直流電機(jī)的PWM電流速度雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計

1、電力拖動課程設(shè)計題目：直流電機(jī)的PWM電流速度雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)姓名：趙強(qiáng)學(xué)號:U202111856班級：電氣1303指導(dǎo)老師：徐偉課程評分：日期：2021-07-10目錄一、設(shè)計目標(biāo)與技術(shù)參數(shù)二、設(shè)計根本原理一調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計二橋式可逆PWM變換器的工作原理三雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析四雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)框圖五雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路六泵升電壓限制七主電路參數(shù)計算和元件選擇八調(diào)節(jié)器參數(shù)計算三、仿真一仿真原理含建模及參數(shù)二重要仿真結(jié)果目的為驗證設(shè)計參數(shù)的正確性四、結(jié)論參考文獻(xiàn)附錄1:調(diào)速系統(tǒng)總圖附錄2:調(diào)速系統(tǒng)仿真圖一、設(shè)計目標(biāo)與技術(shù)參數(shù)直流電機(jī)的PWM電流速度雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)如下：額

2、定電壓：Un=220V;額定電流：In=136A;額定轉(zhuǎn)速：nN：=1460r/min;電樞回路總電阻：R=0.45Q;電磁時間常數(shù)：T|=0.076s；機(jī)電時間常數(shù)：Tm=0.161s；電動勢系數(shù)：Ce=0.132V*min/r;轉(zhuǎn)速過濾時間常數(shù)：Ton=0.01s;轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù)a=0.01V*min/r;允許電流過載倍數(shù)：入=1.5;電流反應(yīng)系數(shù)：3=0.07V/A;電流超調(diào)量：biW5%轉(zhuǎn)速超調(diào)量：biW10%運(yùn)算放大器：R=4KQ;晶體管PWM1率放大器：工作頻率：2KHz;工作方式：H型雙極性.PWM變換器的放大系數(shù)：Ks=20.二、設(shè)計根本原理一調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計在電力拖動限制系統(tǒng)

3、的理論課學(xué)習(xí)中已經(jīng)知道,采用PI調(diào)節(jié)的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差.但是,如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高,例如要求快速起制動,突加負(fù)載動態(tài)速降小等等,單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)就難以滿足需要.這主要是由于在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中不能隨心所欲的限制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程.如圖2-1所示.山帶電流載I上負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程W理想.快速起動過W圖2-1直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法,雖然相對本錢較高,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(fù)

4、反應(yīng),沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng),不讓電流負(fù)反應(yīng)發(fā)揮主要作用,既能限制轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié),又能限制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過載水平的條件下獲得最正確過渡過程,很好的滿足了生產(chǎn)需求.直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2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)器白輸出去限制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,到達(dá)設(shè)計要求.與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)直流PWM!制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速限制系統(tǒng)的簡稱,別在于用直流PW限換器取代

5、了晶閘管變流裝置.yDT-2轉(zhuǎn)速.山流牧間嚇仃流調(diào)速系統(tǒng)骷構(gòu)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)W瑞ACR電位調(diào)IV鼎TG測逑發(fā)電機(jī)TA電流/遐滿UPE電力電/變換器二橋式可逆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(jī)轉(zhuǎn)速.橋式可逆PWM變換器電路如圖2-3所示.這是電動機(jī)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2-3橋式可逆PWM變換器電路雙極式限制可逆PWM變換器的四個驅(qū)動電壓波形如圖2-4所示.他們的關(guān)系Ug1Ug4tonUg2Ug3：Oton>一,那么Uab2的平均值為正

6、,電動機(jī)正轉(zhuǎn),當(dāng)正脈沖較窄時,那么反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等,tonT+二一,平2均輸出電壓為零,雙極式限制可逆那么電動機(jī)停止.PWM變換器的輸出平均電壓為Ud孕s/UsUg1=Uq4=Uq2=Ug3.在一個開關(guān)周期內(nèi),當(dāng)0MtMton時,晶gggAg3體管V、VT4飽和導(dǎo)通而VT3、VT2截止,這時Uab=Us.當(dāng)ton£t<T時,V、VT4截止,但VT3、VT2不能立即導(dǎo)通,電樞電流id經(jīng)VD2、VD3續(xù)流,這時Uab=-Us°Uab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2-4所示.如果定義占空比UdUs那么在雙極式可逆變換器中=2：

7、-1調(diào)速時,P的可調(diào)范圍為.、101相應(yīng)的¥=1+1.當(dāng)時不為正,電動機(jī)正電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)表達(dá)在驅(qū)動電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上.當(dāng)正脈沖較寬時,一11一轉(zhuǎn)；當(dāng)P<時,丫為負(fù),電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)P=時,0=0,電動機(jī)停止.但電動機(jī)停止22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(jī)的損耗這是雙極式限制的缺點(diǎn).但它也有好處,在電動機(jī)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.雙極式限制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：1電流一定連續(xù).2可使電動機(jī)在四象限運(yùn)行.3電動機(jī)

8、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.三雙閉環(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(jī)械特性關(guān)系式比擬簡單,電壓平衡方程如下Us=RidL也E0"ton.dtUs=RidEGMt：Tdt按電壓平衡方程求一個周期內(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=E/Ce,而電樞電感壓降di.Ld旦的平均值在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零.于是其平均值方程可以寫成dtUs=RIdE=RIdCen那么機(jī)械特性方程式CeUsn二Ce四雙閉環(huán)

9、直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-5,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：飽和一一輸出到達(dá)限幅值；不飽和一一輸出未到達(dá)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.匕I心圖2-5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(yùn)行時,電流調(diào)節(jié)器是不會到達(dá)飽和狀態(tài)的.因此,對于靜特性來說,只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況.五雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路雙閉環(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(diǎn)：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),

10、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、限制電路、給定電路、顯示電路組成.如圖2-6所示.圖2-6雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖卡.JiT.iffi'|空林主電路：三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源,再經(jīng)過直流PWMA/D轉(zhuǎn)換通變換器得到可調(diào)的直流電壓,給直流電動機(jī)供電.檢測回路：包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測.電壓、電流和溫度檢測由道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)；轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速光電碼盤故障綜合：利用微機(jī)擁有強(qiáng)大的邏輯判斷功能,對電壓、電流和溫度等信號進(jìn)行分析比較,假設(shè)發(fā)生故障立即通知微機(jī)進(jìn)行故障診斷,才用微機(jī)限制的優(yōu)勢所在.以便及

11、時處理,防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大.這也是(六)泵生電壓限制當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)減速或停車時,儲存在電機(jī)和負(fù)載傳動局部的動能將變成電能,并通過PWM變壓器回饋給直流電源.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來消耗掉局部動能.R的分流電路靠開個器件VT在泵升電壓到達(dá)允許數(shù)值時接通.(七

12、)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.(1)整流二極管及濾波電容的計算根據(jù)二極管的最大整流平均1f和最高反向工作電壓UR分別應(yīng)滿足：Ifa1.1mIo(av)+2%1.1m6/2=3.3(A)UR>1.V<V2xU2=1.1xv12x110=171(V)型號額定正向平均電流If(A)額定反向峰值電壓URM(V)正向平均壓降Uf(V)反向平均漏電流IR(mA)散熱器型號ZP10A1020020000.50.76SZ14選用大功率硅整流二極管,型號和參數(shù)如下所示：C值,使RC至(3-5)T/2,在

13、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且有Udmax=0.9父110M0.95=94(V)2C21.5M0.02,即C215000UF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)IGBT的計算最大工作電流Imax=2Us/R=440/0.45=978(A)集電極發(fā)射極反向擊穿電壓(BVceo)(BVceo)?(23)Us=440660V(八)調(diào)節(jié)器參數(shù)計算(1)調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法的根本思路先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu),以保證系統(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)限制系統(tǒng)的一般原那么是：從內(nèi)環(huán)開始,

14、一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)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)電流環(huán)的設(shè)計下列圖2-7為電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖圖2-7電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖1 .確定時間常數(shù)(1) PWM裝置滯后時間常數(shù)：Ts=0.0017s.(2)電流濾波時間常數(shù)Toi取0.002s.(3)電流環(huán)小時間常數(shù)Tsio按小時間常數(shù)近似處理,取T£i=Ts+Toi=0.0037SoII選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求,3%5%,并保證穩(wěn)態(tài)電流無差,可以按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器.電流環(huán)限制對象是雙慣性型的,因此電流調(diào)節(jié)器選用PI型,其傳遞函數(shù)為*Wacr(s

15、)二Kiis1is檢查對電源電壓白抗擾性能：Tl/T、=0.076/0.0037=20.54<30,參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能,各項指標(biāo)都是可以接受的.III計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：如=Tl=0.076s.電流開環(huán)增益：要求仃%<5%時,應(yīng)取K1Tz=0.5,因此于是Ki0.50.5Txi0.0037=135.14s"Ki=KiiR：Ks135.140.0760.21=2.840.0520IV檢驗近似條件電流環(huán)截止頻率：.ci=Ki=135.14s13Tss30.00171=196.08sci(1)脈寬調(diào)制變換器傳遞函數(shù)近似條件滿足近似條件.(2)忽略

16、反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件31=311s/=27.12s,二ciTmTl.0.1610.076滿足近似條件.(3)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件1=180.78s>ci11_113TsToi-310.00170.002滿足近似條件.V計算ACR的電阻和電容取R0=4k夏,那么Ri=KiR0=2.84M4=11.36kC,取R=12kCi0.0766,Ci=106F=6.33FRi12000Coi_4Toi一Ro40.0024103106F=2,F根據(jù)上述參數(shù),電流環(huán)可以到達(dá)的動態(tài)指標(biāo)為J=4.3%<5%,故滿足設(shè)計要求.(2)轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計下列圖2-8為轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖簡化.

17、圖2-8轉(zhuǎn)速環(huán)等效成單位負(fù)反應(yīng)系統(tǒng)和小慣性的近似處理I確定時間常數(shù)(D電流環(huán)等效時間常數(shù)1/K|.已取K|T予=0.5,那么12T%=20.0037=0.0064sKi(2)取轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton°取Ton=0.01so(3)轉(zhuǎn)速環(huán)最小時間常數(shù)Tno按小時間常數(shù)近似處理,取Tn-2TtTon=0.0074s0.01s-0.0174sII選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)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WASR(s)=KnnsIII選才?ASR參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原那么,取h=5,那么ASR的超前時間常數(shù)為.n=hT%n=50.

18、0174s=0.087s那么轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益h16aqKN2歹=2s-396.35s2hTn2250.0174是,ASR的比例系數(shù)為Kn(h1)匕氏2h：RTn60.2720.1320.161250.006672.850.0174=10.49IV校驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為cn=Knn=396.350.087=34.48s“(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為J,135"63.70s30.0037滿足簡化條件(2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為=38.74s,cn1K7_1135.143T°n-30.01$滿足近似條件.V計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取R=4kC,那么Rn=KnR0=10.4

19、9M4kC=41.96kC,取42kC；Cn=0.0873m106NF=2.07NF,取2NF;Rn4210Con:%二4-0.0m106nf=10Nf,取10NF.R4103VI檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時,查表得,仃n=37.6%,不能滿足設(shè)計要求.實際上,由于這是按線性系統(tǒng)計算的,而突加階躍給定時,ASR飽和,不符合線性系統(tǒng)的前提,應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量.設(shè)理想空載起動時,負(fù)載系數(shù)z=0.按ASR退飽和的情況計算超調(diào)量Cmax=nnTq二n%=(儂)2(-Z)NJCbnNTm當(dāng)h=5時,-2Cmax%=81.2%CbINR1360.45Ce0.132rmin=463.64rm

20、in因此463.640.0174二n%=81.2%21.5-8.36%；10%14600.161可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足要求.三、仿真一仿真原理含建模及參數(shù)在Matlab中進(jìn)入Simulink環(huán)境,創(chuàng)立Model文件如下列圖3-1所示:圖3-1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型上述PI調(diào)節(jié)器的子模型如下列圖3-2和圖3-3所示:ln.1SaturationOut1T/卜片丁由3TLimited圖3-2ASR調(diào)節(jié)器模型仿真參數(shù)：Tm=0.161sTon=0.01sToi=0.002sTs=0.0017sTi=0.076sa=0.0073=0.05Ce=0.132八1Kp2.84-ACR:Kp=2.84=p=3

21、7.31Kii0.076ASR:Kp=10.49Kr¥=120.46二重要仿真結(jié)果目的為驗證設(shè)計參數(shù)的正確性仿真結(jié)果如下列圖3-4和圖3-5所示：FileJools皿ewSimulationHelpReadyT=2000圖3-4電流響應(yīng)1n-XFileToolsViewSimulotionHelp二錨©口.1亭兩手話二圖3-5轉(zhuǎn)速響應(yīng)四、結(jié)論從仿真結(jié)果中可以看到,電動機(jī)的啟動過程經(jīng)歷了電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速超調(diào)后的調(diào)節(jié)三個階段.與該電動機(jī)的開環(huán)系統(tǒng)相比,電動機(jī)啟動電流大幅度下降,電流環(huán)發(fā)揮了調(diào)節(jié)作用,使最大電流限制在設(shè)定的范圍以內(nèi).修改調(diào)節(jié)器參數(shù),可以觀察在不同參數(shù)條件下雙閉環(huán)系統(tǒng)電流和轉(zhuǎn)速的響應(yīng),修改轉(zhuǎn)速給定,也可以觀察電動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時的工作情況.本次課程