平波头，应有(12)Toi =3.33ms，因此取人=2ms=0.002s。(3) 电流环最小时间常数之和Ti。按最小时间常数近似处理，取Ti =Ts+Toi =0.002125$。2LGD R(4) T =0.01/0.5=0

4、.025。Tm =R375CeCm301Cm = Ce，n= (UnomnCe1 nomRa)Ce =0.132V min/r，Tm =0.18s(5)电源电压的抗绕性能：Tl-0旦 9.52各项指标可以接受的。Ti 0.0021电流调节器超前时间常数：i = Ti =0.02s取晶闸管装置放大系数Ks=60Uimdm电流反馈系数B =0.05。由表3知道。应取=0.5,因此1=异益238占，于是，ACR的比例系数为Ki =Ki 启=238.1 0.02 0.550 0.060.794(5)检验近视条件：电流环截止频率:ci =238.1 s检验晶闸管整流装置传递函数的近似条件1 1 =s3T

5、s 3 0.00012512666.7s >ci满足近似条件检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件检验电流环小时3 tSti =3, 0.000125 0.002s666.7s 1> ci满足近似条件(6)计算调节器电阻电容原理图如上图示，按所用运算放大器取 R0=50，各电阻电容值计算如下:间常数近视处0.0240 103R = i Ro =0.794 50=39.7 取 40F=0.5 10 6F=0.5 F 取 0.5 FCoi =4T°l = 4 0.002 F=0.16 10 6F=0.16 F 取 0.16 F R050 103（7）电流调节器仿真 仿真模

6、型：rarafera as1OC曲卅1仿真结果:Time offset G二：转速调节器设计(1)确定时间常数nmnmax转速反馈系数a =0.007V min/r1电流环等效时间常数=2Ti=2 0.0021s=0.0042s( iT i =0.5)根据所用测速发电机纹波情况，取 Ton=0.01s按小时间常数近似处理，转速环小时间常数 T n = +Ton=0.0042s+0.01s=0.0142s根据设计要求，得知选用PI调节器(WARs(s)=Kn( ns 1可满足相应要求nS(2)计算相应参数i按跟随性和抗扰性都较好的原则，取h=5 ,的超前时间常数为Tn=hTn=5 0.0142s

7、=0.071sii求转速换开环增益:Knh 12h2T n22 22 52 0.01422595.12Kn =(h2h RTn1) CeTm6O.05 O."2°.1833.92 5 0.007 0.5 0.0142(3)检验近似条件因为42.25s 1K= ci，贝u cn = = KN n =595.12 0.071s11i电流环传递函数简化条件 1 Ki = 238.1 s1 112.24s 1> cn满足简化条 iTil 3 0.0021件ii转速环小时间常数近似处理条件1 JKL =1| 238.1 $ 1 51.43s 1 > cn 满足近似条件3

8、' T ii 3 i 0.01(4) 计算调节器电阻和电容R. = KnR0=33.9 40 K =1356 K取 1300KCn =nRn0.07131300 100.546 10 9F=0.546pF 取 0.55 FCon4TonR04 0.01 F 3厂 40 106 10 F=1 F 取 1 F由表4列出的 Cmax/Cb数据经基准值换算后求得，即_ / max、厶皿 c/ max、 于 Hn TSn1 ，- 口讦务=(一)r- 2()(入-Z*-h，h=5时，C bnC bnTm查表得 Cmax/Cb=81.2%，带入上式得0n=2X 81.2%x 1.5X (136X 0

9、.5/0.132/1460)X (0.0142/0.18)"6.8%<10%,能满足设计要求。(5) 仿真仿真结果2000.102030.40.50.90.80.616Q0140012001000bUUTine offset' 0整体硬件设计如下图分析如下；首先通过一个桥式整流电流将 220V交流变为15V直流，然后通过一个滑动变阻 器调出10V电压作为一个阶跃输入。通过转速环，电流环，然后为PWM桥式电 流供电，pwm的开关控制可以采用555发生器，这里我用了单片机，显得高端 一点，也精确点。接在 P1.1上，用了个反相器，我估计驱动不够，大功率驱动 芯片也许需要，也

10、许还要加个隔离。电流反馈直接从电机接回去有个电阻， 就是 来确定反馈系数。转速反馈并没加转速测量装置，霍尔器件的。那还得模数转换 两次，我觉得又延迟又影响精确度。所以接了个同轴电机，作为发电机，再接个 电感，反馈回去。大体就是如此。最后附 pwm产生程序一份。下面是一些元件 说明。桥式可逆PWM变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的极性随开 关器件驱动电压的极性变化而变化图2桥式可逆PWM变换器电路双极式控制可逆

11、PWM变换器的四个驱动电压波形如图 3所示U gi Ug4tonUg2 Ug3O图3 PWM变换器的驱动电压波形他们的关系是：Ug! Ug4 Ug2Ug3。在一个开关周期，当0 t t°n时，晶体管VTi、VT4饱和导通而VT3、VT2截止，这时Uab Us。当ton 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UabUs o Uab在一个周期正负相间，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，ton T，则Uab的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄

12、时,2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。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为Udton u T UsTton2ton 1 U TT如果定义占空比如，电压系数UdTUs则在双极式可逆变换器中2 11调速时， 的可调围为01相应的1 1。当 -时， 为正，电动机正211转；当-时，为负，电动机反转；当-时，0，电动机停止。但电22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

13、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。控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积分器） 、正弦 参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性鉴别器）、PWM波发生器（三相正弦波发生器、锁相环、三相波载波发生器、比 较器）及与主电路相隔离的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路。心得体会；通过一个月对其中试题的设计，虽然实际是用一

14、周来做的，但真的学到了很 多东西，把书本知识用于解决实际问题中， 这正是我们当代大学生所缺少的。 我 觉得这次设计很有意义。首先学会了使用matlab，matlab作为一个强大的软件，我却机会没使用过， 这次我一步一步了解，作图，然后分析，仿真，整个流程下来就觉得自己在做一 个工程，那种感觉油然而生。也感觉到了自己很多方面的不足， 实际和理论总是 有差距的，书本的东西用实际中很多时候用不了， 实际中总是存在些干扰，如果 是做实物，很多时候感觉是很多问题的，需要我们去排查。所以你要考虑足够多， 才能使问题减到最少。同时也要了解的多，才能想到更多可能性。这次考试感受颇深，以后多多加强这方面能力。PWM单片机程序；#i nclude"reg52.h"sbit PWM=P1A1;/定义输出脚 un sig ned char i=0;void mai n()TMOD=0x01;/定时器0工作方式1TH0=(65536-4000)/256;/12M 晶振 4