双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

1、 #FUJIAN AGRICULrURE AND FORESTRY UNIVERSITY交直流调速系统课程设计学院：机电工程学院学号： 3115102056专业（方向）年级：电气工程及其自动化 2011级学 生 姓名：曾台坤福建农林大学机电工程学院电气工程系2014年12月11日交直流调速课程设计任务书 4一、题目 4二、设计目的 4三、系统方案的确定 4四、设计任务 5五、课程设计报告的要求 5六、参考资料 5交直流调速课程设计说明书 6一、方案确定 62.1.1 方案选定 62.1.2 桥式可逆 PWM 变换器的工作原理 82.1.3 系统控制电路图 102.1.4 双闭环直流调速系统的静

2、特性分析 112.1.5 双闭环直流调速系统的稳态结构图 11二、硬件结构 132.2.1 主电路 142.2.2 泵升电压限制 16三、主电路参数计算和元件选择 162.3.1 整流二极管的选择 162.3.2 绝缘栅双极晶体管的选择 17四、调节器参数设计和选择 172.4.1 调节器工程设计方法的基本思路 172.4.2 电流环的设计 172.3.7 确定时间常数 182.4.3 选择电流调节器结构 202.4.4 选择电流调节器参数 202.4.5 计算 ACR 的电阻和电容 212.4.6 转速环的设计 222.4.7 反馈单元 24三心得体会 26交直流调速课程设计任务书一、题目双

3、闭环可逆直流脉宽 PWM调速系统设计二、设计目的1、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2、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。也可以制作硬件电路。3、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。三、系统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，其中系统方 案

4、的确定至关重要。为了发挥同学们的主观能动作用，且避免方案及结果雷同， 在选定系统方案时，规定外的其他参数由同学自己选定。1、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PW变换器；2、速度调节器和电流调节器采用 PI 调节器；3、机械负载为反抗性恒转矩负载，系统飞轮矩（含电机及传动机构） 4、主 电源：可以选择三相交流380V供电；5、他励直流电动机的参数：见习题集【 4-19】 （P96） =1000r/min ，电枢回 路总电阻R=2 ,电流过载倍数 =2四、设计任务a）总体方案的确定；b）主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；C）系统原

5、理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图;d）控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择；e）调节器、PW信号产生电路的设计；f ）检测及反馈电路的设计与计算；五、课程设计报告的要求1、不准相互抄袭或代做，一经查出，按不及格处理。2、报告字数：不少于 8000 字（含图、公式、计算式等）。3、形式要求：以福建农林大学本科生课程设计（工科）的规范化要求 撰写。要求文字通顺、字迹工整、公式书写规范、报告书上的图表允许徒手画， 但必须清晰、正确且要有图题。4、必须画出系统总图，总图不准徒手画，电路图应清洁、正确、规范。未 进行具体设计的功能块允许用框图表示，且功能块之间的连线允许用标号标注。六

6、、参考资料1、电气传动控制系统设计指导李荣生机械工业出版社 2004.62、新型电力电子变换技术陈国呈中国电力出版社3、电力拖动自动控制系统陈伯时机械工业出版社4、电力电子技术王兆安 黄俊机械工业出版社 2000.1交直流调速课程设计说明书、方案确定2.1.1方案选定直流双闭环调速系统的结构图如图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 出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。总体方

7、案简化图如图1所示。Id图1双闭环调速系统的结构简化图用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能， 保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启 动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速 负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节， 又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。图2直流PWM传动系统结构图直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管变流装置，作为系统的功 率驱动

8、器，系统构成原理如图2所示。其中属于脉宽调制调速系统主要由调制波 发生器GM脉宽调制器UPM逻辑延时环节DLD和电力晶体管基极的驱动器 GD 和脉宽调制（PWM变换器组成，最关键的部件为脉宽调制器。如图3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。Ca）带电流截止负辰馈的甲闭坏调速系统起动过程（H）网想快速起动过碎图3调速系统启动过程的电流和转速波形2.1.2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

9、节电机转 速。桥式可逆PWM变换器电路如图4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4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 5所示UgittatonUg3TItrUg4OUg2O图5 PWM变换器的驱动电压波形他们的关系是：Ugl Ug4 Ug2 Ug3。在一个开关周期内，当O t t°n时, 晶体管VTi、VT4饱和导通而VT、VT2截止，这时UAB US。当ton t T时，VT1、 VT截止，但VT3、VT2不能立即导通，电枢电流id经VD2、VD3续流，这时 UAB US。UAB在一个周期内正负相间，这

10、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2窄时，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。2双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为Ud如USTTton2ton 1 US 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 1调速时，的可调范围为01相应的1 1。当1-时，为正，电211动机正转；当-时，为负，电动机反转；当-时，0 ,电动机停止。22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

11、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

12、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。2.1.3系统控制电路图控制电路如下所示。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通用型PWM变频器原理图框图2.1.4双闭环直流调速系统的静特性分析由于采用了脉宽调制, 电压平衡方程如下电流波形都是连续的,因而机械特性关系式比较简单,US Rid L

13、ddE(Otton).US RidLdr E(ton t T)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Ldd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 RIdCen则机械特性方程式n US RIdRInoCeCeCe2.1.5双闭环直流调速系统的稳态结构图首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图 4所示，分析双闭环调速系统 静特性的关键是掌握Pl调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和一一输出 达到限幅值；不饱和一一输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输

14、出为恒值，输 入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。图6双闭环直流调速系统的稳态结构框图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静 特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的 缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案 二作为设计的最终方案。如图5为双闭环直流调速系统原理.图7双闭环直流调速系统原理图中的M由软如图路、显示6OO比WC升限制

15、,P牛r、硬件结构给定r>.H tfr.沆柿K¾iF(电曲tfciM可统的特=UPE转速L调速系统双闭环直流调点：双闭环系统结构，决现脉冲触发、 调节，系统由主电路、检测电路、控制电路、 为双闭环直流PWM调速系统硬件结构图PWM功率变换 件实现转速、电流 电i路组成S+沖护瑶4匚A图8 双闭环直流PWM调速系统硬件结构图2.21主电路主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器Ul和中间直流电路三部分组成， 一般都是电压源型的，采用大电容 C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。可逆PWME换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称 H形）电路，如 图7为桥式可逆PWM换器。这时电动机

16、M两端电压Uab的极性随开关器件驱动 电压极性的变化而变化，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，本 设计用的是双极性控制的可逆 PWME换器。双极性控制的桥式可逆PWME换器有 电流一定连续、可使电动机在四象限运行、电动机停止时有微振电流可消除静摩 擦死区、低速平稳性好等优点。VTI图9桥式可逆PWM换器VD3I4 VT4VD4FOO图10为双极式控制时的输出电压和电流波形。id1相当于一般负载的情况, 脉动电流的方向始终为正；id2相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动， 但平均值仍为正，等于负载电流。图10 双极式控制时的输出电压和电流波形双极性控制可控PWr变换器的输出平均电

17、压为UdTUSLjOnUS(2ton(T1)Us转速反馈电路如图11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Ton 0.012s。根据和电流环一样的 道理，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11转速反馈电路222泵升电压限制当脉宽调速系统的电动机减速或停车时，储存在电机和负载传动部分的动能 将变成电能，并通过PWM变压器回馈给直流电源。一般直流电源由不可控的整 流器供电，不可能回馈电能，只好对滤波电容器充电而使电源电压升高， 称作“泵 升电压”。如果要让电容器全部吸收回馈能量，将需要很大的电容量，或者迫使 泵升电压很高而损坏

18、元器件。在不希望使用大量电容器（在容量为几千瓦的调速 系统中，电容至少要几千微法）从而大大增加调速装置的体积和重量时，可以采 用由分流电阻R和开关管VT组成的泵升电压限制电路，用R来消耗掉部分动 能。R的分流电路靠开个器件 VT在泵升电压达到允许数值时接通。三、主电路参数计算和元件选择主电路参数计算包括整流二极管计算，滤波电容计算、功率开关管IGBT的 选择及各种保护装置的计算和选择等。2.3.1整流二极管的选择根据二极管的最大整流平均If和最高反向工作电压 UR分别应满足:If 1.1 IO（AV） 2 1.1 6/2 3.3（A）UR 1.12 U21.12 110171 （ V）选用大功

19、率硅整流二极管，型号和参数如下所示：型号额定正向平 均电流If（A）额定反向峰值电压URM（V）正向平均压降 UF （ V）反向平均漏电流IR（mA）散热器型号ZP10A1020020000.50.76SZ14在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容 C值,使RC（35）T/2 ,且有UdmaX 0.9 110 0.9594（ V）2 C 1.5 0.02 ,即 C 150OouF故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为 400V,标称容量 为 22000UFO2.3.2绝缘栅双极晶体管的选择最大工作电流 max 2UsR=4400.45=978(A)集电极发射极反向击

20、穿电压(BVCEO)(BVCEO) (23)Us=440660v四、调节器参数设计和选择2.4.1调节器工程设计方法的基本思路先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。再选 择调节器的参数，以满足动态性能指标。设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。 在这里是：先从电流环人手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是 转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。2.4.2电流环的设计H型单极式PWM变换器供电的直流调速系统，采用宽调速直流电动机。额定力矩为4.9N m,电枢电阻Ra=1.64 ,电枢回路总电感L=10.2mH,额定 电流定电压

21、=110V。调速系统的最小负载电流Io=1A ,电源电压Us=122V ,电力晶体管集电极电 阻Rc=2.5 ,设K1=K2=2° I=1000rmin ,电枢回路总电阻 R=2 ,电流过载倍 数 =2o如图12为电流环结构图g)图12电流环结构图237确定时间常数Tl3L 亞竺 0.005SU N RaI N110 1.64 6n1000GD2R1.5 2375CeCm375 0.12 300.1V ?min/ r0.08SCe(1) 脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数TPWM与传递函数的计算电动机的启动电流为启动电流与额定电流比为S TN I 10.167晶体管放大区的时间常

22、数为TCe26 S 0.159 S2 3.14 106电流上升时间tr的计算公式为tr TCelnk 0.95式中k1 晶体管导通时的过饱和驱动系数，取 k1=2则trTcelnkk 0.950.159ln22 0.950.103 S电流下降时间tf的计算公式为tfTce In1 k20.05 k2式中k2晶体管截止时的负向过驱动系数，取k2 =2tfTceln1 k20.05 k20.159 In 1 2 S 0.061 S0.05 2Ti10.2ms25.1ms 0.0051s最佳开关频率为fop0.3323T2(tr tf)0.332310.1670.00512(0.103 0.061)

23、 10 6 HZ4434.8Hz开关频率f选为4.4kHz,此开关频率已能满足电流连续的要求于是开关周期TPWM0.23ms脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为KPWMUd 11011Ui 10于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传递函数为WPWM (S)KPWMTPWMS 1110.00023 1(2) 电流滤波时间常数 TOi取1.5ms1.73ms(3) 电流环小时间常数 T i TPWM Toi 0.23ms 0.5ms2.4.3选择电流调节器结构10根据设计要求， 5% ,而且Tl/T i 5.1/1.73 2.95因此可以按典型I型系统设计电流调节器选用PI型，其传递函数为*is 1

24、WACR(S)Kiis2.4.4选择电流调节器参数i Ti 0.0051s要求i%5%时，应取KIT i 0.5 ,因此KI0.5S 1289.02s 10.00173Uim10IN 2 60.833V Z A于是KiKIiRKPWM289.02 0.0051 20.320.833 112.检验近似条件Ci KI289.02sCi(1)要求3T PWM现 3Tpwm0.00023s11449.3s1CiCi要求1TmTI3 0.1033l ,现1S0.0051130.89s 1CiCi(3)要求1 13 TPWMTOi现 3 I TPWMTOi3 ' 0.00023 0.0005982

25、.95s 1Ci可见均满足要求。2.4.5计算ACR的电阻和电容取 RO=40k,则RiKR 00.23409.2k,取R9ki0.00516Ci10F0.057 FRi90004Toi4 0.0005Coi10F 0.05FR040103按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为 要求。4.3%5%，故满足设计246转速环的设计2.4.6.1 确定时间常数(1) 电流环等效时间常数为2T i 2 0.00320.00064s(2) 取转速滤波时间常数TOn 0.005s(3) Tn 2Ti Ton 0.00064s 0.005s 0.00564s2.4.6.2 ASR结构设计根据稳态无静差及其

26、他动态指标要求，按典型II型系统设计转速环,ASR选用Pl调节器，其传递函数为WASR(S)112.4.6.3 选择 ASR参数取h=5,则KN2.4.6.4(1)hT n 5h 12h2TKn0.00564s 0.0282s22 25 0.005642 S(h2h RT n1) CeTm6 0.833校验近似条件CnKNCn要求Cn要求2191.8s 20.09016 0.1032 5 0.01 2 0.0056431.36n 2191.810.028261.81s兀，现53 2T iTon5 0.00032625sCn OI 2 OOO32 0.005s559sCn可见均能满足要求。2.4

27、65 计算ASR电阻和电容取RO 40k ,则RnKnR031.36 40k1254.4k ,取 1440kCn0.0282Rn 1440 10106F 0.019 F取 0.1 FCOn4Ton4 0.005RD40103106F 0.5 F2.4.6.6 检验转速超调量n%Cmax、(Cb2(znNTnTm当h=5时,Cmax % Cb %81.2%,而nN血Ce6 2 r0.09016 min1331rmin因此n% 81.2% 2 10.167133.11000沁 14.8% 20%0.103可见转速超调量满足要求。2.4.6.7校验过渡过程时间空载起动到额定转速的过渡过程时间CeTm nNIS 1 T 2"R I N009016 01°3 10000.39s 0.5s可见能满足设计要求247反馈单元2.4.7.1 转速检测装置选择选测速发电机永磁式ZYS231/110型，额定数据为P=23.1W U=IIOVl=0.21A，n=1900rmin。测速反馈电位器RP2的选择考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约