直流脉宽调速系统设计与研究调节器设计

1、摘 要自动控制系统课程设计是自动化专业的重要课程设计之一；是在学生完成自动控制系统理论学习后，对相关的各种类型系统所进行的课程设计；是自动控制系统课程教学中的一个重要环节。 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。 微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的闭环可逆直流 PWM 调速系统进行了

2、较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了闭环直流 PWM 调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、闭环调速系统的控制。 课设分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了 IGBT 模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，通过实时试与调节电动机的转速，此调速系统可获得快速、精确的调

3、速效果。通过课程设计，学生将进一步掌握电力拖动自动控制系统理论和电力拖动自动控制系统设计过程，对稳态参数计算以及电力拖动控制系统的工程设计方法进行实践运用，并且加深对电力拖动自动控制系统结构的了解。关键词： 直流可逆调速；数字触发；PWM；数字控制器 引 言 矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备，是“四大运转设备”之一。矿井提升系统环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交转换。近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性

4、能的高精度、高稳定性、高可靠性 ，高智能化特点。同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。单闭环直速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。而且，直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工业等工业部门中得到广泛应用。直流时机转速的控制方法可以分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简

5、单等特点，一直在传动领域占有统治地位。本文对双闭环可逆直流PWM调速系统进了较深入的研究，从直流调整系统原理出发，逐步建立了闭环直流PWM调整系统的模型。1 课程设计目的及任务掌握双闭环可逆直流脉宽调速系统的组成、原理及各主要单元部件的工作原理；熟悉直流PWM专用集成电路SG3525、SG3524等的组成、功能与工作原理；掌握H型PWM变换器的双极式控制方式的原理与特点；掌握双闭环可逆直流脉宽调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。对先修课程（电力电子学、自动控制原理等）的进一步理解与运用，运用电力拖动控制系统的理论知识设计出可行的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。也可以制作硬件

6、电路，同时能够加强同学们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。达到综合提高学生工程设计与动手能力的目的。本次课程设计任务，首先总体方案的确定，主电路原理，元件选择、参数计算，掌握系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图，进一步学会控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择，调节器的设计以及参数计算等，通过实验指导书进行课程设计和实验。2 设计方案的确定自动控制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能（动、静）电机参数主电路控制方案”（系统方案的确定）“系统设计仿真研究参数整定直到理论实现要求硬件设计制版、焊接、调试”等过程，其中系统

7、方案的确定至关重要。为了发挥同学们的主管能动作用，且避免方案及结果雷同，在选定系统方案时，规定外的其他参数有同学自己选定。2.1 主电路设计主电路采用二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器。2.2 调节器设计速度调节器和电流调节器采用PI调节器。2.3 机械负载参数机械负载为反抗性恒转矩负载，调速范围D=4；直流发电机： ；转动惯量2.4 主电源参数可以选择单相交流220V供电；变压器二次电压为67V。2.5 他励直流电动机的参数 ，过载倍数。3 设计所需设备及仪器3.1 所需设备（1） MCL32电源控制屏（2）MCL31组件（3）MC

8、L10组件（4）MEL11挂箱（5）MEL03三相可调电阻（6）电机导轨及测速发电机（7）直流电动机M03，直流发电机M013.2 所需仪器仪表（1） 示波器（2） 万用表4 课程设计原理及内容4.1 双闭环调速系统的结构图直流双闭环调速系统的结构图4.1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。 图4.1 双闭环调速系统的结构图4.2 H桥双极式逆变器

9、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。H形双极式逆变器电路如图1-2所示。这时电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。 图4.2 H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下图所示 图4.3 H形双极式逆变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、饱和导通而、截止，这时。当时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、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，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

10、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 （4.1）如果定义占空比，电压系数则在双极式可逆变换器中 （4.2）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。4.3 课程设计实验内容4.3

11、.1 PWM控制器SG3525性能测试 分别连接“3”和“5”，“4”和“6”，“7”和“27”，“31”和“22”，“32”和“23”，然后打开面板右下角的电源开关。（1） 用示波器观察“25”端的电压波形，记录波形的周期，幅度（包括S1开关拨向“通”和“断”两种情况）（2） S5开关打向0V，用示波器观察“30”端电压波形，调节RP2电位器，使方波的占空比为50%。S5开关打向“给定”分别调节RP3,RP4，记录“30”端输出波形的最大占空比和最小占空比（分别记录S2打向“通”和“断”两种情况）4.3.2 控制电路的测试（1） 逻辑延时时间的测试S5开关打向“OV”，用示波器观察“33”和

12、“34”端的输出波形，并记录延时时间Td=(2) 同一桥臂上下管子驱动信号死区时间测试分别连接“7”和“8”，“10”和“11”，“12”和“13”，“14”和15，16和“17”，“18”和“19”，用双踪示波器分别测量Vvt1.gs和Vvt2.gs以及Vvt3.gs和Vvt4.gs的死区时间Td.vt1.vt2=Td.vt3.vt4=4.3.3 开环系统测试(1) 速度反馈系数的测试断开主电源，并逆时针调节调压器旋钮到底，断开“9”,“10”所接的电阻，接入直流电动机M03，电机加上励磁。S4扳向上，合上主电源。调节RP3电位器使电机转速逐渐升高，并达到1400r/min,调节FBS的反馈

13、电位器RP，使速度反馈电压为2V。（2） 开环系统机械特性测定使电机转速达1400r/min，改变直流发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载范围内测取7-8个点，记录相应的转速n和直流发电机电流Id。表4.1 N=1400r/minn r/min1400130812901270125012401225Id A0.140.370.420.50.60.650.75调节RP3，使n=1000r/min和n=500r/min,做同样的记录，可得到电机在中速和低速时的机械特性。表4.2 N=1000r/minn r/min1000932915900875856836Id A0.120.280.350.40

14、.50.60.7表4.3 N=500r/minn r/min500460430425400395375Id A0.10.20.250.30.350.40.5断开主电源，S4开关拨向“负给定”,然后按照以上方法，测出系统的反向机械特性。表4.4 N=-1500r/minn r/min-1500-1390-1380-1369-1355-1340-1335-1300Id A-0.1-0.35-0.4-0.44-0.5-0.55-0.6-0.75表4.5 N=-1000r/minn r/min-1000-923-900-890-875-865-848Id A-0.1-0.28-0.35-0.4-0.4

15、5-0.5-0.6表4.6 N=-500r/minn r/min-500-455-428-414-400-387-375-348Id A-0.08-0.16-0.25-0.3-0.35-0.4-0.45-0.64.3.4 闭环系统测试 将ASR,ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。（1） 速度调节器的测试(a) 反馈电位器RP3逆时针旋转到底，使放大倍数最小；(b) “5”，“6”端接入MEL-11电容器，预置5-7.5uF；(c) 调节RP1,RP2使输出限幅为正负2V.（2） 电流调节器的测试（a) 反馈电位器RP3逆时针旋转到底，使放大倍数最小；（b) “5”“6”端接

16、入MEL-11电容器，预置5-7.5uF；（c) S5开关打向给定，S4开关板向上，调节MCL-10的RP3电位器，使ACR正饱和，调节ACR的正限幅电位器RP1，用示波器观察“30”的脉冲，不可移出范围。S5开关打向给定，S4开关打向下至负给定，调节MCL-10的RP4电位器，使ACR输出负饱和，调整ACR的负限幅电位器RP2，用示波器观察“30”的脉冲，不可移出范围。4.3.5 系统静特性测试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 （4.3） （4.4）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，

17、平均电流用表示，平均转速，而电枢电感压降的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成 （4.5）则机械特性方程式 （4.6）（1） 机械特性n=f(id)测定S5开关打向给定，S4开关扳向上，调节MCL-10的RP3电位器，使电机空载转速至1400r/min，再调节发电机负载电阻Rd,在空载至额定负载范围内分别记录7-8点，可测出系统正转时的静特性曲线表4.7 N=1400r/minn r/min151915201525152215221522Id A0.130.40.50.550.60.7S5开关打向给定，S4开关打向下至负给定，调节MCL-10的RP4电位器，使电机空载转速至1400r

18、/min，再调节发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载范围内分别记录7-8点，可测出系统反转的静特性表4.8 n=-1500r/minn r/min-1510-1510-1499-1502-1503-1504-1503Id A-0.4-0.45-0.5-0.55-0.65-0.7-0.75（2）闭环控制特性n=f(UG）的测定S5开关打向给定，S4开关扳向上，调节MCL-10的RP3电位器，记录Ug和n,可得出闭环控制特性n=f(UG)表4.9n r/min510709237900103511881319Ug V1.121.510.581.882.132.422.674.3.6 系统动态波形的观

19、察用示波器观察动态波形并记录动态波形，在不同调节器参数下观察，记录下列波形：（1） 突加给定启动时，电动机电枢电流波形和转速波形（2） 突加额定负载时，电动机电枢电流波形和转速波形（3） 突降负载时，电动机电枢电流波形和转速波形 图4.44.3.7 系统参数测定（1） 主电路电阻R及电机的电枢电阻Ra，平波电抗器的直流电阻Rl和整流装置的内阻Rn。首先测出主电路电阻R，然后将Ra短路，测出Rl和Rn总和，用R-（Rl+Rn）即可得出电阻Ra的值，接着将电阻Rl短路，测出Rn和Ra之和，用R-（Rn+Ra)即可得出Rl的值，最后用R-Rl-Ra即可得出Rn的值。表4.10 测定总电阻RI A0.

20、90.45U v6483可得R=U/I=（83-64）/（0.9-0.45）=42.23将电枢电阻Ra短路， 表4.11 测得其他电阻I A0.90.45U v7483可得Ra=R-U/I=42.23-(83-74)/(0.9-0.45)=22.23将直流电阻Rl短路， 表4.12 测得其他电阻I A0.90.45U v6073可得Rl=R-U/I=42.23-(73-60)/(0.9-0.45)=13.33最后得出整流装置的内阻Rn=42.23-22.23-13.33=6.67（2） 电动机电势常熟Ce和转矩常数Cm的测定将电动机加额定励磁，使之空载运行，改变电枢电压Ud，测得相应的n,即可

21、由下式算出CeCe=Ke&=（Ud2-Ud1)/(n2-n1)Ce的单位为V/（r/min)表4.13n r/min14001300Ud v195182可得出Ce=（195-182）/（1400-1300）=0.13V/(r/min)转矩常数Cm的单位为N.m/A,可又Ce求出Cm=9.55Ce（3） 整流装置特性Ud=f(Uct)(4) 测速发电机特性Utg=f(n)(5) 主电路电磁时常数Tc5 电路设计H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图2-1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。由于直流电源靠二极管整流器供电，

22、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。图5.1 H桥式直流脉宽调速系统主电路四单元IGBT模块型号：20MT120UF 主要参数如下：=1200V =16A =100 5.1 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。5.1.1 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，

23、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。 图5.2 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器5.1.2 转速调节器转速反馈电路如图5.3所示，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。根据和电流环一样的原理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。 图5.3 含给定滤波与反馈滤波的PI型电转速调节器5.2 IGBT基极驱动电路原理图5.4 EXB841内部结构图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

24、 ：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 ：驱动信号输入（-，）。6 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)PWM装置放大系数；2)电枢回路总电阻R=42.233)电磁时间常数；4)机电时间常数；5)调节器输入电阻；6)触发整流环节的允许过载倍数=1.5； 设计指标：1)静态指标：无静差；2)动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量。计算反馈关键参数： （6.1） （6.2）6.1

25、 电流环的设计1）确定时间常数PWM装置滞后时间常数：。电流滤波时间常数:。(和一般都比小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)。2）选择电流调节器结构根据设计要求：，而且 （6.3）可按典型型设计电流调节器。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 （6.4）式中 电流调节器的比例系数；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；电流环开环时间增益:要求，故应取，因此 （6.5）于是，ACR的比例系数为: （6.6）4）校验近似条件电流环截止频率: （6.7）（1）晶闸管装置传递函数近似条件： （6.8）即 （6.9）满足近

26、似条件；（2）忽略反电动势对电流环影响的条件： （6.10）即 （6.11）满足近似条件；（3）小时间常数近似处理条件： （6.12）即 （6.13）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，各电阻和电容值计算如下 取 （6.14），取 （6.15），取 （6.16）6.2 转速环的设计1）确定时间常数（1）电流环等效时间常数 （2）转速滤波时间常数 （3）转速环小时间常数近似处理 2）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,因此需要由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，

27、故按典型型系统选用设计PI调节器，其传递函数为 （6.17）3）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，则ASR超前时间常数为 （6.18）转速开环增益： （6.19）ASR的比例系数： （6.20）4）近似校验转速截止频率为： （6.21）（1）电流环传递函数简化条件： （6.22）现在 （6.23） 满足简化条件。（2）小时间常数近似处理条件： （6.24）现在 （6.25）满足近似条件。5）计算调节器电阻和电容调节器输入电阻 ，则，取200 （6.26），取0.2 （6.27），取0.5 （6.28）6）检验转速超调量当h=5时，查表得，=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。 （6.29）当h=5时， （6.30）而 （6.31）因此 （6.32）满足设计要求。7 总结 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关自动控制系统方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因