双闭环可逆直流脉宽调速系统课程设计

1、双闭环可逆直流成系统课宿贵十Companynumber：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998目录1. 任务分析选择PWM限制系统的理由采用转速电流双闭环的理由直流PWM传动系统结构图双闭环调速系统的结构图调速系统起动过程的电流和转速波形H桥双极式逆变器的工作原理PWM调速系统的静特性2. ji.给定基准电源双闭环调节器电路设计3. 2.1电流调节器4. 2.2转速调节器限制电路的设计驱动电路设计转速及电流检测电路5. 5.1转速检测电路2.5.2电流检测电路6. 节器的参数整系统固有局部的主要参数计算预先选定的参数电流环的设计速度环的设计4 .转速及电流检测环节5 .电路

2、图总体设计6 .心得及总结参考文献一、题目：双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计二、设计目的1、对先修课程电力拖动自动限制系统、电力电子学、自动限制原理等的进一步理解与运用2、运用?电力拖动自动限制系统?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、同时能够增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练习.到达综合提升学生工程设计与动手水平的目的.三、系统方案确实定自动限制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能动、静一电机参数一主电路一限制方案系统方案确实定一“系统设计一仿真研究一参数整定一直到

3、理论实现要求一硬件设计一制版、焊接、调试等过程,其中系统方案确实定至关重要.为了发挥同学们的主观能动作用,且预防方案及结果雷同,在选定系统方案时,规定外的其他参数有同学自己选定.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型双极式限制可逆PWM变换器；2、速度调节器和电流调节器采用PI调节器；U*nm=U*inrUcm=10V3、机械负载为对抗性恒转矩负载,系统飞轮矩含电机及传动机构GD：=；4、主电源：可以选择单相交流380V供电；变压器二次相电压为52V；5、他励直流电动机的参数：见习题集4-19P96=1000r/min,电枢回路总电阻R=2Q,电流过

4、载倍数入二2；6、PWM装置的放大系数Ks=11；PWM装置的延迟时间Ts二.四、设计任务a总体方案确实定；b主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；c系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图；d限制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择；e调节器、PWM信号产生电路的设计；f检测及反响电路的设计与计算；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：必须根据?福建农林大学本科生课程设计?工科的标准化要求.4、必须画出系统总图,总图不准徒手画,电路图应清洁、正确、标准.未进行具体设计的功能块

5、允许用框图表示,且功能块之间的连线允许用标号标注.六、参考资料1、电气传动限制系统设计指导李荣生主编机械工业出版社2、新型电力电子变换技术陈国呈中国电力出版社3、电力拖动自动限制系统,上海工业大学陈伯时机械工业出版社4、电力电子技术王兆安黄俊主编机械工业出版社双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计1.任务分析选择PWM限制系统的理由脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司SiliconGeneral的第二代产品SG3525,这是一种性能优良,功能全、通用性强的单片集成PWM限制器.由于它简单、可靠及使用方便灵活,大大简化了脉宽调制器的设计及调试,故获得广泛使用.PWM系统在很多方面具有较大的优越性1）

6、 PWM调速系统主电路线路简单,需用的功率器件少.2开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗及发热都较小.3低速性能好,稳速精度高,调速范围广,可到达1：10000左右.4如果可以与快速响应的电动机配合,那么系统频带宽,动态响应快,动态抗扰水平强.功率开关器件工作在开关状态,导通损耗小,当开关频率适当时,开关损耗也不大,因而装置效率较高.6直流电源采用不可控整流时,电网功率因数比相控整流器高.变频调速很快为广阔电动机用户所接受,成为了一种最受欢送的调速方法,在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式.由此可见,变频调速是非常值得自动化工作者去研究的.在变频调速方式中,PW

7、M调速方式尤为大家所重视,这是我们选取它作为研究对象的重要原因.采用转速电流双闭环的理由同开环限制系统相比,闭环限制具有一系列优点.在反响限制系统中,不管出于什么原因外部扰动或系统内部变化,只要被限制量偏离规定值,就会产生相应的限制作用去消除偏差.因此,它具有抑制干扰的水平,对元件特性变化不敏感,并能改善系统的响应特性.由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统.单闭环速度反响调速系统,采用PI限制器时,可以保证系统稳态速度误差为零.但是如果对系统的动态性能要求较高,如果要求快速起制动,突加负载动态速降小等,单闭环系统就难以满足要求.这主要是由于在单闭环系统中不能完全根据要求来限制动态过程的电流或

8、转矩.另外,单闭环调速系统的动态抗干扰性较差,当电网电压波动时,必须待转速发生变化后,调节作用才能产生,因此动态误差较大.在要求较高的调速系统中,一般有两个根本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰.通过分析发现,如果要求快速起动,必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩,即最大的恒定允许电枢电流,当电枢电流保持最大允许值时,电动机以恒加速度升速至给定转速,然后电枢电流立即降至负载电流值.如果要求快速克服电网的干扰,必须对电枢电流进行调节.以上两点都涉及电枢电流的限制,所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量,组成转速、电流双闭环调速系统.1.3直流PWM传动系

9、统结构图图1-1系统构成原理直流PWM传动系统结构图直流PWM限制系统是直流脉宽调制式调速限制系统的简称,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器,系统构成原理如图1-1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UPM.双闭环调速系统的结构图直流双闭环调速系统的结构图如图1-2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限制PWM装置.其中脉宽调制变换器的作用是

10、：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,到达设计要求.图1-2双闭环调速系统的结构图调速系统起动过程的电流和转速波形如图卜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.(a)带电流截止负反响的单闭环调速系统起动过程(b)理想快速起动过程图1-3调速系统起动过程的电流和转速波形H桥双极式逆变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

11、机转速.H形双极式逆变器电路如图1-4所示.这时电动机M两端电压U的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化.图1-4H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1-5所示.图1-5H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,晶体管也、V7；饱和导通而V7；、?截止,这时当tontT,17、V7；截止,但V7；、呸不能立即导通.电枢电流.经VQ、V.续流,这时U,w=-4.U.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,那么Um的平均值为正,电动机正转,当正脉冲较

12、窄时,那么反转；如果正负脉冲相等,0=1,平均输出电压为零,那么电动机停止.双极式限制可逆PWM变换器的输出平均电压为如果定义占空比.勺,电压系数片占那么在双极式可逆变换器中/=2p-l调速时,夕的可调范围为01相应的7=-1+1.当时,y为正,电动机正转；当时,7为负,电动机反转；当时,7=0,电动机停乙乙止.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限制的缺点.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.双极式限制的桥式可逆PWM变换器有

13、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.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ua,E0/50A/us；5线性度优于IN；6响应时间l|js；7频率响应0100kHz.4. 调节器的参数整定本设计为双闭环直流调速系统主要元件/参数的选择1 .他励直流电动机的参数：Pnom=3kw,Unom=48V,Inom=,n=500r/min,电枢电阻Ra二,电枢回路总电阻8.电枢回路电磁时间常数Tl=5ms,机

14、电时间常数Tm=200ms,电源电压Us=60V,给定值和ASR、ACR的输出限幅值均为10V,电流反响系数,GD2=60N*M22 .技术指标和要求电动机能够实现可逆运行.要求稳态无静差.动态过渡过程时间ts?二,电流超调量?5%空载起动到额定转速时的转速超调量00%设ASR和ACR均采用PI调节器,ASR的输出限幅Uim*=-8V,ACR的输出限幅Ucm=8Vt最大给定电压UnmxulOV.技术指标和要求：要求稳态无误差,电流超调量二5%,空载启动到额定转速时的转速超调量二10册系统固有局部的主要参数计算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.Is=60/8=RI

15、sas=Inom2电动机的电磁常量=*/500=min/r仆3电动机的转矩常量Cm=*=-min/r4电动机的机电时间常数T=GD这二m375CcCm预先选定的参数1调节器输入回路电阻R.调节器的输入电阻均取相同的数值,取Ro=30k2电流反响系数月设最大允许电流Idm=,那么1dm=*二U*夕=3二8/二Adm3速度反响系数aa=%=8/200=min/r“max4电流滤波时间Toi和转速滤波时间Ton由于电流检测信号和转速检测信号中含有谐波分量,而这些谐波分量会使系统产生振荡,所以需加反响滤波环节.滤波环节可以抑制反响信号中的谐波分量,但同时也给反响信号带来惯性的影响,为了平衡这一惯性的影

16、响,在调节器给定输入端也参加一个同样参数的给定滤波环节.对滤波时间常数,假设取得过小,那么滤不掉信号中的谐波,影响系统的稳定性.但假设取得过大,会使过渡过程增加,降低系统的快速性.取值Toi=Ton=电流环的设计1确定时间常数1脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数与传递函数的计算.U60I,=-=A=7.5AR8/75a=-=2.031nom3.7对于T型PWM电路,开关管应承受2U,的电压,应选晶体管的BVce=120V,为此选用D202电力晶体管作开关管.九二四,最正确开关频率开关频率f选为,此开关频率已能满足电流连续的要求.于是开关周期48=4.810pwm=了比S4?so脉宽调制器和

17、PWM变换器的放大系数为Kp“,M=需=于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传递函数为4.82)电流滤波时间常数几取3)电流环小时间常数7丁+E=09s(2)选择电流调节器结构T5因此可按典型|型系统根据设计要求,CT,%5%,而且-=.=5,6口3TPW3x0.0004c,2)要求%N3J=三,现3!=94.90.2x0.005TJ,3)要求吗二;,钉三-,现,V1PWM1d%可见均满足要求1:1=-!15_,=745.453VTPWMTci30.0004x0.0005()计算ACR的电阻和电容取Rc=50kQ,贝IJRlK即x50kQ=174kQ,取RROOkQ.6%=占,吗取CL也=娱箸乂

18、1.6=.*取iqX1U根据上述参数,电流环可以到达的动态指标为5%=3%45%,故满足设计要求.速度环的设计(1)确定时间常数1)电流环等效时间常数27V二2)取转速滤波时间常数7二3)Trn=2Tri+Tt,n=(2)ASR结构设计根据稳态无静差及其它动态指标要求,按典型II型系统设计转速环,ASR选用PI调节器,其传递函数为Wasr(S)=KZ：1TS(3)选择ASR参数取h=5,那么gg=5x二力+16-1-IKn二;=；c=2595c2/r72x25x0.0068-那么=6x08x02=W562haRTrn10x0.05x8x0.0068校验近似条件1)要求以02)50A/us；响应时间lus；频率响应0100kHzo两个给定电压的最大值和m和沟m由设计者选定,设计原那么如下：.海m受运算放大器允许输入电压和稳压电源的