雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)計

1、FUJIAN AGRICULTURE AND FORESTRY UNIVERSITY雙閉環(huán)可逆直流脈寬PW調(diào)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(nóng)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(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)分析 62.1.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 72.2 硬件結(jié)構(gòu) 92.2.1 主電路 92.2.2 泵升壓限制 112.3 主電路參數(shù)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(diào)節(jié)器參

2、數(shù)設計和選擇 132.4.1 電流環(huán)的設計 132.4.2 轉(zhuǎn)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(diào)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(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(jīng)歷從“機械負載的調(diào)速性能（動、靜）一電機 參數(shù)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(shù) 整定一直到理論實現(xiàn)要求一硬件設計一制版、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(guān)管 IGBT構(gòu)成H型雙極式控制可逆PWM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、機械負載為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載，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

4、習題集【 4-19 】（P96）=1000r/min ，電樞回 路總電阻R=2Q ,電流過載倍數(shù)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(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）控制電路設計、原理分析、主要元件、參數(shù)的選擇；e）調(diào)節(jié)器、PW信號產(chǎn)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(jīng)查出，按不及格處理。2、報告字數(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(shù)王兆安黃俊機械工業(yè)出版社2000.1交直流調(diào)速課程設計說明書一、方案確定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)器和電流調(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

6、，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(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(zhuǎn)速 負反饋，不讓電流負反饋發(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。2.1.2 橋式可逆PWM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

7、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2所示。這是電動機M兩端電壓UAB的極性隨開關(guān)器件驅(qū)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(qū)動電壓波形如圖3所示。Ugltton_ Ug3Tt1t*Ug4OUg2O圖3 PWM變換器的驅(qū)動電壓波形他們的關(guān)系是：Ugl二Ug4 - Ug2 - Ug3。在一個開關(guān)周期內(nèi)，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(jīng)VD

8、2、VD3續(xù)流，這時Uab 。Uab在一個周期內(nèi)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(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)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(zhuǎn)當正脈沖較窄時，則反轉(zhuǎn)；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(shù)則在雙極式可逆變換器中-1調(diào)速時,的可調(diào)范圍為01相應的 =-1 1。當T ,丄時， 為正，電動機21 1正轉(zhuǎn)；當2時，為負，電動機反轉(zhuǎn)；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(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 通。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(shù)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(qū)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(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）及和主電路相隔離的電壓/電流檢測回路、驅(qū)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(zhuǎn)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(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UEdL EWton） 按電壓平衡方程求一個周期內(nèi)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(nèi)的電壓都是Ud =*Us，平均電流用Id表示，平均轉(zhuǎn)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(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

12、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：飽和一一輸出 達到限幅值；不飽和一一輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸 入量的變化不再影響輸出，相當和使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(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4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)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜 特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)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(diào)節(jié)器輸入端的 缺點，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速和輔助被調(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

13、 二作為設計的最終方案。如圖5為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理.電疣檢測TA轉(zhuǎn)速環(huán)圖“5 “ K閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理I圖硬件結(jié)構(gòu)雙閉雙閉 調(diào)節(jié)，系統(tǒng) 為雙閉環(huán)直點:屮央F由主電路、檢測:流 rpwM調(diào)速系-的 UPE 是直流PWM功率T發(fā)變奐器。系統(tǒng)的特、轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)圖|PWM成 _ 現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流組成。如圖6IBS圖6 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。可逆PWMS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(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(diào)節(jié)器參數(shù)設計和選擇調(diào)節(jié)器工程設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。設計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)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(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)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)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(diào)速系統(tǒng)，采用寬調(diào)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(diào)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(shù) 入=2。如圖10為電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖圖10電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖241.1確定時間常數(shù)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(diào)制器和PWM變換器的滯后時間常數(shù)Tpwm和傳遞函數(shù)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(shù)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(qū)動系數(shù)，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(qū)動系數(shù)，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(guān)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(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1Tpwm0.23ms脈寬調(diào)制器和PWM變換器

18、的放大系數(shù)為UdKpwm 二10于是可得脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)為UiWPWM (S)KPWM11 Tpwms + 10.00023s+1(2) 電流濾波時間常數(shù) Toi取0.5ms(3) 電流環(huán)小時間常數(shù)TuTpwim T o0. 2 3ms 0. 5ms 0. 7ms 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)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(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為Wacr(s)is241.3選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)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(shù)，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(zhuǎn)速環(huán)的設計2.421確定時間常數(shù)(1) 電流環(huán)等效時間常數(shù)為2T=273.97scn 5 0.00073 0.73=.14用(2) 取轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)口 =.05S(3) T2T7 Ton =0.00146s 0.005s = 0.00646s ASR結(jié)構(gòu)設計根據(jù)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(zhuǎn)速環(huán)，ASRss + 1WASR(s) = Kn選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為S選擇ASR參數(shù)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(zhuǎn)速超調(diào)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(zhuǎn)速超調(diào)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(zhuǎn)速的過渡過程時間可見能滿足設計要求反饋單元 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=23.1WU=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