雙閉環(huán)不可逆PWM直流調(diào)速系統(tǒng)方案

1、Yantai Nanshan Ifniversity題目： 雙閉環(huán)不可逆PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)院系：工學(xué)院電氣與電子工程系專業(yè)：自動化班級：自動化1202姓名：王學(xué)松學(xué)號：201202022007扌指導(dǎo)教師:王選誠二一五年七月運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計任務(wù)書一、基本情況學(xué)時：1周學(xué)分：1學(xué)分 適應(yīng)班級：自動化1201-1202二、進(jìn)度安排本設(shè)計共安排1周，合計30學(xué)時，具體分配如下：實習(xí)動員及準(zhǔn)備工作：2學(xué)時總體方案設(shè)計：4學(xué)時硬件設(shè)計：12學(xué)時撰寫設(shè)計報告：8學(xué)時答辯：4學(xué)時教師輔導(dǎo)：隨時三、基本要求1、課程設(shè)計的基本要求運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計的主要內(nèi)容包括：理論設(shè)計與撰寫設(shè)計報告等。其中理論設(shè)計又包

2、括總體方案選擇，硬件系統(tǒng)設(shè)計、硬件設(shè)計包括單元電路選擇元器件及計算參數(shù)等；課程設(shè)計的最后要求是寫出設(shè)計總結(jié)報告，把設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行全面的總結(jié)，若有實踐條件，把實踐內(nèi)容上升到理論高度。2、課程設(shè)計的教學(xué)要求運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)采用相對集中的方式進(jìn)行，以班為單位全班學(xué)生集中到設(shè)計室進(jìn)行 。做到實訓(xùn)教學(xué)課堂化，嚴(yán)格考勤制度， 在實訓(xùn)期間累計曠課達(dá)到2節(jié)以上，或者遲到、早退累計達(dá)到4次以上的學(xué)生， 該課程考核按不及格處理。在實訓(xùn)期間需要外出查找資料，必須在指定的時 間內(nèi)方可外出。課程設(shè)計的任務(wù)相對分散，每5-6名學(xué)生組成一個小組，完成一個課題的 設(shè)計。小組成員既有分工、又要協(xié)作，同一小組的成

3、員之間可以相互探討 、 協(xié)商，可以互相借鑒或參考別人的設(shè)計方法和經(jīng)驗。但每個學(xué)生必須單獨完成設(shè)計任務(wù)，要有完整的設(shè)計資料，獨立撰寫設(shè)計報告，設(shè)計報告雷同率超 過60%的課程設(shè)計考核按不及格處理。四、設(shè)計題目及控制要求題目：雙閉環(huán)不可逆PWM直流調(diào)速系統(tǒng)要求：1.穩(wěn)態(tài)無靜差oi<5%，轉(zhuǎn)速超調(diào)量on<20% ;2. 完成系統(tǒng)個環(huán)節(jié)的原理圖設(shè)計和參數(shù)計算 ；3 .根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié) 器的結(jié)構(gòu)型式及進(jìn)行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標(biāo) 的要求；4.調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流等保護(hù)，并且有制動措施；設(shè)計不可逆轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直

4、流調(diào)速系統(tǒng)，基本技術(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)如 下：直流電動機(jī)：Pn=10kw , Un=220V , ln=53.5A , nN=1500r/min，入 =1.5 ,Ra=0.37 Q , lu=2mH , Tm= 0.063s , GD2=125Nm 2 ,電 樞回路 總電阻 Rj=0.58 Qo五、設(shè)計報設(shè)計完成后，必須撰寫課程設(shè)計報告。設(shè)計報告必須獨立完成，格式符 合要求，文字(不含圖形、程序)不少于3000字，圖形繪制規(guī)范。設(shè)計報告 的格式如下：1、封面2、摘要3、目錄4、正文(1) 所作題目的意義、本人所做的工作及系統(tǒng)的主要功能；(2) 方案選擇及論證；(3) 硬件電路設(shè)計及描述(包括硬件的選型及

5、電路圖、輸入輸出接線圖等 的設(shè)計)；5、心得體會6參考文獻(xiàn)不少于5篇六、考核方法運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計的考核方式為考查 ，考核結(jié)果為優(yōu)秀、良好、中 等、及格和不及格五等，分?jǐn)?shù)在90-100之間為優(yōu)秀，80-89分之間為良好， 70-79分之間為中等，60-69分之間為及格，60分以下為不及格。考核分三個方面進(jìn)行：平時表現(xiàn)20% ；設(shè)計過程25% ；設(shè)計報告40% ； 設(shè)計答辯15%。有下列情形之一者，課程設(shè)計考核按不及格處理：1、設(shè)計期間累計遲到、早退達(dá)4次；2、設(shè)計期間累計曠課達(dá)2節(jié)；3、設(shè)計報告雷同率超過60%或無設(shè)計報告；4、不能完成設(shè)計任務(wù)，達(dá)不到設(shè)計要求。.下載可編輯.摘要在電氣時代的

6、今天，電動機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬址种匾淖饔谩Ｖ绷麟姍C(jī)是最常見的一種電機(jī) ，在各領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。 研究直流電機(jī)的控制和測量方法 ，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源都 具有重要的意義。電機(jī)調(diào)速問題一直是自動化領(lǐng)域比較重要的問題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場合。本文基于PWM的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并設(shè)計出應(yīng)用于直流 電動機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。首先描述了變頻器的發(fā)展歷程，提出了 PWM 調(diào)速方法的優(yōu)勢，指出了 PWM調(diào)速方法的發(fā)展前景，點出以PWM變頻調(diào)速 方式應(yīng)用最為廣泛，本文將對PWM的理論進(jìn)行詳細(xì)論述。在

7、此基礎(chǔ)上，做出 SG3525單片機(jī)控制的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計，然后對各個部分分別 進(jìn)行論證，力圖在每個組成單元上都達(dá)到最好的系統(tǒng)性能 。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速雙閉環(huán) PWM SG3525直流電機(jī).下載可編輯.緒論1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述2研究課題的目的和意義3設(shè)計內(nèi)容和要求設(shè)計要求設(shè)計內(nèi)容技術(shù)參數(shù)系統(tǒng)總體方案設(shè)計2. 1設(shè)計分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的原理雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)PWM變換器介紹目錄.1.1.5.5.5.1.11.7第3章電路設(shè)計1.73.1 PWM （雙極式）主電路設(shè)計3.2雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計3.33.43.53.64.14.2總結(jié)參考文獻(xiàn)電流

8、調(diào)節(jié)器322轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器信號產(chǎn)生電路IGBT基極驅(qū)動電路原理基于EXB841驅(qū)動電路設(shè)計鋸齒波信號發(fā)生電路系統(tǒng)參數(shù)計算電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計.1.8.1.8.1.9.22242525.2.7.2930第1章緒論1. 1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述三十多年來，直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動機(jī)組及水 銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進(jìn)。同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng) 的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成 熟化、完善化、系列化、標(biāo)

9、準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領(lǐng)域 中仍然難以替代。直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械的要求。從機(jī)械特性上看，就是通過改變電動機(jī)的參數(shù)或外加工電 壓等方法來改變電動機(jī)的機(jī)械特性，從而改變電動機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械 特性的交點，使電動機(jī)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化 。直流電動機(jī)具有良好的起、 制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷揚機(jī)、挖掘機(jī)、 海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的 領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動 系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看 ， 它

10、又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足 輕重的作用。1. 2研究課題的目的和意義在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較 及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng) 小得多。用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計調(diào)節(jié)器須同時解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要設(shè)計者有扎實的理論基礎(chǔ)和 豐富的實踐經(jīng)驗，而初學(xué)者則不易

11、掌握，于是有必要建立實用的設(shè)計方法。大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的 形式再與圖表對照，設(shè)計過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計方法的可能性。1. 3設(shè)計內(nèi)容和要求設(shè)計要求(1) 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑地速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍(D >10),系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作；(2) 系統(tǒng)靜特性良好，無靜差(靜差率S<2);(3) 動態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量6n<8%,電流超調(diào)量SW5% ,動態(tài)最大 轉(zhuǎn)速降3 W810% ;調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間(調(diào)節(jié)時間

12、)ts<1s;(4) 系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)；(5) 調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流保護(hù)，并且有制動措施；(6) 主電路采用三項全控橋；設(shè)計內(nèi)容(1) 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào) 速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。(2) 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算(包括有變壓器、電力 電子器件、平波電抗器與保護(hù)電路等)。(3) 驅(qū)動控制電路的選型設(shè)計(模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸 發(fā)電路均可)。(4) 動態(tài)設(shè)計計算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)校正，確定ASR調(diào) 節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進(jìn)行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿

13、 足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。(5) 繪制雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電器原理圖(要求用計算機(jī)繪圖)，并用Oread或Matlab軟件進(jìn)行拖動控制系統(tǒng)仿真以及硬件仿真。(建立傳遞函數(shù)方框圖)，并研究參數(shù)變化時對直流電動機(jī)動態(tài)性能的影響。技術(shù)參數(shù)(1) 晶閘管整流裝置：Rrec=0.15 Q, Ks=36 ;(2) 負(fù)載電機(jī)額定數(shù)據(jù)：Pn=10kW , Un=220V, In=53.5A , nN=1500r/min ,Ra=0.37 Q,?=1.5 ;(3) 系統(tǒng)主電路 R?=0.58 Q, Tm=0.063s ;第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計2. 1設(shè)計分析雙閉環(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

14、2.1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(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計要求。直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的原理ASR （速度調(diào)節(jié)器）根據(jù)速度指令Un*和速度反饋Un的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)， 其輸出是電流指令的給定信號 Ui* （對于直流電動機(jī)來說，控制電樞電流就是 控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的可以調(diào)速）。ACR（電流調(diào)節(jié)器）根據(jù)Ui*和電流反饋Ui的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是Upe（功率變換器件的）的控制信號U

15、Co進(jìn)而調(diào)節(jié)Upe的輸出，即電機(jī)的電樞電壓， 由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應(yīng)的電磁 轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te與TL不相等轉(zhuǎn)速會相應(yīng)的變化。 整個過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速不變后，達(dá)到穩(wěn)o雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動機(jī)的過載能力，使電力拖動控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn) 速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)。 這種理想的起動過程如圖2.2所示。為實現(xiàn)在約束條件快速起動，關(guān)鍵是要有 一個使電流保持在最大值的恒流過程。根據(jù)反饋控

16、制規(guī)律，要控制某個量， 只要引入這個量的負(fù)反饋。因此采用電流負(fù)反饋控制過程，起動過程中，電 動機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負(fù)反饋；穩(wěn)定運行過程中， 要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋為主。采用轉(zhuǎn)速、 電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖2.3所示。圖2.2理想啟動過程參考雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)圖和一些電力電子的知識，采用機(jī)理分析法可以得到 雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.4所示。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng))(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(b)理想的快速起動過程圖2.5直流調(diào)速系統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)速啟動特性曲線雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程 ，因此在 分析雙閉環(huán)調(diào)速

17、系統(tǒng)的動態(tài)性能時 ，有必要先探討它的起動過程。雙閉環(huán)調(diào) 速系統(tǒng)在突加給定電壓Un*由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖2.5 所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分為三個階段，在圖中表以I、U和川。第I階段：0t1是電流上升階段。突加給定電壓 Un*后，通過兩個調(diào)節(jié) 器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，當(dāng)Id >Idl后，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。由 于電機(jī)慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會太快，因而ASR的輸入偏差電壓 ? Un=U n* Un數(shù)值較大并使其輸出達(dá)到飽和值 U*im，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。 當(dāng)Id=I dm時，UiU*

18、im ,電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使Id不再迅速增加,標(biāo)志著這 一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR 一般應(yīng) 該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第U階段：t1t2是恒流加速階段。這一階段是起動過程的主要階段。在 這個階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒流 給定U*im作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定（電流可能超調(diào)，也 可能不超調(diào)，取決于ACR的參數(shù)），因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線 性增加。又Udo=Rdld+C三n, n T- Udo T-Uct T，這樣才能保持ld=cont。由 于ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性

19、增長，其輸入偏差電壓Ui=U*i-Ui 必須維持一定的恒值，也就是說，Id應(yīng)略低于Idm。此外還應(yīng)指出，為了保證 電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時整流裝置的最大電流 Udom也須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和，這都是設(shè)計 中必須注意的。第川階段：t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。此時n=n *，Un=U *n， AUn=0，但由 于積分作用，U*i=U *im，所以電動機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速必超調(diào) 當(dāng)n>n*時，AUn<0，使ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓 U*i迅速下降，Id也迅速下降。但由于ld> Idi，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)

20、速仍繼續(xù)增加 當(dāng)Id= Idi時，T=Tl，n達(dá)到最大值（t3時刻）。此后，電動機(jī)在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流Id也出現(xiàn)一段小與IdL的過程，直到穩(wěn)定。在這最后 的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是力圖使Id盡快地跟隨ASR的 輸出量U*i，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有三個特點：1飽和非線性。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)。2準(zhǔn)時間最優(yōu)控制階段屬于電流受限制條件下的最短時間控制 。采用 飽和非線性控制方法實現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制是一種很有使用價值的控制策略，在各

21、種多環(huán)系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。3轉(zhuǎn)速必超調(diào)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電 壓AUn為負(fù)值，才能使ASR退飽和。這就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必超調(diào)。2.1.5 PWM變換器介紹脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單 極式等多種電路。下面分別對各種形式的PWM變換器做一下簡單的介紹和分 析。不可逆PWM變換器分為無制動作用和有制動作用兩種。圖2.6 (a)所示為無制動作用的簡單不可逆PWM變換器主電路原理圖,其開關(guān)器件采用全控 型的電力電子器件。電源電壓Us 一般

22、由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控整流電路提供。電 容C的作用是濾波，二極管VD在電力晶體管VT關(guān)斷時為電動機(jī)電樞回路提供釋放電儲能的續(xù)流回路(a)原理圖(b)電壓和電流波型圖2.6簡單的不可逆 PWM變換器電路電力晶體管VT的基極由頻率為f，其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓 Ub驅(qū)動。在一個開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)0<tWon時，Ub為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機(jī)電樞兩端；當(dāng)ton W WT時，Ub為負(fù)，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電動機(jī)電樞兩端的平均電壓為 Ud= Uston/T= pUs式中，p=U d/U 5=t on/T PWM電壓的占空比，又稱負(fù)載電壓系數(shù)。ton p的變化范圍

23、 在01之間，改變，P即可以實現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。圖2.6 (b)時電動 機(jī)電樞的脈沖端電壓Ud、平均電壓Ud和電樞電流id的波型。由圖可見，電流 是id脈動的，其平均值等于負(fù)載電流ldl=TL/Cm (Tl負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Cm 直 流電動機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比)。由于VT在一個周期內(nèi)具有開關(guān)兩種 狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在0 <t < ton期間U5=Rid+Ldi d/dt+E 在 ton<t<T期間 0=Ri d+Ldi d/dt+E 式中，R，L電動機(jī)電 樞回路的總電阻和總電感；E電動機(jī)的反電動勢。PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān) 頻率都較高，至少是14kH

24、z，因此電流的脈動幅值不會很大，再影響到轉(zhuǎn)速 n和反電動勢E的波動就更小，在分析時可以忽略不計，視n和E為恒值。這種簡單不可逆PWM電路中電動機(jī)的電樞電流iD不能反向，因此系統(tǒng)沒 有制動作用，只能做單向限運行，這種電路又稱為受限式”不可逆PWM電路 這種PWM調(diào)速系統(tǒng)，空載或輕載下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，系統(tǒng)的靜、動態(tài) 性能均差。圖2.7(a)動作用的不可逆PWM變換電路，該電路設(shè)置了兩個電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流的-id通路。這種電路 組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個象限中運行。VT1和VT2的基極驅(qū)動 信號電壓大小相等，極性相反，即Ub=-Ub2。

25、當(dāng)電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時，在 一個周期內(nèi)平均電流就為正值，電流id分為兩段變化。在0Wt<ton期間，Ub1為正，VT1飽和導(dǎo)通；Ub2為負(fù)，VT2截止。此時，電源電壓U5加到電動機(jī)電樞兩端,電流id沿圖中的回路1流通。在ton<T 期間，Ubi和Ub2改變極性，VT1截止，原方向的電流id沿回路2經(jīng)二極管VD2 續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給 VT2施加反壓，使VT2不可能導(dǎo)通。因此， 電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時，一般情況下實際上是電力晶體管 VT1和續(xù)流二極管 VD2交替導(dǎo)通，而VT2則始終不導(dǎo)通，其電壓、電流波型如圖2.7（b）所示, 與圖2-1沒有VT2的情況完全一樣。如果電動

26、機(jī)在電動運行中要降低轉(zhuǎn)速，可 將控制電壓減小，使Ubi的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使電動機(jī)電樞兩端 的平均電壓Ud降低。但是由于慣性，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n和反電動勢E來不及立 刻變化，因而出現(xiàn)Ud<E的情況。這時電力晶體管VT2能在電動機(jī)制動中起作 用。在ton <T期間，VT2在正的Ub2和反電動勢E的作用下飽和導(dǎo)通，由 E-Ud產(chǎn)生的反向電流-id沿回路3通過VT2流通，產(chǎn)生能耗制動，一部分能量 消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場能存儲在回路電感中，直到t=T為止。 在T<t Wton （也就是0 <t Wton ）期間，因Ub2變負(fù)，VT2截止，-id只能沿回路4 經(jīng)

27、二極管VD1續(xù)流，對電源回饋制動，同時在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受 反壓而不能導(dǎo)通。在整個制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，VT1始終截止， 此時電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電壓和電流波型圖2.7 （c）。反向電流的制動作用 使電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。圖2.7有制動作用的不可逆 PWM變換電路這種電路構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)還存在一種特殊情況，即在電動機(jī)的輕載電動狀態(tài)中，負(fù)載電流很小，在VT1關(guān)斷后（即ton0<T期間）沿回路2徑VD2的續(xù)流電流id很快衰減到零,如在圖2.7 (d)中的tonT期間的t2時刻。這 時VD2兩端的壓降也降為零，而此時由于Ub2為正，使VT2得以導(dǎo)通，反電 動勢E

28、經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流-id，產(chǎn)生局部時間的能耗制動作用。至打 0<twt°n期間，VT2關(guān)斷，-id又沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，到t=t 4時-id衰減到零， VT1在Ubi作用下因不存在而反壓而導(dǎo)通，電樞電流再次改變方向為-id沿回路 1經(jīng)VT1流通。在一個開關(guān)周期內(nèi)，VT1、VD1、VT2、VD1四個電力電子開 關(guān)器件輪流導(dǎo)通，其電流波形示圖2.7 (d )。綜上所述，具有制動作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動機(jī) 電樞回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實現(xiàn) 二象限運行，有較好的靜、動態(tài)性能。可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有 T型和H型

29、兩種，其基本電路如圖2.8所示，圖中2.8 (a) PWM變換器電路，(b)為H型PWM變換器電路。圖2.8可逆PWM變換器電路T型電路由兩個可控電力電子器件和與兩個續(xù)流二極管組成，所用元件少, 線路簡單，構(gòu)成系統(tǒng)時便于引出反饋，適用于作為電壓低于50V的電動機(jī)的可 控電壓源；但是T型電路需要正負(fù)對稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子 器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅 值為H型電路的一半。H型電路是實際上廣泛應(yīng)用的可逆 PWM變換器電路， 它由四個可控電力電子器件 （以下以電力晶體管為例）和四個續(xù)流二極管組 成的橋式電路，這種電路只需要單極性電源，所需電力電子

30、器件的耐壓相對 較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)電樞兩端浮地。第3章電路設(shè)計3.1 PWM （雙極式）主電路設(shè)計H型變換器電路在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式三種。 PWM逆變器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生 ，并采用大電 容Co濾波，以獲得恒定的直流電壓 Us。由于直流電源靠二極管整流器供電， 不可能回饋電能，電動機(jī)制動時只好對濾波電容充電 ，這時電容器兩端電壓 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)到允許值時接通 VTz。3.2雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控量進(jìn)行采樣，然后與給定值比較，決定 調(diào)節(jié)器的輸出

31、，反饋的關(guān)鍵是對被控量進(jìn)行采樣與測量。電流調(diào)節(jié)器由于電流檢測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間常數(shù)T°i=0.002s，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。為了平衡反饋信號的延遲， 在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時間上配合恰當(dāng)。圖3.1給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速反饋電路如圖3.2所示，由測速發(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間常數(shù)Ton=0.01s。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間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖3.2含給定

32、濾波與反饋濾波的 PI型電轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.3信號產(chǎn)生電路本設(shè)計采用集成脈寬調(diào)制器SG3524作為脈沖信號發(fā)生的核心元件。根據(jù) 主電路中IGBT的開關(guān)頻率，選擇適當(dāng)?shù)腞t、Ct值即可確定振蕩頻率。電路中 的PWM信號由集成芯片SG3524產(chǎn)生，SG3524采用是定頻PWM電路QIP-16 型封裝。由SG3524構(gòu)成的基本電路如圖3.3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，通過其電壓大小調(diào)節(jié)12、13引腳的輸

33、出脈沖寬度，實現(xiàn)脈寬調(diào)制變換器的功能實現(xiàn)IN- IN+ OSC OUT CURR LIM+ CURR LIM-RT0CTGND 1U1621531441351261171069REF OUT5 VCCEMIT 2COL 2COL 1EMIT 1SHUTDOWNj COMP圖3.3 SG3524管腳圖VccShutdOwjOSC OUT14REIF OUTCOTJIFCLJRR LlhflCOL 2CURB LIM-COL1EM T2=IMIT1i w 5 i wQulizvtG圖3.4 SG3524引腳接線圖“嚴(yán)- 諾旅満濟(jì):唇圧複爲(wèi)OSC| 5V;V;OO;C5；9 12 RIOkOI ec

34、亠I圖3.5 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：1W3.4 IGBT基極驅(qū)動電路原理工作原理如圖3.6所示、'”圖3.6 EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖EXB841系列驅(qū)動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)動輸出；腳4 :用于連接外部電容器，以防止過流保護(hù)電路誤動作；腳5 :過流保護(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 :不接；腳14、15 :驅(qū)動信號輸入(-,+);3.5基于EXB841驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路中V5起保護(hù)作用,避免EX

35、B841的6腳承受過電壓,通過VD1 檢測是否過電流,接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過流保護(hù)起控點,以降低 過高的保護(hù)閥值從而解決過流保護(hù)閥值太高的問題 。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)過電壓,Rge是防止IGBT誤導(dǎo)通針對EXB841存在保護(hù)盲區(qū)的問題,可如圖3.7所示將EXB841的6腳的 超快速恢復(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大一點的超快速恢復(fù)二極管或反向串聯(lián)一 個穩(wěn)壓二極管，也可采取對每個脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時間，避免IGBT過窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對EXB841軟關(guān)斷保護(hù)不可靠的問題 可以在EXB841的5腳和4

36、腳間接一個可變電阻，4腳和地之間接一個電容， 都是用來調(diào)節(jié)關(guān)斷時間，保證軟關(guān)斷的可靠性。針對負(fù)偏壓不足的問題，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），輸人信號被接到15 腳，EXB841正常工作驅(qū)動IGBT.圖3.7 EXB841驅(qū)動IGBT設(shè)計圖主要參數(shù)：電源電壓：20V 最大輸出功率：47mA最高工作頻率：10kHz3.6鋸齒波信號發(fā)生電路鋸齒波信號發(fā)生器SG的輸出信號Us與控制信號U*c在PWM轉(zhuǎn)換器(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

37、有UJT或者PUT構(gòu)成。UJT鋸齒波信號發(fā)生器基本電 路如圖3.8所示圖3.8鋸齒波信號發(fā)生電路第4章系統(tǒng)參數(shù)計算4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(1) 確定時間常數(shù)1) 整流裝置滯后時間常數(shù)：三相橋式電路的平均時空時間 Ts=0.0017S2) 電流濾波時間常數(shù)：三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms,為了基本濾平波頭，應(yīng)有(1-2)Toi=3.33ms,因此取 T°i=2ms=0.002s 。3) 電流環(huán)小時間常數(shù)之和T滬Ts+T°i=0.0037s。4) 電動勢系數(shù) Ce=(Udo-ld*Ra)/n=0.04, 轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cm=30Ce/3.14=0.38。5) 電機(jī)時間常數(shù) T

38、m=0.014Ra/375CeCm=0.084s。(2) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求：5<5%,電磁時間常數(shù)T1=La/Ra=0.0178s?？砂吹湫虸型設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，所以把電流調(diào) 節(jié)器設(shè)計成PI型的，其傳遞函數(shù)為 WACR(s)=Ki(t iS+1)/t iS式中Ki電流調(diào)節(jié)器的 比例系數(shù)；T 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能： Tl/T?i=0.0178/0.0037s=4 ,對于I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能,各項指標(biāo)都可以接 受。(3) 選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：ti=T 1=0.0178。電流環(huán)開環(huán)時間增益：要求crW

39、5%時應(yīng)取KiT滬0.5 ,因此 Ki=0.5/T 滬0.5/0.0037=135.1S -1。電流反饋系數(shù):背U*im/ 4rom=10/(1.5 X2.9)=2.3V/A ;a=U *nm/n nom =10/2400=0.004V/(r/mi n)。PWM裝置放大系數(shù)：Ks=4.8。ACR 的比例系數(shù)為:Ki=KItiR/ pKs=135.1 X0.0178 X3.4/(2.3 X4.8)=0.74(4) 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率:wci=Ki=135.1 -11) 檢驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件：3c01/3Ts,即 1/3Ts=1/(3 X0.0017)=196.1s -1&g

40、t; x 滿足近似條件;2) 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：。41 / TmTI即 3V1/ TmTl=3"/( 0.084 X 0.0178 =77.58s -1< 3。滿足近似條件；3) 小時間常數(shù)近似處理條件：3c01/3 Vl/TsToi即 1/3 Vl/TsToi=1/3 Vl/( 00017 X0.002=180s-1> g 滿足近似條件。4) 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻為R0=40K Q,各電阻和電容值計算如下R=KiRo=O.74 X40 K Q=29.6 K Q,C=t i/Ri=0.0178/(29.6 X103) X106 折=0.

41、6 ,Coi=4Toi/Ro=(4 X0.002)/(40 X103) X106pF=0.2 療。4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(1) 確定時間常數(shù)1) 電流環(huán)等效時間常數(shù)：2T習(xí)=2 X0.0037=0.0074s ;2) 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù):Ton=0.01s ；3) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理：T岔=2T w+T°m=0.0174s 。(2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則，在負(fù)載擾動點后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，還必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié)，因此需要 n由設(shè)計要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型u型系統(tǒng)一選用設(shè)計PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：WasR (s) =Kn(ts+1)/t ns(3) 選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取h 5，則ASR超前時間常數(shù)為tn=hT 羽=5 X0.0174s=0.087s ;轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：Kn=( h+1 )/(2h2P 藝 n)=6/(2 X 25 X0.01742)s-2=396.4s-2 ;ASR 的比例系數(shù):Kn=(h+1)兀eTm/(2h ORT刖)=(6 X2.3X0.04X0.084)/(2 X5 X3.4 X0.0174)=19.6。(4) 近似校驗轉(zhuǎn)速截止頻率為：3cn=Kz/3i=KNtn=39