直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统课程设计

1、电力拖动课程设计题目：直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统姓名：赵强学号:U202111856班级：电气1303指导老师：徐伟课程评分：日期：2021-07-10目录一、设计目标与技术参数二、设计根本原理一调速系统的总体设计二桥式可逆PWM变换器的工作原理三双闭环调速系统的静特性分析四双闭环调速系统的稳态框图五双闭环调速系统的硬件电路六泵升电压限制七主电路参数计算和元件选择八调节器参数计算三、仿真一仿真原理含建模及参数二重要仿真结果目的为验证设计参数的正确性四、结论参考文献附录1:调速系统总图附录2:调速系统仿真图一、设计目标与技术参数直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统的设计目标如下：额

2、定电压：Un=220V;额定电流：In=136A;额定转速：nN：=1460r/min;电枢回路总电阻：R=0.45Q;电磁时间常数：T|=0.076s；机电时间常数：Tm=0.161s；电动势系数：Ce=0.132V*min/r;转速过滤时间常数：Ton=0.01s;转速反应系数a=0.01V*min/r;允许电流过载倍数：入=1.5;电流反应系数：3=0.07V/A;电流超调量：biW5%转速超调量：biW10%运算放大器：R=4KQ;晶体管PWM1率放大器：工作频率：2KHz;工作方式：H型双极性.PWM变换器的放大系数：Ks=20.二、设计根本原理一调速系统的总体设计在电力拖动限制系统

3、的理论课学习中已经知道,采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差.但是,如果对系统的动态性能要求较高,例如要求快速起制动,突加负载动态速降小等等,单闭环调速系统就难以满足需要.这主要是由于在单闭环调速系统中不能随心所欲的限制电流和转矩的动态过程.如图2-1所示.山带电流载I上负反应的单闭环调速系统起动过程W理想.快速起动过W图2-1直流调速系统启动过程的电流和转速波形用双闭环转速电流调节方法,虽然相对本钱较高,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

4、反应,没有转速负反应,不让电流负反应发挥主要作用,既能限制转速,实现转速无静差调节,又能限制电流使系统在充分利用电机过载水平的条件下获得最正确过渡过程,很好的满足了生产需求.直流双闭环调速系统的结构图如图2-2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,再用电流调节器白输出去限制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,到达设计要求.与晶闸管直流调速系统的区直流PWM!制系统是直流脉宽调制式调速限制系统的简称,别在于用直流PW限换器取代

5、了晶闸管变流装置.yDT-2转速.山流牧间吓仃流调速系统骷构ASR转速调W瑞ACR电位调IV鼎TG测逑发电机TA电流/遐满UPE电力电/变换器二桥式可逆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2-3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2-3桥式可逆PWM变换器电路双极式限制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图2-4所示.他们的关系Ug1Ug4tonUg2Ug3：Oton>一,那么Uab2的平均值为正

6、,电动机正转,当正脉冲较窄时,那么反转；如果正负脉冲相等,tonT+二一,平2均输出电压为零,双极式限制可逆那么电动机停止.PWM变换器的输出平均电压为Ud孕s/UsUg1=Uq4=Uq2=Ug3.在一个开关周期内,当0MtMton时,晶gggAg3体管V、VT4饱和导通而VT3、VT2截止,这时Uab=Us.当ton£t<T时,V、VT4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,这是双极式PWM变换器的特征,其电压、电流波形如图2-4所示.如果定义占空比UdUs那么在双极式可逆变换器中=2：

7、-1调速时,P的可调范围为.、101相应的¥=1+1.当时不为正,电动机正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,一11一转；当P<时,丫为负,电动机反转；当P=时,0=0,电动机停止.但电动机停止22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,起着所谓动力润滑的作用.双极式限制的桥式可逆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

8、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.三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=RidL也E0"ton.dtUs=RidEGMt：Tdt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di.Ld旦的平均值在稳态时应为零.于是其平均值方程可以写成dtUs=RIdE=RIdCen那么机械特性方程式CeUsn二Ce四双闭环

9、直流调速系统的稳态结构框图双闭环直流系统的稳态结构图如图2-5,分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征.一般存在两种状况：饱和一一输出到达限幅值；不饱和一一输出未到达限幅值.当调节器饱和时,输出为恒值,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.匕I心图2-5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,电流调节器是不会到达饱和状态的.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.五双闭环直流调速系统的硬件电路双闭环直流调速系统主电路中的UPE是直流PWM功率变换器.系统的特点：双闭环系统结构,

10、实现脉冲触发、转速给定和检测.由软件实现转速、电流调节,系统由主电路、检测电路、限制电路、给定电路、显示电路组成.如图2-6所示.图2-6双闭环直流PWM调速系统硬件结构图卡.JiT.iffi'|空林主电路：三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源,再经过直流PWMA/D转换通变换器得到可调的直流电压,给直流电动机供电.检测回路：包括电压、电流、温度和转速检测.电压、电流和温度检测由道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速光电码盘故障综合：利用微机拥有强大的逻辑判断功能,对电压、电流和温度等信号进行分析比较,假设发生故障立即通知微机进行故障诊断,才用微机限制的优势所在.以便及

11、时处理,防止故障进一步扩大.这也是(六)泵生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局部的动能将变成电能,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来消耗掉局部动能.R的分流电路靠开个器件VT在泵升电压到达允许数值时接通.(七

12、)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.(1)整流二极管及滤波电容的计算根据二极管的最大整流平均1f和最高反向工作电压UR分别应满足：Ifa1.1mIo(av)+2%1.1m6/2=3.3(A)UR>1.V<V2xU2=1.1xv12x110=171(V)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选用大功率硅整流二极管,型号和参数如下所示：C值,使RC至(3-5)T/2,在

13、设计主电路时,滤波电容是根据负载的情况来选择电容且有Udmax=0.9父110M0.95=94(V)2C21.5M0.02,即C215000UF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22000UF.(2)IGBT的计算最大工作电流Imax=2Us/R=440/0.45=978(A)集电极发射极反向击穿电压(BVceo)(BVceo)?(23)Us=440660V(八)调节器参数计算(1)调节器工程设计方法的根本思路先选择调节器的结构,以保证系统稳定,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.设计多环限制系统的一般原那么是：从内环开始,

14、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)电流环的设计下列图2-7为电流环结构图图2-7电流环结构图1 .确定时间常数(1) PWM装置滞后时间常数：Ts=0.0017s.(2)电流滤波时间常数Toi取0.002s.(3)电流环小时间常数Tsio按小时间常数近似处理,取T£i=Ts+Toi=0.0037SoII选择电流调节器结构根据设计要求,3%5%,并保证稳态电流无差,可以按典型I型系统设计电流调节器.电流环限制对象是双惯性型的,因此电流调节器选用PI型,其传递函数为*Wacr(s

15、)二Kiis1is检查对电源电压白抗扰性能：Tl/T、=0.076/0.0037=20.54<30,参照典型I型系统动态抗扰性能,各项指标都是可以接受的.III计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：如=Tl=0.076s.电流开环增益：要求仃%<5%时,应取K1Tz=0.5,因此于是Ki0.50.5Txi0.0037=135.14s"Ki=KiiR：Ks135.140.0760.21=2.840.0520IV检验近似条件电流环截止频率：.ci=Ki=135.14s13Tss30.00171=196.08sci(1)脉宽调制变换器传递函数近似条件满足近似条件.(2)忽略

16、反电动势变化对电流环动态影响的条件31=311s/=27.12s,二ciTmTl.0.1610.076满足近似条件.(3)电流环小时间常数近似处理条件1=180.78s>ci11_113TsToi-310.00170.002满足近似条件.V计算ACR的电阻和电容取R0=4k夏,那么Ri=KiR0=2.84M4=11.36kC,取R=12kCi0.0766,Ci=106F=6.33FRi12000Coi_4Toi一Ro40.0024103106F=2,F根据上述参数,电流环可以到达的动态指标为J=4.3%<5%,故满足设计要求.(2)转速环的设计下列图2-8为转速环动态结构框图简化.

17、图2-8转速环等效成单位负反应系统和小惯性的近似处理I确定时间常数(D电流环等效时间常数1/K|.已取K|T予=0.5,那么12T%=20.0037=0.0064sKi(2)取转速滤波时间常数Ton°取Ton=0.01so(3)转速环最小时间常数Tno按小时间常数近似处理,取Tn-2TtTon=0.0074s0.01s-0.0174sII选择转速调节器结构根据稳态无静差及其他动态指标要求,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)=KnnsIII选才?ASR参数按跟随和抗扰性能都较好的原那么,取h=5,那么ASR的超前时间常数为.n=hT%n=50.

18、0174s=0.087s那么转速环开环增益h16aqKN2歹=2s-396.35s2hTn2250.0174是,ASR的比例系数为Kn(h1)匕氏2h：RTn60.2720.1320.161250.006672.850.0174=10.49IV校验近似条件转速截止频率为cn=Knn=396.350.087=34.48s“(1)电流环传递函数简化条件为J,135"63.70s30.0037满足简化条件(2)转速环小时间常数近似处理条件为=38.74s,cn1K7_1135.143T°n-30.01$满足近似条件.V计算调节器电阻和电容取R=4kC,那么Rn=KnR0=10.4

19、9M4kC=41.96kC,取42kC；Cn=0.0873m106NF=2.07NF,取2NF;Rn4210Con:%二4-0.0m106nf=10Nf,取10NF.R4103VI检验转速超调量当h=5时,查表得,仃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.按ASR退饱和的情况计算超调量Cmax=nnTq二n%=(侬)2(-Z)NJCbnNTm当h=5时,-2Cmax%=81.2%CbINR1360.45Ce0.132rmin=463.64rm

20、in因此463.640.0174二n%=81.2%21.5-8.36%；10%14600.161可见转速超调量满足要求.三、仿真一仿真原理含建模及参数在Matlab中进入Simulink环境,创立Model文件如下列图3-1所示:图3-1直流双闭环调速系统仿真模型上述PI调节器的子模型如下列图3-2和图3-3所示:ln.1SaturationOut1T/卜片丁由3TLimited图3-2ASR调节器模型仿真参数：Tm=0.161sTon=0.01sToi=0.002sTs=0.0017sTi=0.076sa=0.0073=0.05Ce=0.132八1Kp2.84-ACR:Kp=2.84=p=3

21、7.31Kii0.076ASR:Kp=10.49Kr¥=120.46二重要仿真结果目的为验证设计参数的正确性仿真结果如下列图3-4和图3-5所示：FileJools皿ewSimulationHelpReadyT=2000图3-4电流响应1n-XFileToolsViewSimulotionHelp二锚©口.1亭两手话二图3-5转速响应四、结论从仿真结果中可以看到,电动机的启动过程经历了电流上升、恒流升速和转速超调后的调节三个阶段.与该电动机的开环系统相比,电动机启动电流大幅度下降,电流环发挥了调节作用,使最大电流限制在设定的范围以内.修改调节器参数,可以观察在不同参数条件下双闭环系统电流和转速的响应,修改转速给定,也可以观察电动机在不同转速时的工作情况.本次课程