雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計.doc

1、交直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計學(xué) 院： 機電工程學(xué)院 學(xué) 號： 3115102056 專業(yè)（方向）年級： 電氣工程及其自動化2011級 學(xué) 生 姓 名： 曾臺坤 福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院電氣工程系 2014年 12 月11 日 交直流調(diào)速課程設(shè)計任務(wù)書4一、題目4二、設(shè)計目的4三、系統(tǒng)方案的確定4四、設(shè)計任務(wù)5五、課程設(shè)計報告的要求5六、參考資料5交直流調(diào)速課程設(shè)計說明書6一、方案確定62.1.1 方案選定62.1.2橋式可逆PWM變換器的工作原理82.1.3系統(tǒng)控制電路圖102.1.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析112.1.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖12二、硬件結(jié)構(gòu)132.2.1 主電路14

2、2.2.2 泵升電壓限制16三、主電路參數(shù)計算和元件選擇162.3.1 整流二極管的選擇162.3.2 絕緣柵雙極晶體管的選擇17四、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計和選擇172.4.1調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法的基本思路172.4.2 電流環(huán)的設(shè)計182.3.7確定時間常數(shù)182.4.3選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)202.4.4選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)212.4.5計算ACR的電阻和電容222.4.6轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計222.4.7 反饋單元24三心得體會26 交直流調(diào)速課程設(shè)計任務(wù)書一、題目 雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計二、設(shè)計目的1、對先修課程（電力電子學(xué)、自動控制原理等）的進(jìn)一步理解與運用2、運用電力拖動控制系統(tǒng)的理論知識設(shè)

3、計出可行的直流調(diào)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(xué)們對一些常用單元電路的設(shè)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(xùn)練。達(dá)到綜合提高學(xué)生工程設(shè)計與動手能力的目的。三、系統(tǒng)方案的確定自動控制系統(tǒng)的設(shè)計一般要經(jīng)歷從“機械負(fù)載的調(diào)速性能（動、靜）電機參數(shù)主電路控制方案”（系統(tǒng)方案的確定）“系統(tǒng)設(shè)計仿真研究參數(shù)整定直到理論實現(xiàn)要求硬件設(shè)計制版、焊接、調(diào)試”等過程，其中系統(tǒng)方案的確定至關(guān)重要。為了發(fā)揮同學(xué)們的主觀能動作用，且避免方案及結(jié)果雷同，在選定系統(tǒng)方案時，規(guī)定外的其他參數(shù)由同學(xué)自己選定。1、主電路采用二極管不可控整流，逆變器采用帶

4、續(xù)流二極管的功率開關(guān)管IGBT構(gòu)成H型雙極式控制可逆PWM變換器；2、速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器；3、機械負(fù)載為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，系統(tǒng)飛輪矩（含電機及傳動機構(gòu)）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(shù)：見習(xí)題集【4-19】（P96）=1000r/min，電樞回路總電阻R=2,電流過載倍數(shù)=2。四、設(shè)計任務(wù)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(shù)計算；c）系統(tǒng)原理圖、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖、主要硬件結(jié)構(gòu)圖；d）控制電路設(shè)計、原理分析、主要元件、參數(shù)的選擇；e）調(diào)節(jié)器、PWM信號產(chǎn)生電路的設(shè)計；f）檢測及反饋電路的設(shè)計與計算；五、課程設(shè)計報告

5、的要求1、不準(zhǔn)相互抄襲或代做，一經(jīng)查出，按不及格處理。2、報告字?jǐn)?shù)：不少于8000字（含圖、公式、計算式等）。3、形式要求：以福建農(nóng)林大學(xué)本科生課程設(shè)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(zhǔn)徒手畫，電路圖應(yīng)清潔、正確、規(guī)范。未進(jìn)行具體設(shè)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(biāo)號標(biāo)注。六、參考資料1、電氣傳動控制系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo) 李榮生 機械工業(yè)出版社 2004.62、新型電力電子變換技術(shù) 陳國呈 中國電力出版社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(shù) 王

6、兆安 黃俊 機械工業(yè)出版社 2000.1交直流調(diào)速課程設(shè)計說明書一、方案確定2.1.1 方案選定直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計要求。總體方案簡化圖如圖1所示。圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化圖用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)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(chǎn)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

7、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(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)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(chǎn)需求。 圖2直流PWM傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖直流PWM控制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速控制系統(tǒng)的簡稱，與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別在于用直流PWM變換器取代了晶閘管變流裝置，作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動器，系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖2所示。其中屬于脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)主要由調(diào)制波發(fā)生器GM、脈寬調(diào)制器UPM、邏輯延時環(huán)節(jié)DLD和電力晶體管基極的驅(qū)動器GD和脈寬調(diào)制（PWM）變換器組成，最關(guān)鍵的部件為脈寬

8、調(diào)制器。如圖3所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。圖3調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形2.1.2橋式可逆PWM變換器的工作原理脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)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(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。橋式可逆PWM變換器電路如圖4所示。這是電動機M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓的極性變化而變化。圖4 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(qū)動電壓波形如圖5所示。圖5 PWM變換器的驅(qū)動電壓波形他們的關(guān)系是：。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)

9、時，晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止，這時。當(dāng)時，、截止，但、不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時。在一個周期內(nèi)正負(fù)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(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動機停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比，電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時，的可調(diào)范圍為01相應(yīng)的。當(dāng)時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng)時，為負(fù)，電動機反轉(zhuǎn)；當(dāng)時，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也

10、是交變的。這個交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)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(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。控制電路如下所示。主要組成部分有信號設(shè)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(shù)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

11、相環(huán)、三相波載波發(fā)生器、比較器）及與主電路相隔離的電壓/電流檢測回路、驅(qū)動回路及保護(hù)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(shè)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(shù)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）及與主電路相隔離的電壓/電流檢測回路、驅(qū)動回路及保護(hù)回路通用型PWM變頻器原理圖框圖 2.1.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析由于采用了脈寬調(diào)制，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關(guān)系式比較簡單，電壓平衡方程如下 . 按電壓平衡方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機械特

12、性方程式，電樞兩端在一個周期內(nèi)的電壓都是，平均電流用表示，平均轉(zhuǎn)速，而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫成則機械特性方程式 2.1.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值；不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)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(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)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6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說

13、，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。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(diào)節(jié)器輸入端的缺點，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。所以本文選擇方案二作為設(shè)計的最終方案。如圖5為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理.圖7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖二、硬件結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路中的 UPE 是直流 PWM 功率變換器。系統(tǒng)的特點：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測。由軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)，系統(tǒng)由主電路、檢測電路、控制電路、給定電路、顯示電路組成。如圖6為雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。圖8

14、 雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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WM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖7為橋式可逆PWM變換器。這時電動機M兩端電壓Uab的極性隨開關(guān)器件驅(qū)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(shè)計用的是雙極性控制的可逆PWM變換器。雙極性控制的橋式可逆PWM變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。圖9 橋式

15、可逆PWM變換器圖10為雙極式控制時的輸出電壓和電流波形。相當(dāng)于一般負(fù)載的情況，脈動電流的方向始終為正；相當(dāng)于輕載情況，電流可在正負(fù)方向之間脈動，但平均值仍為正，等于負(fù)載電流。圖10 雙極式控制時的輸出電壓和電流波形雙極性控制可控PWM變換器的輸出平均電壓為 轉(zhuǎn)速反饋電路如圖11所示，由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時間常數(shù)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖 11 轉(zhuǎn)速反饋電路2.2.2 泵升電壓限制當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機減速或停車時,儲存在電機和負(fù)載傳動部分的動能將變成電能，并通過 PWM 變壓器回饋給直

16、流電源。一般直流電源由不可控的整流器供電，不可能回饋電能，只好對濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓”。如果要讓電容器全部吸收回饋能量，將需要很大的電容量，或者迫使泵升電壓很高而損壞元器件。在不希望使用大量電容器（在容量為幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)中，電容至少要幾千微法）從而大大增加調(diào)速裝置的體積和重量時，可以采用由分流電阻 R 和開關(guān)管 VT 組成的泵升電壓限制電路，用R 來消耗掉部分動能。R 的分流電路靠開個器件 VT 在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時接通。三、主電路參數(shù)計算和元件選擇主電路參數(shù)計算包括整流二極管計算，濾波電容計算、功率開關(guān)管 IGBT 的選擇及各種保護(hù)裝置的計算和選擇等。2.3.

17、1 整流二極管的選擇根據(jù)二極管的最大整流平均 和最高反向工作電壓 分別應(yīng)滿足：（A）（V）選用大功率硅整流二極管，型號和參數(shù)如下所示：型號額定正向平均電流（A)額定反向峰值電壓URM（V)正向平均壓降 （V)反向平均漏電流 （mA)散熱器型號ZP10A1020020000.50.76SZ14在設(shè)計主電路時，濾波電容是根據(jù)負(fù)載的情況來選擇電容C值，使RC（35）T/2，且有（V)，即C15000uF故此，選用型號為CD15的鋁電解電容，其額定直流電壓為400V，標(biāo)稱容量為22000uF。2.3.2 絕緣柵雙極晶體管的選擇最大工作電流Imax2Us/R=440/0.45=978(A)集電極發(fā)射極反

18、向擊穿電壓 (23)Us=440660v四、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計和選擇2.4.1調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法的基本思路 先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，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(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)。設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開始，一環(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(shè)計好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。2.4.2 電流環(huán)的設(shè)計H型單極式PWM變換器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用寬調(diào)速直流電動機。額定力矩為4.9Nm，電樞電阻Ra=1.64，電樞回路總電感L=10.2mH，額定電流=6A，額定電壓=110V。調(diào)速系統(tǒng)的最

19、小負(fù)載電流=1A，電源電壓=122V，電力晶體管集電極電阻=2.5，設(shè)=2。=1000r/min，電樞回路總電阻R=2,電流過載倍數(shù)=2。如圖12為電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖圖12 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖2.3.7確定時間常數(shù)（1）脈寬調(diào)制器和PWM變換器的滯后時間常數(shù)與傳遞函數(shù)的計算電動機的啟動電流為 啟動電流與額定電流比為 晶體管放大區(qū)的時間常數(shù)為 電流上升時間的計算公式為 式中晶體管導(dǎo)通時的過飽和驅(qū)動系數(shù)，取=2則 電流下降時間的計算公式為 式中晶體管截止時的負(fù)向過驅(qū)動系數(shù)，取=2則 又 最佳開關(guān)頻率為 開關(guān)頻率f選為4.4kHz，此開關(guān)頻率已能滿足電流連續(xù)的要求。于是開關(guān)周期脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)

20、為 于是可得脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)為（2）電流濾波時間常數(shù) 取1.5ms（3）電流環(huán)小時間常數(shù) 2.4.3選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，而且因此可以按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為 2.4.4選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 要求時，應(yīng)取，因此 又 于是 2.檢驗近似條件 （1）要求，現(xiàn)。（2）要求，現(xiàn)。（3）要求，現(xiàn)。可見均滿足要求。2.4.5計算ACR的電阻和電容取=40k，則 ，取 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為，故滿足設(shè)計要求。2.4.6轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計2.4.6.1 確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為（2）取轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)（3）2.4.6.2 ASR結(jié)

21、構(gòu)設(shè)計根據(jù)穩(wěn)態(tài)無靜差及其他動態(tài)指標(biāo)要求，按典型II型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)，ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 2.4.6.3 選擇ASR參數(shù)取h=5，則則 2.4.6.4 校驗近似條件 （1）要求，現(xiàn)。（2）要求，現(xiàn)可見均能滿足要求。2.4.6.5 計算ASR電阻和電容取，則 ，取1440 ，取0.1 2.4.6.6 檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng)h=5時，而，因此可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足要求。2.4.6.7 校驗過渡過程時間空載起動到額定轉(zhuǎn)速的過渡過程時間可見能滿足設(shè)計要求。2.4.7 反饋單元2.4.7.1 轉(zhuǎn)速檢測裝置選擇選測速發(fā)電機 永磁式ZYS231/110型，額定數(shù)據(jù)為P=23.1W，U=110V，I=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，其電流約為額定值的20%，這樣，測速發(fā)電機電樞壓降對檢測信號的線性度影響較小。測速發(fā)電機工作最高電壓 測速反饋電位器阻值 此時RP2所消耗的功率為 為了使電位器溫