双闭环可逆直流脉宽调速系统课程设计

1、FUJIANAGRICULTUREANDFORESTRYUNIVERSITY交直流调速系统课程设计学院：机电工程学院_学号：3126108025_专业（方向）年级：电气工程及其自动化_学生姓名：连爱庆_福建农林大学机电工程学院电气工程系2015年12月20日目录课程设计任务书.1课程设计说明书31.任务分析.1.1选择PWM控制系统的原由.1.2采纳转速电流双闭环的原由.1.3直流PWM传动系统构造图.1.4双闭环调速系统的构造图.1.5调速系统起动过程的电流和转速波形.1.6H桥双极式逆变器的工作原理.1.7PWM调速系统的静特色.2.主电路设计.2.1给定基准电源.2.2双闭环调理器电路设

2、计.电流调理器.转速调理器.2.3控制电路的设计.2.4驱动电路设计.2.5转速及电流检测电路.转速检测电路.电流检测电路.3.调理器的参数整定.3.1系统固有部分的主要参数计算.3.2开初选定的参数.3.3电流环的设计.3.4速度环的设计.参照文件转速及电流检测环节电路图整体设计.心得及总结.参照文件、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（电力拖动自动控制系统、电力电子学、自动控制原理等）的进一步理解与运用2、运用电力拖动自动控制系统的理论知识设计出可行的直流调速系统，经过建模、仿真考证理论分析的正确性。也可以制作硬件电路。3、同时可以增强同学们对一些常用单元

3、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。达到综合提升学生工程设计与着手能力的目的。三、系统方案确实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）一电机参数主电路控制方案”（系统方案确实定）“系统设计仿真研究参数整定向抵达理论实现要求一硬件设计一制版、焊接、调试”等过程，此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，且防备方案及结果相同，在选定系统方案时，规定外的其余参数有同学自己选定。1、主电路采纳二极管不可以控整流，逆变器采纳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、速度调理器和电流调理器采纳PI调理器；

4、U*nm=U*im=Ucm=10V3、机械负载为抗争性恒转矩负载,系统飞轮矩（含电机及传动机构）GD2=1.5Nm2；4、主电源：可以选择单相沟通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【4-19】（P96）=1000r/min，电枢回路总电阻R=2Q,电流过载倍数入=2;6、PW装置的放大系数Ks=11;PWM装置的延缓时间Ts=0.4ms。四、设计任务a）整体方案确实定；1b）主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；c）系统原理图、稳态构造图、动向构造图、主要硬件构造图；d）控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择；e）调理器、PW信号产生电路的设计

5、；）检测及反应电路的设计与计算；五、课程设计报告的要求：1、禁止互相剽窃或代做，一经查出，按不及格办理；2、报告字数：好多于8000字（含图、公式、计算式等）。3、形式要求：必然依据福建农林大学本科生课程设计（工科）的规范化要求。4、必然画出系统总图，总图禁止徒手画，电路图应洁净、正确、规范。未进行详细设计的功能块赞成用框图表示，且功能块之间的连线赞成用标号注明。六、参照资料1、电气传动控制系统设计指导李荣生主编机械工业第一版社2004.62、新式电力电子变换技术陈国呈中国电力第一版社3、电力拖动自动控制系统，上海工业大学陈伯机遇械工业第一版社4、电力电子技术王兆安黄俊主编机械工业第一版社20

6、00.1双闭环可逆直流脉宽PW碉速系统设计1.任务分析1.1选择PWM控制系统的原由脉宽调制器UPV采纳美国硅通用企业(SiliconGeneral)的第二代产品SG3525这是一种性能优秀，功能全、通用性强的单片集成PW控制器。因为它简单、靠谱及使用方便灵巧，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得宽泛使用。PWMR统在好多方面拥有较大的优越性：PW调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。开关频次高，电流简单连续，谐波少，电机耗费及发热都较小。3)低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：10000左右。2假如可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动向响应快，动向抗扰能力强。功率开

7、关器件工作在开关状态，导通耗费小，当开关频次适合时，开关消耗也不大，所以装置效率较高。直流电源采纳不可以控整流时，电网功率因数比相控整流器高。变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动向高性能系统中更是已经完满代替了其余调速方式。因而可知，变频调速是特别值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中，PW调速方式特别大家所重视，这是我们采纳它作为研究对象的重要原由。1.2采纳转速电流双闭环的原由同开环控制系统比较，闭环控制拥有一系列长处。在反应控制系统中，不论出于什么原由(外面扰动或系统内部变化)，只需被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去除去偏差。

8、所以，它拥有控制搅乱的能力，对元件特色变化不敏感，并能改良系统的响应特色。因为闭环系统的这些长处所以采纳闭环系统。单闭环速度反应调速系统，采纳PI控制器时，可以保证系统稳态速度偏差为零。可是假如对系统的动向性能要求较高，假如要求快速起制动，突加负载动向速降小等，单闭环系统就难以知足要求。这主假如因为在单闭环系统中不可以完满依据要求来控制动向过程的电流或转矩。其余，单闭环调速系统的动向抗搅乱性较差，当电网电压波动时，必然待转速发生变化后，调理作用才能产生，所以动向偏差较大。在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是可以快速启动3制动；二是可以快速战胜败载、电网等搅乱。经过分析发现，假如要求

9、快速起动，必然使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定赞成电磁转矩，即最大的恒定赞成电枢电流，当电枢电流保持最大赞成值时，电动机以恒加快度升速至给定转速，此后电枢电流立刻降至负载电流值。假如要求快速战胜电网的搅乱，必然对电枢电流进行调理。以上两点都波及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，构成转速、电流双闭环调速系统。1.3直流PWM传动系统构造图直流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差异在于用直流PWM变换器代替了晶闸管变流装置，作为系统的功率驱动器，系统构成原理如图1-1所示。此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

10、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变换器构成，最重点的零件为脉宽调制器UPM41.4双闭环调速系统的构造图直流双闭环调速系统的构造图如图1-2所示，转速调理器与电流调理器串极联系，转速调理器的输出作为电流调理器的输入，再用电流调理器的输出去控制PWM装置。此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次一定、宽度可变的脉冲电压序列，进而可以改变均匀输出电压的大小，以调理电机转速，达到设计要求。如图1-3所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增添的。这是在最大电流(转矩)受限的条件下调速系统所能获得的最快的起动过程。带电流截止负反

11、应的单闭环调速系统起动过程1.5调速系统起动过程的电流和转速波形(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51.6H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次必然宽度可变的脉冲电压序列，进而均匀输出电压的大小，以调理电机转速。H形双极式逆变器电路如图1-4所示。这时电动机M两头电压UAB的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。-2-10讣.“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6Ug2iUg4tOJtonTUg3:他们的关系是：Ug!Ug4Ug2Ug3。在一个开关周期内，当0t时，晶

12、体管VT、VT4饱和导通而VT3、VT2截止，这时UABUs。当tontT时,VT,、VT4截止，但VT3、VT2不可以立刻导通，电枢电流id经VD2、VD3续流，这时UABUs。UAB在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特色，其电压、电流波形如图2所示。电动机的正反转表此刻驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，ton2，则UAB的均匀值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；假如正负脉冲相等，tonT，均匀输出电压为零，则电动机停止。双极式控制可逆PWMfc换器的输出均匀电压为7Tton2tonTUsTT假如定义占空比ton，电压系数则在双极式可逆变换器中211调速时，的可

13、调范围为0?1相应的1111。当-时，为正，电2动机正转；当2时，为负，电动机反转；当2时，0，电动机停止。但电动机停止时电枢电压其实不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，所以电流也是交变的。这个交变电流的均匀值等于零，不产生均匀转矩，蓦地增大电动机的耗费这是双极式控制的弊端。但它也有益处，在电动机停止时仍旧有高频微震电流，进而除去了正、反向时静摩擦死区。双极式控制的桥式可逆pwr变换器有以下长处:1）电流必然连续。2）可使电动机在四象限运转。3）电动机停止时有微震电流，能除去静摩擦死区。4）低速安稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有益于保证器件的靠谱导通。1.7PWM调速系统的静特色

14、因为采纳了脉宽调制，电流波形都是连续的，所以机械特色关系式比较简单,电压均衡方程以下didUsRidLddE(tontT)即可导出机械特色方程式，电枢两头在按电压均衡方程求一个周期内的均匀值,UsRidFE(0tton).一个周期内的电压都是UdUs，均匀电流用Id表示，均匀转速nE/Ce，而电枢电感压降L业的均匀值在稳态时应为零。于是其均匀值方程可以写成则机械dt特色方程式8UsRIdRCenCeCe综上所述，当前，采纳晶闸管整流供电的直流电动机调速系统已经成为直流调速系统的主要形式。可是晶闸管整流器也有它的弊端，主要表此刻：1）晶闸管一般是单导游电元件，不一样样意电流反向，这给电动机实现可

15、逆运转造成困难2）对过电压。过电流等十分敏感，只需一超出赞成值都可能在很短的时间内损坏元件3）晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，它对沟通电源是一个感性负载，吸取滞后无功功率，所以功率要素很低，假如它在电网中容量大，将造成“电力公害”4）晶闸管整流装置的输出电压时脉动的，并且脉动数老是有限的。因为以上原由，选择脉宽调制变换器进行改变电枢电压直流调速系统，因为PWM调速系统在好多方面拥有较大的优胜性：1）PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少2）开关频次高，电流简单连续，谐波少，电机耗费及发热都较小3）低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达1：10000左右4）假如可以与快速响应的电动

16、机配合，则系统频带宽，动向响应快，动向抗扰能力强5）功率开关器件工作在开关状态，导通耗费小，当开关频次适合时，开关耗费也不大，因为装置效率高。单闭环速度反应调速系统，采纳PI控制器时，可以保证系统稳态速度偏差为0，可是假如对系统的动向性能要求较高，假如要求快速起制动，突加负载动向速降小等，单闭环系统就难以知足要求。还有单闭环调速系统的动向抗搅乱性较差，当电网电压颠簸时，必然待转速发生变化后，调理作用才产生，所以动向偏差大。在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是可以快速启动制动；二是可以快速战胜败载、电网等搅乱。2.主电路设计H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图2-1所示。PWMK变

17、器的直流电源由沟通电网经不控的二极管整流器产生，并采纳大电容C0滤波，以获得恒定的直流电压Us。因为直流电源靠二极管整流器供电，不可以能回馈电能，电动体制动时只能对滤波电容充电，这时电容器两头电压高升称作“泵升电压”为了限制泵升。电压，用镇流电阻Rz耗费掉这些能量，在泵升电压达到赞成值时接通VTz。9ru图2-1H桥式直流脉宽调速系统主电路主要参数以下：UCER=1200Vlc=16ATCN*=100CPCM0.9kWUcE?t)3.05V2.1给定基准电源此电路用于产生土15V电压作为转速给定电压以及基准电压，如图2-2所示：iug-:卍VGND-IMVd-Iq,口门图2-2给定基准电源电路

18、2.2双闭环调理器电路设计为了实现闭环控制，必然对被控量进行采样，此后与给定值比较，决定调理器的输出，反应的重点是对被控量进行采样与丈量。102.2.1电流调理器因为电流检测中经常含有沟通重量，为使其不影响调理器的输入，需加低通滤波。此滤波环节传达函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数Toi0.001s，以滤平电流检测信号为准。为了均衡反应信号的延缓，在给定通道上加入相同的给定滤波环节，使二者在时间上配合适合。2.2.2转速调理器转速反应电路如图2-4所示，由测速发电机获得的转速反应电压含有换向纹波，所以也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数Ton0.005S。依据和电流环相同的原理

19、，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2-4PI型电转速调理器2.3控制电路的设计双闭环控制电路的工作原理对双闭环控制电路的稳态工作原理的分析，可依据系统的稳态构造框图。剖析稳态工11作原理的重点是要认识PI调理器的稳态特色，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和-输出未达到饱和状态。当调理器饱和时，输出为恒值，输入值的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调理器退出饱和，换句话说，饱和的调理器临时间隔了输入与输出间的联系，相当于是该调理环开环；不饱和的调理器，PI的作用使输入偏差电压都为0。在实质的正常运转时，电流调理器是不会达到饱和状态的，所以，只有转速调理器饱和和不

20、饱和两种状况。当转速调理器不饱和时，两个调理器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是0。而当转速饱和时，ASR俞出达到限幅值，转速环呈开环转态，转速的变化对系统不再产生作用，双闭环系统相当于一个电流无静差的单电流闭环调理系统。在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于转速和负载电流。PI调理器的俞出量在动向过程中决定于输入量的积分，抵达稳态时，输入为0，输出的稳态值与输入没关，而是由它后边环节的需要决定的。双闭环调速系统的静特色在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调理作用。当负载电流达到Idm时，对应于转速

21、调理器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调理作用，系统表现为电流无静差，获得过电流的自动保护。这样的静特色比带电流截止负反应的单闭环系统静特色好。对其启动过程的分析，因为在启动过程中转速调理器ASF经历了不饱和、饱和、退保和三种状况，整个动向过程就分红I、II、III三个阶段。第一个阶段是电流上涨阶段。突加给定电压U后，经过两个调理器的跟从作用，Uc、Ud0、Id都随着上涨，可是在Id没有达到负载电流Idl从前，电动机还不可以转动。当Id=Idl，电动机开始启动。因为机电惯性的作用，转速不会很快增添，所以转速调理器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值逼迫电枢电流Id快速上涨。

22、直到Id=Idm，Ui=Uim，电流调理器很快就压制了Id的增添，标记住这一阶段的结束，在这一阶段中，ASR很快就进入并保持饱和状态，而ACF一般不饱和；第二个阶段是恒流上涨阶段，是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR素来是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给的那个Uim下的电流调理系统，基本上保持电流Id恒定，所以系统的加快度恒定，转速呈线性增添，与此同时，电动机的反电动势E也按线性增添，对电流调理系统来说，E是一个线性渐增的扰动量。为了战胜这个扰动，Udo和Uc也必然基本上按线性增添，才能保持Id恒定。当ACR采纳PI调理器时，要使其输出量按线性增添，其输入偏差电压必须保持

23、必然的恒值，也就是说，Id应略低于Idm，其余还应指出，为了保证电流环的这类调节作用，在起动过程中ACF不该饱和，电力电子装置UPE的最大输出电压也需留有余地，这些都是设计时必然注意的。第三阶段是转速调理阶段。当转速上涨到给定值时，转速调理器ASR的输入偏差减小到零，但其输出却因为积分作用还保持在限幅值Uim,所以电动机仍在12加快，使转速超调。转速超调后，ASR俞入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，Ui和Id很快降落。可是，只需Id仍大于负载电流Idl，转速就连续上涨。直到ld=ldl时，转矩Te=TI，贝U转速n才能抵达峰值，今后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，假如调理器参数整

24、定的不够好，也会有一段振荡过程。在最后的转速调理阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调理作用，而ACR贝使Id赶快跟从其给定值，或许说，电流内环是一个电流随动子系统。综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特色：对其动向抗扰性能的分析，动向原理图框图关于调速系统，最重要的动向性能是抗扰性能。主假如抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。从动向性能上看，因为扰动作用点不一样样，存在着能否实时调理的差异。负载扰动可以比较快的反应到被调量n上，进而获得调理，而电网电压扰动的作用被调量稍远，因为增设了电流内环，电压颠簸可以经过电流反应获得实时的调理，不用等它影响到转速此后才能反应回来，

25、抗扰性能大有改良。2.4驱动电路设计驱动电路中V5起保护作用，防备EXB84的6脚承受过电压，经过VD检测能否过电流，接VZ3的目的是为了改变EXBg块过流保护起控点，以降低过高的保护阀值进而解决过流保护阀值太高的问题。R1和C1及VZ4接在+20V电源上保证坚固的电压。VZ1和VZ2防备栅极和射极出现过电压，Rge是防备IGBT误导通。针对EXB84存在保护盲区的问题，可将EXB84的6脚的超快速恢复二极管VDI换为导通压降大一点的超快速恢复二极管或反向串联一个稳压二极管，也可采纳对每个脉冲限制最小脉宽使其大于盲区时间，防备IGBTS窄脉宽下的低输出大功耗状态。针对EXB84软关断保护不可以

26、靠的问题，可以在EXB84的5脚和4脚间接一个可变电阻，4脚和地之间接一个电容，都是用来调理关断时间，保证软关断的靠谱性。针对负偏压不足的问题，可以考虑提高负偏压。一般采纳的负偏压是-5V，可以采纳-8V的负偏压（自然负偏压的选择遇到IGBT栅射极之间反向最大耐压的限制），输人信号被接到15脚，EXB84正常工作驱动IGBT.132.5转速及电流检测电路2.5.1转速检测电路转速检测电路如图2-5所示。与电动机同轴安装一台测速发电机，进而引出与被调量转速成正比的负反应电压Un,与给定电压U；比较较后，获得转速偏差电压Un输送给转速调理器。测速发电机的输出电压不只表示转速的大小，还包括转速的方向

27、，测速电路如图15所示，经过调理电位器即可改变转速反应系数。2.5.2电流检测电路经过霍尔传感器丈量电流的电流检测电路原理如图2-6所示A-hzii*収池流流过的霍尔电流传感器的构造以以下图。用一环形导磁资料作成磁芯，套在被测电导线上，将导线中电流感生的磁场齐集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，即可由它的霍尔输出电压获得导线中流通的电流。闭环霍尔电流传感器主要有以下特色：1）可以同时丈量随意波形电流，如：直流、沟通、脉冲电流；142）副边丈量电流与原边被测电流之间完满电气间隔，绝缘电压一般为2kV?12kV;3）电流丈量范围宽，可丈量额定1mA-50kA电流；4）追踪速

28、度di/dt50A/卩s;5）线性度优于0.1%IN;6）响应时间1卩s;7）频次响应0?100kHz。3.调理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=3kwUnom=48VInom=3.7A,n=500r/min，电枢电阻Ra=6.5，电枢回路总电阻R=8。电枢回路电磁时间常数Tl=5ms,机电时间常数Tm=200ms电源电压Us=60V,给定值和ASR、ACR的输出限幅值均为10V,电流反应系数=0.05V.min/r,电动势转速比Ce=0.18V.min/r,GD2=60N*M22.技术指标和要求电动机可以实现可逆运转。要求稳态无静差。动向过渡过程时间t