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

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