雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調速系統(tǒng)計

1、FUJIAN AGRICULTURE AND FORESTRY UNIVERSITY雙閉環(huán)可逆直流脈寬PW調速系統(tǒng)設計學院：機電工程學院學號：專業(yè)（方向）年級： 學 生 姓名：福建農林大學機電工程學院電氣工程系2011年1 月7日目錄.設計任務書1設計說明書32.1方案確定3方案選定3橋式可逆pwr變換器工作原理3系統(tǒng)控制電路圖6雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)靜態(tài)分析 62.1.5 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖 72.2 硬件結構 92.2.1 主電路 92.2.2 泵升壓限制 112.3 主電路參數計算及元件選擇 122.3.1 整流二極管選擇 122.3.2 絕緣柵雙極晶體管選擇 122.4 調節(jié)器參

2、數設計和選擇 132.4.1 電流環(huán)的設計 132.4.2 轉速環(huán)的設計 162.4.3 反饋單元 182.5 系統(tǒng)總電路圖 19三心得體會 20交直流調速課程設計任務書一、題目雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWMS速系統(tǒng)設計二、設計目的1、對先修課程（電力電子學、自動控制原理等）的進一步理解和運用2、運用電力拖動控制系統(tǒng)的理論知識設計出可行的直流調速系統(tǒng)，通 過建模、仿真驗證理論分析的正確性。也可以制作硬件電路。3、同時能夠加強同學們對一些常用單元電路的設計、常用集成芯片的使用 以及對電阻、 電容等元件的選擇等的工程訓練。 達到綜合提高學生工程設計和動 手能力的目的。三、系統(tǒng)方案的確定自動控制系統(tǒng)的設計

3、一般要經歷從“機械負載的調速性能（動、靜）一電機 參數主電路控制方案”（系統(tǒng)方案的確定）“系統(tǒng)設計仿真研究參數 整定一直到理論實現(xiàn)要求一硬件設計一制版、焊接、調試”等過程，其中系統(tǒng)方案的確定至關重要。為了發(fā)揮同學們的主觀能動作用，且避免方案及結果雷同， 在選定系統(tǒng)方案時，規(guī)定外的其他參數由同學自己選定。1、主電路采用二極管不可控整流，逆變器采用帶續(xù)流二極管的功率開關管 IGBT構成H型雙極式控制可逆PWM換器；2、速度調節(jié)器和電流調節(jié)器采用 PI 調節(jié)器；3、機械負載為反抗性恒轉矩負載，系統(tǒng)飛輪矩（含電機及傳動機構） 4、主 電源：可以選擇三相交流 380V 供電；5、他勵直流電動機的參數：見

4、習題集【 4-19 】（P96）=1000r/min ，電樞回 路總電阻R=2Q ,電流過載倍數入=2。四、設計任務a）總體方案的確定；b）主電路原理及波形分析、元件選擇、參數計算；c）系統(tǒng)原理圖、穩(wěn)態(tài)結構圖、動態(tài)結構圖、主要硬件結構圖；d）控制電路設計、原理分析、主要元件、參數的選擇；e）調節(jié)器、PW信號產生電路的設計；f ）檢測及反饋電路的設計和計算；五、課程設計報告的要求1、不準相互抄襲或代做，一經查出，按不及格處理。2、報告字數：不少于 8000 字（含圖、公式、計算式等）。3、形式要求：以福建農林大學本科生課程設計（工科）的規(guī)范化要求 撰寫。要求文字通順、字跡工整、公式書寫規(guī)范、報告

5、書上的圖表允許徒手畫， 但必須清晰、正確且要有圖題。4、必須畫出系統(tǒng)總圖，總圖不準徒手畫，電路圖應清潔、正確、規(guī)范。未 進行具體設計的功能塊允許用框圖表示，且功能塊之間的連線允許用標號標注。六、參考資料3、電力拖動自動控制系統(tǒng)陳伯時機械工業(yè)出版社4、電力電子技術王兆安黃俊機械工業(yè)出版社2000.1交直流調速課程設計說明書一、方案確定方案選定直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的結構圖如圖1所示，轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器串極聯(lián)結， 轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調制變換器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電 源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列

6、，從而可以改變平均輸出電壓 的大小，以調節(jié)電機轉速，達到設計要求?？傮w方案簡化圖如圖1所示。Id圖1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的結構簡化圖用雙閉環(huán)轉速電流調節(jié)方法，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能， 保證了對生產工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時也兼顧了啟 動時啟動電流的動態(tài)過程。在啟動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉速 負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉速，實現(xiàn)轉速無靜差調節(jié)， 又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產需求。2.1.2 橋式可逆PWM換器的工作原理脈寬調制器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電

7、壓調制成頻 率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速。橋式可逆PWM變換器電路如圖2所示。這是電動機M兩端電壓UAB的極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化圖2橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅動電壓波形如圖3所示。Ugltton_ Ug3Tt1t*Ug4OUg2O圖3 PWM變換器的驅動電壓波形他們的關系是：Ugl二Ug4 - Ug2 - Ug3。在一個開關周期內，當0乞t ： tn時,晶體管VTi、VT4飽和導通而VTa、VT2截止，這時Uab二Us。當ton乞t：T時，VTi、VT4截止，但VT3、VT2不能立即導通，電樞電流id經VD

8、2、VD3續(xù)流，這時Uab 。Uab在一個周期內正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。電動機的正反轉體現(xiàn)在驅動電壓正、 負脈沖的寬窄 上。當正脈沖較寬時，to.，則Uab的平均值為正電動機正轉當正脈沖較窄時，則反轉；如果正負脈沖相等，tOn=T，平均輸出電壓為零，則電動機停止。2雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為ton2ton如果定義占空比=ton-電壓系數則在雙極式可逆變換器中-1調速時,的可調范圍為01相應的 =-1 1。當T ,丄時， 為正，電動機21 1正轉；當2時，為負，電動機反轉；當匕時，=0,電動機停止。但 電動機停止時電樞電壓并不等于零，而

9、是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均 值等于零，不產生平均轉矩，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。 但 它也有好處，在電動機停止時仍然有高頻微震電流， 從而消除了正、反向時靜摩 擦死區(qū)，起著所謂 動力潤滑”的作用。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點：1）電流一定連續(xù)。2）可使電動機在四象限運行。3）電動機停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4）低速平穩(wěn)性好，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導 通?？刂齐娐啡缦滤?。主要組成部分有信號設定（頻率給定、給定積分器）、正弦 參考信號幅值和頻率控制電路（絕對值運算器、壓控振蕩器、函數發(fā)生

10、器、極性鑒別器）、PWM波發(fā)生器（三相正弦波發(fā)生器、鎖相環(huán)、三相波載波發(fā)生器、比 較器）及和主電路相隔離的電壓/電流檢測回路、驅動回路及保護回路。2.1.3 系統(tǒng)控制電路圖控制電路如下所示。主要組成部分有信號設定（頻率給定、給定積分器）、正弦 參考信號幅值和頻率控制電路（絕對值運算器、壓控振蕩器、函數發(fā)生器、極性 鑒別器）、PWM波發(fā)生器（三相正弦波發(fā)生器、鎖相環(huán)、三相波載波發(fā)生器、比 較器）及和主電路相隔離的電壓/電流檢測回路、驅動回路及保護回路電itew控制榔川-r*絕對值壓控AL卜何/圧向粛耕椀硝環(huán)曠尸事跆轉換器Xi）=箱霰二角強發(fā)生器-相訃弦程垃3通用型PWM變頻器原理圖框圖2.1.4

11、 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性分析 由于采用了脈寬調制，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關系式比較簡單，電 壓平衡方程如下UEdL EWton） 按電壓平衡方程求一個周期內的平均值， 即可導出機械特性方程式，電樞兩端在 一個周期內的電壓都是Ud =*Us，平均電流用Id表示，平均轉速n二E/Ce,而電UjRidL 齊 E（気豈t : T）樞電感壓降Ldid的平均值在穩(wěn)態(tài)時應為零。于是其平均值方程可以寫成dtUs 二 Rid E 二 Rid Cen則機械特性方程式CeCenoRcZ2.1.5 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖 4所示，分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng) 靜特性

12、的關鍵是掌握PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和一一輸出 達到限幅值；不飽和一一輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸 入量的變化不再影響輸出，相當和使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是為零。圖4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜 特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和和不飽和兩種情況。為了獲得近似理想的過度過程，并克服幾個信號綜合于一個調節(jié)器輸入端的 缺點，最好的方法就是將被調量轉速和輔助被調量電流分開加以控制，用兩個調節(jié)器分別調節(jié)轉速和電流，構成轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。所以本文選擇方案

13、 二作為設計的最終方案。如圖5為雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理.電疣檢測TA轉速環(huán)圖“5 “ K閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理I圖硬件結構雙閉雙閉 調節(jié)，系統(tǒng) 為雙閉環(huán)直點:屮央F由主電路、檢測:流 rpwM調速系-的 UPE 是直流PWM功率T發(fā)變奐器。系統(tǒng)的特、轉速給定和檢測。由軟件實中+VAD 一電路、控制電路、給定電路、顯示電路 統(tǒng)硬件結構圖|PWM成 _ 現(xiàn)轉速、電流組成。如圖6IBS圖6 雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)硬件結構圖2.2.1 主電路主電路由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成， 一般都是電壓源型的，采用大電容 C濾波，同時兼有無功功率交換的作用?？赡鍼WMS換器主電路有

14、多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，女口圖7為橋式可逆PWMS換器。這時電動機M兩端電壓Uab的極性隨開關器件驅動 電壓極性的變化而變化，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，本 設計用的是雙極性控制的可逆 PWMS換器。雙極性控制的橋式可逆PWMS換器有 電流一定連續(xù)、可使電動機在四象限運行、電動機停止時有微振電流可消除靜摩 擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點。(23)Us=440660v四、調節(jié)器參數設計和選擇調節(jié)器工程設計方法的基本思路先選擇調節(jié)器的結構，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。再選 擇調節(jié)器的參數，以滿足動態(tài)性能指標。設計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內環(huán)開始，一

15、環(huán)一環(huán)地逐步向外擴展。 在這里是：先從電流環(huán)人手，首先設計好電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是 轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。電流環(huán)的設計H型單極式PWM變換器供電的直流調速系統(tǒng)，采用寬調速直流電動機。額定力矩為4.9N m，電樞電阻Ra=1.641，電樞回路總電感L=10.2mH,額定 電流定電壓=110V。調速系統(tǒng)的最小負載電流b=1A，電源電壓Us=122V，電力晶體管集電極電阻Rc=2.5，設Ki = K2=2。=1000r/min，電樞回路總電阻 R=2Q ,電流過載倍數 入=2。如圖10為電流環(huán)結構圖圖10電流環(huán)結構圖241.1確定時間常數CURaLNnN110 -1

16、.64 61000=0.1V *min/ rTlgd2r375CeCm1.5 2 二375 0.12 30=0.08sL 10.2 103R 2=0.005s(1) 脈寬調制器和PWM變換器的滯后時間常數Tpwm和傳遞函數的計算 電動機的啟動電流為Us 122IsA=61AR 2啟動電流和額定電流比為Is 61 :s10.167IN 6晶體管放大區(qū)的時間常數為T ce12 3.14 106s = 0.159=s電流上升時間tr的計算公式為k1k1 一0.95tr =Tce|n 一式中k1 晶體管導通時的過飽和驅動系數，取k1 =2則ki2t二 Tcbn0. 1 5 9ns 0. 1s03ki

17、-0. 9 5-2 0. 9 5電流下降時間tf的計算公式為1 +k2tf -Tceln0.05 + k2式中k2晶體管截止時的負向過驅動系數，取k2=2則1+k21+2tf 二Teeln-0.159Ins=0.061s0.05 + k20.05 + 2又Ti二丄R丄2乩5 1 ms=0. 005s12最佳開關頻率為osI10.167fop = 0.3323J = 0.3323 6 Hz = 4434.8HzVTi (tr 4(f)0.00512(0.103十0.061)0開關頻率f選為4.4kHz，此開關頻率已能滿足電流連續(xù)的要求。 于是開關周期1Tpwm0.23ms脈寬調制器和PWM變換器

18、的放大系數為UdKpwm 二10于是可得脈寬調制器和PWM變換器的傳遞函數為UiWPWM (S)KPWM11 Tpwms + 10.00023s+1(2) 電流濾波時間常數 Toi取0.5ms(3) 電流環(huán)小時間常數TuTpwim T o0. 2 3ms 0. 5ms 0. 7ms 選擇電流調節(jié)器結構根據設計要求，門乞5%，而且F/TU =5.1/0.73 = 6.99 ： 10因此可以按典型I型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器選用PI型，其傳遞函數為Wacr(s)is241.3選擇電流調節(jié)器參數打二 Ti 二 0. 0051要求二i%乞5%時，應取心嚴0.5，因此Kim05 蘭 s=684.93sT 迓

19、0.00073i _ Um In衛(wèi) 0.833V / A2 6于是TiRKi =KI-Kpwm0.833684.930.00512s-1 = 1449.3s-1 ci(1)(3)11要求要求要求11s = 130.89s1:-ci0現(xiàn) 3 I TpwmToi982.95s m3 0.00023 0.0005可見均滿足要求。計算ACR勺電阻和電容取Ro=40k門，則RKRO. 76 40 3c0 4取 Ri 二30k 0.76 1 241.4檢驗近似條件 c i= K i= 6 8 4. 93 e = 2 = o. 0 051 0f = 0. 1FRi 30000Coi 二並=40.030 01

20、5(Pf = O.0FRo40 10按照上述參數，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為G =4.3% “ 5%，故滿足設計要求。轉速環(huán)的設計2.421確定時間常數(1) 電流環(huán)等效時間常數為2T=273.97scn 5 0.00073 0.73=.14用(2) 取轉速濾波時間常數口 =.05S(3) T2T7 Ton =0.00146s 0.005s = 0.00646s ASR結構設計根據穩(wěn)態(tài)無靜差及其他動態(tài)指標要求，按典型 II型系統(tǒng)設計轉速環(huán)，ASRss + 1WASR(s) = Kn選用PI調節(jié)器，其傳遞函數為S選擇ASR參數取h=5,則n n2 87 5.5cn(1)要求5Tt，

21、現(xiàn) 5Ti-4S=123.4S ： J:cn可見均能滿足要求n = hT、n = 5 0.00646s = 0.0323sKnh 16/22 22 S2875.5s2h2T身 2 25 0.006462(h + 1)CeTm 6 漢 0.8330.090 1 60.1 0 3Kn35.92則2h： RT2 5 0.01 2 0.00646校驗近似條件0.03 2 3 st 2.88 cnK242.5 計算ASR電阻和電容取 Ro =4k，則Rn 二 Kn R =3 5.9 2 4KT = 1 4 3k,取 144Qk,.Cnn0.03 2 3 3 1 06=0.022FRn 1440漢10取

22、oiFon4TonRd4 竽0/” 二401 00 好檢驗轉速超調量Cm a x Qn T7i6% =) 2 (-z f -CbnNT m-2Cmax81.2%：nN 二曲 一6 2 . =133.1 r .當 h=5 時，Cb，而Cea。9016 minmin因此133.1 0.006466% =81.2% 2 10.16714.8% ：20%10000.103可見轉速超調量滿足要求。CeTmnNR In0.09016 0.103 10002匯2乂60.39s ： 0.5s校驗過渡過程時間空載起動到額定轉速的過渡過程時間可見能滿足設計要求反饋單元 轉速檢測裝置選擇選測速發(fā)電機永磁式ZYS231/110型，額定數據為P=23.1WU=110VI=0.21A，n=1900r/min。測速反饋電位器RP2的選擇考慮測速發(fā)電機輸出最高電壓時，其電流