PWM直流双闭环调速系统设计

运动控制系统大作业

直流PWM双闭环调速系统，基本数据如下：

(1)直流电机：额定功率185W,额定电枢电压220VDC,额定电枢电流1.25A,

励磁电压220VDC,励磁电流0.16A,额定转速15(X)rpm,额定转矩

12000g•cm,允许过载倍数1.2；

(2)PWM变换器：占空比15%-85%；

(3)时间常数：电磁时间常数10ms,机电时间常数87ms；

(4)控制器的最大输入/输出电压均不超过3V

设计要求：

(1)静态指标,转速/电流无静差；

(2)动态指标，电流超调不超过5%；空载启动到额定转速时的转速超调不超

过10%o

请完成转速调节器、电流调节器的设计、理论仿真和调试。

L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。

双闭环调速系统的结构图

2.电路设计

H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图所示。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C。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，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“泵升电压二为了限制

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。

H桥式宜.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：

UCER=1200V/C=16A7；/=100°CPCM=Q.9kWUCE(sal)=3.05V

2.1给定基准电源

此电路用于产生±15V电压作为转速给定电压以及基准电压，如图所示:

2.2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。

2.2.1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。此流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

7；,=0.0015,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。

3.1电流环的设计

1）确定时间常数

PWM装置滞后时间常数：Ts=O.0017so电流滤波时间常数：=0.002s。

T=0.0017+0.002=0.0037s（7、和7；.一般都比十小得多,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

可按典型I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

=K空里

式中（一一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超前时间常数四=（=O.Ols；改电流环开环时间增益:要求545%,故

于是，ACR的比例系数为:

51.3x2

4）校验近似条件

电流环截止频率:

%=K,=135.15~

（1）晶闸管装置芍递函数近似条件:

=--------=196.

满足近似条件；

（2）忽略反电动势对电流环影响的条件:

即

1

3=101.715<(o

古力().087x0.01ci

满足近似条件；

（3）小时间常数近似处理条件:

即

\_rr^=11]-

3历7-3VO.0017X0.092=180.7s々>31I

满足近似条件。

5）计算调节器电阻和电容

调节器输入电阻为凡=2（UQ,各电阻和电容值计算如下

&=1.2KjR。=2.45x24AQ=18.24AQ,取20AQ

x106^=0.5,取0.5〃分

C-==°.01

20x103

x0=02",

4x0.00^取0.2//F

C.凡*40x10'

3.2转速环的设计

1）确定时间常数

（1）电流环等效时间常数22=2x0.0037=0.0074s

（2）转速滤波时间常数兀=0.005s

（3）转速环小时间常数近似处理%=2丁当+T0m=0.0124s

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H

由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型n型系统一选用设计PI

调节器，其传递函数为

吗SK（S）=£—

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〃=5,则ASR超前时间常数为

力a=5x0.0124s=0.062s

转速开环增益:

h+16

s-2=780.4s—2

2x25x0.01242

ASR的比例系数:

K=5+DOC,=5.1

2haRT£”

4）近似校验

转速截止频率为:

”=KNTn=780.4X0.062-=48.4s「

（1）电流环传递函数简化条件:

<_L

-5q

现在

11

=54.M

5x0.0037Sj

满足简化条件。

（2）小时间常数近似处理条件:

叫”--

3

T>4〃

满足近似条件。

5）“算调节器电阻和电容

调节器输入电阻R°=20AC,则

4=1.2KK=122.4AQ,取125依1

C=—=.°')2X106//A=0.496//A,取0.5"

nRn125x103

C“,二%=4x0005x二6尸一05〃产,取0.5〃尸

R040x103"»"

6)检验转速超调量

当h=5时，查表得，0”=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。

?=(王迪•％).2(/-z)竺詈

G.n

当h=5时,