雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、目錄交直流調(diào)速課程設(shè)計(jì)任務(wù)書············································11、題目:雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)

2、設(shè)計(jì)···························12、設(shè)計(jì)目的·····················

3、83;····································13、系統(tǒng)方案的確定············

4、;········································14、設(shè)計(jì)任務(wù)········

5、3;·················································15、課

6、程設(shè)計(jì)報(bào)告的要求················································16、參

7、考資料·················································

8、83;········2雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)··································31、設(shè)計(jì)分析···&

9、#183;·················································&

10、#183;····3 1.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖········································3 1.2調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電

11、流和轉(zhuǎn)速波形······························31.3 H橋雙極式逆變器的工作原理················

12、·····················31.4 PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜特性··························&#

13、183;················52、電路設(shè)計(jì)································&

14、#183;·························6 2.1給定基準(zhǔn)電源······················&#

15、183;···························6 2.2雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)····················

16、;······················7 2.2.1電流調(diào)節(jié)器··························

17、;······················7 2.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器··························

18、;······················7 2.3 信號(hào)產(chǎn)生電路··························

19、;·······················8 2.4 IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路原理························

20、;·················10 2.5 基于EXB841驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)·····························&#

21、183;········10 2.6 鋸齒波信號(hào)發(fā)生電路······································

22、3;····11 2.7轉(zhuǎn)速及電流檢測(cè)電路···········································1

23、2 2.7.1 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路···············································12 2

24、.7.2 電流檢測(cè)電路···············································123、調(diào)節(jié)器

25、的參數(shù)整定·················································1

26、3 3.1電流環(huán)的設(shè)計(jì)················································&

27、#183;13 3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)···············································&

28、#183;·154、電路圖總體設(shè)計(jì)··············································&#

29、183;···185、參考文獻(xiàn)·············································

30、············19交直流調(diào)速課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1、題目:雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、設(shè)計(jì)目的 2.1對(duì)先修課程(電力電子學(xué)、自動(dòng)控制原理等)的進(jìn)一步理解與運(yùn)用2.2運(yùn)用電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的理論知識(shí)設(shè)計(jì)出可行的直流調(diào)速系統(tǒng),通過(guò)建模、仿真驗(yàn)證理論分析的正確性。也可以制作硬件電路。2.3同時(shí)能夠加強(qiáng)同學(xué)們對(duì)一些常用單元電路的設(shè)計(jì)、常用集成芯片的使用以及對(duì)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(jì)與動(dòng)手能力的目的。3、系統(tǒng)方案的確定自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)

31、計(jì)一般要經(jīng)歷從“機(jī)械負(fù)載的調(diào)速性能(動(dòng)、靜)電機(jī)參數(shù)主電路控制方案”(系統(tǒng)方案的確定)“系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真研究參數(shù)整定直到理論實(shí)現(xiàn)要求硬件設(shè)計(jì)制版、焊接、調(diào)試”等過(guò)程,其中系統(tǒng)方案的確定至關(guān)重要。為了發(fā)揮同學(xué)們的主管能動(dòng)作用,且避免方案及結(jié)果雷同,在選定系統(tǒng)方案時(shí),規(guī)定外的其他參數(shù)有同學(xué)自己選定。3.1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(kāi)關(guān)管IGBT構(gòu)成H型雙極式控制可逆PWM變換器;3.2速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器;3.3機(jī)械負(fù)載為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,調(diào)速范圍D=2;系統(tǒng)飛輪矩(含電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu))3.4主電源:可以選擇單相交流220V供電;變壓器二次電壓為67V;3.

32、1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù):略4、設(shè)計(jì)任務(wù)4.1總體方案的確定;4.2主電路原理及波形分析、元件選擇、參數(shù)計(jì)算;4.3系統(tǒng)原理圖、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、主要硬件結(jié)構(gòu)圖;4.4控制電路設(shè)計(jì)、原理分析、主要元件、參數(shù)的選擇;4.5調(diào)節(jié)器、PWM信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì);4.6檢測(cè)及反饋電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算;5、課程設(shè)計(jì)報(bào)告的要求:5.1不準(zhǔn)相互抄襲或代做,一經(jīng)查出,按不及格處理;5.2報(bào)告字?jǐn)?shù):不少于8000字(含圖、公式、計(jì)算式等)。5.3形式要求:以福建農(nóng)林大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì)(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(bào)告書上的圖表允許徒手畫,但必須清晰、正確且要有圖題。5.4必須畫出

33、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(jì)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(hào)標(biāo)注。6、參考資料6.1電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo) 李榮生主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2004.66.2新型電力電子變換技術(shù) 陳國(guó)呈 中國(guó)電力出版社6.3電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng),上海工業(yè)大學(xué) 陳伯時(shí) 機(jī)械工業(yè)出版社6.4電力電子技術(shù) 王兆安 黃俊主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2000.11.設(shè)計(jì)分析1.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 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

34、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(jī)轉(zhuǎn)速,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖1-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1.2 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-2所示,這時(shí),啟動(dòng)電流成方波形,而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)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(dòng)過(guò)程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程 (b)理想快速起動(dòng)過(guò)程圖1-2 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形1.3 H橋雙極式逆變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

35、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(jī)轉(zhuǎn)速。H形雙極式逆變器電路如圖1-3所示。這時(shí)電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。圖1-3 H形雙極式逆變器電路雙極式逆變器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖4所示。圖1-4 H形雙極式逆變器的驅(qū)動(dòng)電壓波形他們的關(guān)系是:。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),當(dāng)時(shí),晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止,這時(shí)。當(dāng)時(shí),、截止,但、不能立即導(dǎo)通,電樞電流經(jīng)、續(xù)流,這時(shí)。在一個(gè)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(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí),則的平均值為正,

36、電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn),當(dāng)正脈沖較窄時(shí),則反轉(zhuǎn);如果正負(fù)脈沖相等,平均輸出電壓為零,則電動(dòng)機(jī)停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 (1-1)如果定義占空比,電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中 (1-2)調(diào)速時(shí),的可調(diào)范圍為01相應(yīng)的。當(dāng)時(shí),為正,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)時(shí),為負(fù),電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn);當(dāng)時(shí),電動(dòng)機(jī)停止。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)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,因而電流也是交變的。這個(gè)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(dòng)機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處,在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍然有高頻微震電流,從而消除了正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn):1)電流

37、一定連續(xù)。2)可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行。3)電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微震電流,能消除靜摩擦死區(qū)。4)低速平穩(wěn)性好,每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬,有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。1.4 PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜特性由于采用了脈寬調(diào)制,電流波形都是連續(xù)的,因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡(jiǎn)單,電壓平衡方程如下 (1-3) (1-4)按電壓平衡方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值,即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式,電樞兩端在一個(gè)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(shí)應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫成 (1-5)則機(jī)械特性方程式 (1-6)2.電路設(shè)計(jì)H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖2-1所示。PWM逆變器的直流電源

38、由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生,并采用大電容濾波,以獲得恒定的直流電壓。由于直流電源靠二極管整流器供電,不可能回饋電能,電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電,這時(shí)電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓,用鎮(zhèn)流電阻Rz消耗掉這些能量,在泵升電壓達(dá)到允許值時(shí)接通VTz。圖2-1 H橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路四單元IGBT模塊型號(hào):20MT120UF 主要參數(shù)如下:=1200V =16A =100 2.1給定基準(zhǔn)電源此電路用于產(chǎn)生±15V電壓作為轉(zhuǎn)速給定電壓以及基準(zhǔn)電壓,如圖2-2所示:圖2-2 給定基準(zhǔn)電源電路2.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,必須對(duì)被控量進(jìn)行采樣

39、,然后與給定值比較,決定調(diào)節(jié)器的輸出,反饋的關(guān)鍵是對(duì)被控量進(jìn)行采樣與測(cè)量。2.2.1 電流調(diào)節(jié)器由于電流檢測(cè)中常常含有交流分量,為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入,需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示,由初始條件知濾波時(shí)間常數(shù),以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。為了平衡反饋信號(hào)的延遲,在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié),使二者在時(shí)間上配合恰當(dāng)。圖2-3 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器2.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速反饋電路如圖2-4所示,由測(cè)速發(fā)電機(jī)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(shí)間常數(shù)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的原理,在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時(shí)間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。

40、0圖2-4 含給定濾波與反饋濾波的PI型電轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.3 信號(hào)產(chǎn)生電路本設(shè)計(jì)采用集成脈寬調(diào)制器SG3524作為脈沖信號(hào)發(fā)生的核心元件。根據(jù)主電路中IGBT的開(kāi)關(guān)頻率,選擇適當(dāng)?shù)?、值即可確定振蕩頻率。電路中的PWM信號(hào)由集成芯片SG3524產(chǎn)生,SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。由SG3524構(gòu)成的基本電路如圖2-5所示,由15腳輸入+15V電壓,用于產(chǎn)生+5V基準(zhǔn)電壓。在6、7引腳之間接入外部阻容元件構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器,可提高穩(wěn)態(tài)精度。12、13引腳通過(guò)電阻與+15V電壓源相連,供內(nèi)部晶體管工作,由電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓作為2引腳輸入,通過(guò)其電壓大小調(diào)節(jié)12、13引腳的輸出

41、脈沖寬度,實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制變換器的功能實(shí)現(xiàn)。圖2-5 SG3524管腳圖圖2-6 SG3524引腳接線圖圖2-7 SG3524內(nèi)部框圖主要參數(shù):輸入電壓Uimax:40V 輸出電流:500mA 好散功率:1W2.4 IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路原理工作原理如圖2-8所示圖2-8 EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖EXB841 系列驅(qū)動(dòng)器的各引腳功能如下:腳1 :連接用于反向偏置電源的濾波電容器;腳2 :電源( 20V );腳3 :驅(qū)動(dòng)輸出;腳4 :用于連接外部電容器,以防止過(guò)流保護(hù)電路誤動(dòng)作(大多數(shù)場(chǎng)合不需要該電容器);腳5 :過(guò)流保護(hù)輸出;腳6 :集電極電壓監(jiān)視;腳7 、8 :不接;腳9 :電源;腳10 、11 :

42、不接;腳14 、15 :驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入(-,);2.5 基于EXB841驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路中V5起保護(hù)作用,避免EXB841的6腳承受過(guò)電壓,通過(guò)VD1檢測(cè)是否過(guò)電流,接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過(guò)流保護(hù)起控點(diǎn),以降低過(guò)高的保護(hù)閥值從而解決過(guò)流保護(hù)閥值太高的問(wèn)題。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現(xiàn)過(guò)電壓,Rge是防止IGBT誤導(dǎo)通。針對(duì)EXB841存在保護(hù)盲區(qū)的問(wèn)題,可如圖12所示將EXB841的6腳的超快速恢復(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大一點(diǎn)的超快速恢復(fù)二極管或反向串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管,也可采取對(duì)每個(gè)脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時(shí)間,避免I

43、GBT過(guò)窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對(duì)EXB841軟關(guān)斷保護(hù)不可靠的問(wèn)題,可以在EXB841的5腳和4腳間接一個(gè)可變電阻,4腳和地之間接一個(gè)電容,都是用來(lái)調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間,保證軟關(guān)斷的可靠性。針對(duì)負(fù)偏壓不足的問(wèn)題,可以考慮提高負(fù)偏壓。一般采用的負(fù)偏壓是-5V,可以采用-8V的負(fù)偏壓(當(dāng)然負(fù)偏壓的選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制),輸人信號(hào)被接到15腳,EXB841正常工作驅(qū)動(dòng)IGBT.圖2-9 EXB841驅(qū)動(dòng)IGBT設(shè)計(jì)圖主要參數(shù):電源電壓:20V 最大輸出功率:47mA 最高工作頻率:10kHz2.6 鋸齒波信號(hào)發(fā)生電路鋸齒波信號(hào)發(fā)生器SG的輸出信號(hào)Us與控制信號(hào)在PWM轉(zhuǎn)換器(

44、SG3524)中進(jìn)行比較,PWM輸出幅度恒定、寬度變化的方波脈沖序列,即PWM波。SG電路可有UJT或者PUT構(gòu)成。UJT鋸齒波信號(hào)發(fā)生器基本電路如圖2-10所示圖2-10 鋸齒波信號(hào)發(fā)生電路2.7轉(zhuǎn)速及電流檢測(cè)電路2.7.1 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路如圖2-11所示。與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī),從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓,與給定電壓相比較后,得到轉(zhuǎn)速偏差電壓輸送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓不僅表示轉(zhuǎn)速的大小,還包含轉(zhuǎn)速的方向,測(cè)速電路如圖15所示,通過(guò)調(diào)節(jié)電位器即可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。圖2-11 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路2.7.2 電流檢測(cè)電路通過(guò)霍爾傳感器測(cè)量電流的電流檢測(cè)電路原理如圖2-12所示。圖2-12  閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖13所示。用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯,套在被測(cè)電流流過(guò)的導(dǎo)線上,將導(dǎo)線中電流感生的磁場(chǎng)聚集起來(lái),在磁芯上開(kāi)一氣隙,內(nèi)置一個(gè)霍爾線性器件,器件通電后,便可由它的霍爾輸出電壓得到導(dǎo)線中流通的電流。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點(diǎn):1)可以同時(shí)測(cè)量任意波形電流,如:直流、交流、脈沖電流;2)副邊測(cè)量電流與原邊

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