雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設計

電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設計報告PWM控制雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設計學院：信息工程學院學號：專業(yè)（方向）年級：學生姓名：揚州大學信息工程學院年月日目錄TOC\o"1-3"\h\u89581.課程設計任務書 1155112．課程設計技術報告 32.1方案確定3837 344392.1.1方案選定 344392.1.2橋式可逆PWM變換器工作原理 344392.1.3系統(tǒng)控制電路圖 644392.1.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)分析 644392.1.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 744392.2硬件結(jié)構(gòu) 944392.2.1主電路 944392.2.2泵升壓限制 1179202.3主電路參數(shù)計算及元件選擇 1244392.3.1整流二極管選擇 1244392.3.2絕緣柵雙極晶體管選擇 12275812.4調(diào)節(jié)器參數(shù)設計和選擇 1344392.4.1電流環(huán)的設計 1344392.4.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設計 1644392.4.3反饋單元 182.5系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3837 192.6系統(tǒng)仿真 140413．心得體會 204.參考資料1、課程設計任務書1.1、題目PWM控制雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設計1.2、設計目的和意義（1）、通過對電力拖動控制系統(tǒng)的設計，了解電力電子、自動控制原理及電力拖動自動控制系統(tǒng)課程所學內(nèi)容，初步具備設計電力拖動自動控制系統(tǒng)的能力，為今后從事技術工作打下必要的基礎。（2）、運用《電力拖動控制系統(tǒng)》的理論知識設計出滿足任務書要求的直流調(diào)速系統(tǒng)，通過建模、仿真驗證理論分析的正確性。1.3、技術數(shù)據(jù)（1）、他勵直流電動機的參數(shù)：電樞電阻Ra=1.64，電樞回路總電感L=10.2mH，額定電流=6A，額定電壓=110V。額定轉(zhuǎn)速n=1000r/min，電流過載倍數(shù)λ=2。勵磁電壓110V，勵磁電流0.4A。轉(zhuǎn)動慣量,磁場與電樞互感2.17。（2）、電樞回路總電阻R=2Ω,調(diào)速系統(tǒng)的最小負載電流=1A。（3）、主電源：可以選擇單相交流220V供電；（4）、穩(wěn)定指標，無靜差。動態(tài)指標，（5）、空載起動到額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速超調(diào)量（6）、給定電壓最大值為±10V。1.4、設計任務（1）總體方案的確定；（2）主電路原理及波形分析、元件選擇、參數(shù)計算；（3）系統(tǒng)原理圖、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖；（4）電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)的設計；（5）根據(jù)電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)構(gòu)建仿真模型；（6）進行MATLAB仿真；2、課程設計技術報告2.1、方案確定2.1.1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)電機轉(zhuǎn)速，達到設計要求?？傮w方案簡化圖如圖1所示。ASRASRACRPWM|βR1/Ce|αUn*Ui*nId--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。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兩端電壓的極性隨開關器件驅(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。圖3PWM變換器的驅(qū)動電壓波形他們的關系是：。在一個開關周期內(nèi)，當時，晶體管、飽和導通而、截止，這時。當時，、截止，但、不能立即導通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時。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，，則的平均值為正，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，，平均輸出電壓為零，則電動機停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比，電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時，的可調(diào)范圍為0～1相應的。當時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當時，為負，電動機反轉(zhuǎn)；當時，，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而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，每個開關器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。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，因而機械特性關系式比較簡單，電壓平衡方程如下.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，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)時應為零。于是其平均值方程可以寫成則機械特性方程式雙閉環(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)靜特性的關鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和——輸出達到限幅值；不飽和——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，相當與使該調(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)器飽和與不飽和兩種情況。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)速與輔助被調(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.圖5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.2、硬件結(jié)構(gòu)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：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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、控制電路、給定電路、顯示電路組成。如圖6為雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。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?？赡鍼WM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖7為橋式可逆PWM變換器。這時電動機M兩端電壓Uab的極性隨開關器件驅(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PWM變換器。雙極性控制的橋式可逆PWM變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。圖7橋式可逆PWM變換器圖8為雙極式控制時的輸出電壓和電流波形。相當于一般負載的情況，脈動電流的方向始終為正；相當于輕載情況，電流可在正負方向之間脈動，但平均值仍為正，等于負載電流。圖8雙極式控制時的輸出電壓和電流波形雙極性控制可控PWM變換器的輸出平均電壓為轉(zhuǎn)速反饋電路如圖9所示，由測速發(fā)電機得到的轉(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)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，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9轉(zhuǎn)速反饋電路2.2.2當脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機減速或停車時,儲存在電機和負載傳動部分的動能將變成電能，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和開關管VT組成的泵升電壓限制電路，用R來消耗掉部分動能。R的分流電路靠開個器件VT在泵升電壓達到允許數(shù)值時接通。2.3、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、功率開關管IGBT的選擇及各種保護裝置的計算和選擇等。2.3.1整流二極管的選擇根據(jù)二極管的最大整流平均和最高反向工作電壓分別應滿足：（A）（V）選用大功率硅整流二極管，型號和參數(shù)如下所示：型號額定正向平均電流（A)額定反向峰值電壓URM（V)正向平均壓降（V)反向平均漏電流（mA)散熱器型號ZP10A10200~20000.5~0.76SZ14在設計主電路時，濾波電容是根據(jù)負載的情況來選擇電容C值，使RC（3~5）T/2，且有（V)，即C15000uF故此，選用型號為CD15的鋁電解電容，其額定直流電壓為400V，標稱容量為22000uF。2.3.2絕緣柵雙極晶體管的選擇最大工作電流 Imax≈2Us/R=2*122/2=122(A)集電極－發(fā)射極反向擊穿電壓≥(2～3)Us=244～366v2.4、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。2.4.1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=1.64，電樞回路總電感L=10.2mH，額定電流=6A，額定電壓=110V。調(diào)速系統(tǒng)的最小負載電流=1A，電源電壓=122V。nN=1000r/min，電樞回路總電阻R=2Ω,電流過載倍數(shù)λ=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（1）脈寬調(diào)制器和PWM變換器的滯后時間常數(shù)與傳遞函數(shù)的計算開關頻率f選為4.4kHz。于是開關周期脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)為于是可得脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)為（2）電流濾波時間常數(shù)取0.5ms（3）電流環(huán)小時間常數(shù)根據(jù)設計要求，，而且因此可以按典型I型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為要求時，應取，因此又于是（1）要求，現(xiàn)。（2）要求，現(xiàn)。（3）要求，現(xiàn)?？梢娋鶟M足要求。取=40k，則，取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為，故滿足設計要求。確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為（2）取轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)（3）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)，ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為圖11速度環(huán)結(jié)構(gòu)圖選擇ASR參數(shù)取h=5，則則校驗近似條件（1）要求，現(xiàn)。（2）要求，現(xiàn)可見均能滿足要求。計算ASR電阻和電容取，則，取1440，取0.1檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時，，而，因此可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足要求。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。2.4.3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=23.1W，U=110V，I=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，其電流約為額定值的20%，這樣，測速發(fā)電機電樞壓降對檢測信號的線性度影響較小。測速發(fā)電機工作最高電壓測速反饋電位器阻值此時RP2所消耗的功率為為了使電位器溫度不要很高，實選瓦數(shù)應為消耗功率的一倍以上，故選RP2為4W，取2000。電流檢測單元本系統(tǒng)要求電流檢測不但要反映電樞電流的大小而且還要反映電流極性，所以選用霍爾電流傳感器。2.5系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖12所示。圖12系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電流顯露出來。電機的啟動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了飽和、退飽和、不飽和三種狀態(tài)。2.6系統(tǒng)仿真系統(tǒng)空載啟動并在2.5s加載情況下的仿真圖如圖所示，仿真波形如圖所示。系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)仿真如圖15所示。圖15電機正反轉(zhuǎn)時仿真圖圖16上圖電流波形，下圖轉(zhuǎn)速波形圖17上：給定電流，中：電流轉(zhuǎn)速，下：電流調(diào)節(jié)器輸出從圖16可以看出，帶載啟動時轉(zhuǎn)速到達穩(wěn)態(tài)時間比空載時長，系統(tǒng)從正轉(zhuǎn)啟動到反轉(zhuǎn)運行過程中，圖16表示的轉(zhuǎn)速和電樞電流對轉(zhuǎn)速給定Un*的響應波形。在仿真中取電流的過載倍數(shù)為2，因此電機的正轉(zhuǎn)啟動和制動、反轉(zhuǎn)啟動過程中始終保持著最大電流12A左右。在正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達到額定值1000r/min后，電流絕對值下降為6A左右。圖17給出了電流給定波形、電流反饋波形和電流調(diào)節(jié)器輸出波形，圖18為速度給定信號、速度反饋波形和速度調(diào)節(jié)器輸出波形。圖17中電流調(diào)節(jié)器輸出信號Ucd的波動反映了電流調(diào)