版PWM直流調速系統(tǒng)方案

個人資料整理 僅限學習使用運動控制系統(tǒng) 期中作業(yè)——轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)專業(yè)：自動化班級：1102班姓名：魚輪學號：1106050218日期：2018年05月27日個人資料整理 僅限學習使用設計題目：轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)已知參數：某轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)采用橋式可逆 pwm變換電路供電。(1) 直流電動機:Unom=220V,I nom= 136A,nnom=1460r/min, 電樞電阻Ra=0.2Ω,允許過載倍數λ=1.5。電樞回路總電阻:R=0.5Ω。電樞回路總電感:L=10mH。電動機軸上的總飛輪力矩:GD2=22.5N·m2。設計要求:電流超調量σi≤5%,轉速無靜差?？蛰d起動到額定轉速的轉速超調量σn≤10%.個人資料整理 僅限學習使用 4 4 4 51.PWM -- 5--SG3525791215151616161717 1821. 21. 22個人資料整理 僅限學習使用一、引言在電氣時代的今天，電動機在工農業(yè)生產、人們日常生活中起著十分重要的作用。直流電機是最常見的一種電機，在各領域中得到廣泛應用。研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機調速問題一直是自動化領域比較重要的問題之一。不同領域對于電機的調速性能有著不同的要求，因此，不同的調速方法有著不同的應用場合。通過對于理論知識的學習，我們已經深刻的體會到閉環(huán)控制系統(tǒng)要優(yōu)于開環(huán)控制系統(tǒng)，然而更深入的學習我們又了解到電流-轉速反饋控制的直流調速系統(tǒng)是靜、動態(tài)特性優(yōu)良、應用最廣的直流調速系統(tǒng)，其性能受到各個領域的關注。那么，如何通過MATLAB仿真模擬，了解工作性能以及如何設計出滿足要求的調速系統(tǒng)，就是我們重點要掌握的一項技能。二、整體設計思路首先，從宏觀上考慮到的就是將一個系統(tǒng)分成各個部分來設計，大體包含主電路部分，控制電路部分，反饋電路部分，保護電路部分等設計等大體設計環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)又有各自詳細的設計思路，將會在各部分設計中體現。主變壓器主電路交電機執(zhí)行方流式電電路保護源控制器副變壓器控制電路三、系統(tǒng)構成和原理直流雙極式可逆 PWM調速系統(tǒng)的組成見圖 1。圖中可逆 PWM變換器主電路系采用MOSFET所構成的H型結構形式，它由四個功率MOSFET管和四個續(xù)流二極管組成的雙極式PWM可逆變換器，根據脈沖占空比的不同，在直流電機上可得到+或-的直流電壓。PWM變換器的作用是：用PWM調制的方法，把恒定的直流電源個人資料整理 僅限學習使用電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速。 TG 是與直流電動機連動的測速發(fā)電機，經過速度變換器 FBS后可獲得一反映轉速變化的速度反饋信號，此信號接入速度調節(jié)器ASR的反饋輸入端， G為電壓給定器，可提供正、負電壓，電壓大小可以調節(jié)。SG3525為脈寬調制器。 R1、C1、VD1、R2、C2、VD2 構成邏輯延時環(huán)節(jié)。二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，正常情況下，交流輸入為380V，經過整流后變?yōu)?220V直流電，電阻 R1為起動限流電阻,在VT1 和VT4的源極回路中，串接兩個取樣電阻，其上的電壓分別反映流過VT2、VT4的電流,經過差分放大輸出一反映電流大小的電壓，可作為雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流反饋信號，接到電流調節(jié)器ACR的輸入端?；芈分械碾娮鑂2有兩個作用。第一，可以用來觀察波形,其上的電壓波形反映了主回路的電流波形。第二，作為過流保護用。當R2的電壓超過整定值后，過流保護電路動作，關閉脈沖，從而保護功率MOSFET管。整個過程實現，從電網引入380V的電壓，一路經電流檢測電路，獲取與主電路電流成比例的電流信號，經過濾波整流后，作為電流反饋信號輸出至電流反饋端；另一路經整流為220V的電壓為電動機提供電源，220V的電壓經過橋式整流為直流電源。系統(tǒng)運轉后，通過與電動機同軸相連的測速電動機測出轉速，輸送轉速負反饋信號與給定比較，電流環(huán)中電流通過電流檢測電路實現電流信號的反饋。四、各電路設計模塊1、PWM主電路設計--橋式可逆直流脈寬調速系統(tǒng)1.1 按電路能否始終保持電流連續(xù)分為受限式和非受限式兩種，而按輸出電壓極性是否單一又分為單極性和雙極性兩種類型。圖1中裝置系統(tǒng)結構圖采用的是H型變換器。采用恰當的控制方式可讓其工作于雙極性非受限式的狀態(tài)下。功率開關管VT1和VT4同時導通和關斷，其驅動電壓Ug1=Ug4；VT2和VT3同時動作，其驅動電壓Ug2=Ug3=-Ug1。經分析易知，不論電流路徑如何，只要VT1和VT4上加的是正向的控制信號，電機電樞兩端電壓UAB=Us<Us指電容兩端電壓），只要VT2和VT3兩端加的是正向的控制信號，電機電樞兩端電壓UAB=-Us。設VT1開關周期為T，一個周期內VT1上所加正向控制信號的時間是ton，則電機電樞的平均電壓為：，如果定義占空比 ，電壓系數 ，則在雙極式可逆變換器中個人資料整理 僅限學習使用調速時， 的可調范圍為 0～1相應的 。當 時， 為正，電動機正轉；當 時， 為負，電動機反轉；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，不產生平均轉矩，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，消除正、負反向時的靜磨擦死區(qū)，使電機低速時有較好的動靜態(tài)特性。電樞電壓極性在每個周期內都是變化的，但是開關管的頻率做得很高，電機運行時由于慣性其轉速瞬間不會變化，再加上電樞電感對電流有濾波作用，所以電機轉速可以認為是穩(wěn)定的。但是這里的穩(wěn)態(tài)，指的是電機的平均電磁轉矩與負載轉矩相平衡的狀態(tài)，電樞電流實際上是周期變化的，只能算是準穩(wěn)態(tài)。脈寬調速系統(tǒng)在準穩(wěn)態(tài)下的機械特性是其平均轉速與平均轉矩<電流）的關系。由圖可知：PWM變換器的直流電源由交流電網經不控的二極管整流器產生，并采用大電容 濾波，以獲得恒定的直流電壓 。由于電容容量較大，突加電源時相當于短路，勢必產生很大的充電電流，容易損壞整流二極管，為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間傳入電阻Rz，合上電源后，用延時開關將Rz短路，以免在運行中造成附加損耗。1.2元器件選擇選取晶閘管作為三相橋式全控整流開關器件。材料的選取：在選取晶閘管時，對于額定參數是要求很高的。晶閘管的額定電壓是指斷態(tài)重復峰值電壓和反向重復峰值電壓的較小值。考慮到電源電壓的波個人資料整理 僅限學習使用動及過電壓保護等因素，選用時額定電壓為承受峰值電壓的

2~3

倍。即：UTN=<2~3）UTM其中

UTN為晶閘管的額定電壓，

UTM為晶閘管實際所承受的峰值電壓，

<2-3）為安全裕量。1.2.1. 晶閘管的額定電流的選擇晶閘管的額定電流是按電流的平均值標定的，元件的電流有效值定額是其通態(tài)平均電流值的 1.57倍。I=1.57I Ta <1-2）ITa為通態(tài)平均電流值。而 ITa為ITa=<1.5-2）I/1.57(1-VT3>其中IVT為晶閘管實際通過電流的有效值。在主電路中使用變壓器將交流 380V降為24V,經過計算 UTN為134V，I 為20A.所以晶閘管我們選擇為 KP20-2E.1.2.2二極管的選擇D1-D6我們選擇IN5822，圖中從電網到 D1-D6所組成的整流電路中需要一個電流互感器。IN5822的參數為：VRRM=40V。VRMS=28V。I FMS=80A。IO=3A2、控制電路---基于SG5255為核心構成的控制電路的設計<1）SG3525芯片的內部結構及工作原理SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅動為推拉輸出形式，增加了驅動能力；內部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護功能，頻率可調，同時能限制最大占空比。個人資料整理 僅限學習使用SG3525采用恒頻脈寬調制控制方案 ,適合于各種開關電源,斬波器的控制。其內部包含精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器等,并含有欠壓鎖定電路,閉鎖控制電路和軟起動電路。采用集成芯片產生 PWM信號進行控制具有線路較為簡單，易于控制，無需編程等特點，是目前 PWM常用的方法。美國硅通公司的 SG3525A是性能優(yōu)良，功能齊全，通用性強的單片集成 PWM控制器。原理如下：基準電壓部分對內部供電，對外作為基準參考電壓；振蕩器產生近似的鋸齒波，鋸齒波的頻率由和振蕩器相連接的外接的電阻電容決定，同時對應于鋸齒波的下降沿產生一時鐘脈沖 CP；在時鐘脈沖 CP的作用下，分相器<T觸發(fā)器）的兩輸出端產生兩相位相反的方波信號，其頻率是鋸齒波頻率的一半；誤差放大器是差動輸入放大器，同相輸入端端2接給定電壓，閉環(huán)控制制時反向輸入端1接反饋電壓，端9和端1之間接入適當的反饋網絡構成調節(jié)器可滿足系統(tǒng)動靜特性的要求；外加于端9的信號和誤差放大器的輸出疊加于比較器的一反向輸入端，比較器的同相輸入端加振蕩器產生的鋸波信號，這樣比較器的輸出端產生PWM信號，改變外加于端9的信號或來自于端2的反饋信號或端1的給定信號均可改變PWM信號的占空比；內部PWM鎖存器可以使關閉更可靠；兩個輸出級結構是一樣的，門電路輸出上側為或非門，下側為或門，門電路的輸入A端，C端和D端所加的信號是一樣的，分別是欠壓鎖定輸出，時鐘脈沖CP和來自鎖存器的PWM信號，分相器的兩輸出端分別加到兩輸出級的門電路B端，由于分相器輸出兩相位相反的方波，所以芯片兩對外輸出端輸出的是兩波形一樣而相位相差180°的PWM信號，而且頻率是比較器產生的PWM信號的一半。另外此芯片還帶有閉鎖控制，軟起動，欠壓鎖定功能。本裝置結構圖中SG3525A的5、6、7管腳接上恰當的固定大小的電阻電容，以決定最終輸出的 PWM信號的頻率。管腳 9開環(huán)時加給定信號，閉環(huán)時加 ACR<或ASR）的輸出，9端所加電壓的大小決定PWM的占空比。定頻調寬控制方式。13端作為PWM信號的輸出端。（2）邏輯延時環(huán)節(jié)主電路功率開關管的控制所需要信號是對角上兩管控制信號相同，而同一橋臂上的控制信號相反。這樣主電路需要兩路互為反向的控制信號。SG3525的135所示。個人資料整理 僅限學習使用端的輸出信號作為一路信號，其經過一反向器后作為另一路信號即可滿足所需。雖然目前的工藝水平可以使電力電子半導體開關器件開關頻率做得很高，但其導通和關斷仍會占用一極短的時間，控制信號消失的瞬間并不意味著功率開關管就真正關斷。假如一功率開關管的控制信號剛消失的同時給同一橋臂另一功率開關管加控制信號很可能造成同一橋臂的兩管子同時導通而形成對電源短路。為了避免這種情況發(fā)生，設置了邏輯延時環(huán)節(jié)。邏輯延時環(huán)節(jié)的二極管使低電平信號或說負信號照樣通過R和C延遲高電平信號向后傳送的時間。這樣就可以保證一功率開關管可靠關斷后再給與其同一橋臂上的功率開關管加高電平信號，避免其同時導通。電路連接圖見圖3、電流環(huán)的設計在本次設計中，采用電流、轉速雙閉環(huán)構成的反饋，使電流環(huán)(ACR>作為控制系統(tǒng)的內環(huán)，轉速環(huán)(ASR>作為控制系統(tǒng)的外環(huán)，以此來提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。二者串級連接，即把轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換裝置UPE。從而改變電機的轉速。通過電流和轉速反饋電路來實現電動機轉速無靜差的運行?？驁D如下所示個人資料整理 僅限學習使用3.1電流環(huán)的設計電流調節(jié)器的作用是：對電網電壓波動起及時抗擾作用。啟動時保證獲得允許的最大電流<過大的起動電流、過載電流）。在轉速調節(jié)中，使電流跟隨其給定電壓變化。當電機過載甚至處于堵轉時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護作用。如果故障消失，系統(tǒng)能過自動恢復正常。選擇pwm開關頻率為8khz，Ks=44選用15V電路供電，則轉速反饋系數 α=0.01Vmin/r。電流反饋系數:3.1.1. 確定時間常數<1）整流裝置滯后時間常數 T平均失控時間電磁時間常數： = =0.01/0.5=0.02s機電時間常數： s<2）電流濾波時間常數 。<3）電流環(huán)小時間常數之和按小時間常數近似處理，取3.1.2. 選擇電流調節(jié)器結構根據設計要求

，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型

I

型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用

PI

型電流調節(jié)器。而且個人資料整理 僅限學習使用其傳遞函數為3.1.3 計算電流調節(jié)器參數電流調節(jié)器超前時間常數：電流環(huán)開環(huán)增益：要求 時，應取 ，因此于是，ACR的比例系數為3.1.4. 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率<1）校驗pwm裝置傳遞函數的近似條件 :現在， ,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： ?現在， , 滿足近似條件。<3）校驗電流環(huán)小時間常數近似處理條件 :現在，滿足近似條件。個人資料整理 僅限學習使用3.1.5. 計算調節(jié)器電阻和電容所用運算放大器取 Ro=40k?,各電阻和電容值計算如下，取, 取0.513μF, 取0.2μF按照上述參數，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為： ,滿足設計要求。由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時間常數 ，以濾平電流檢測信號為準。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。如下圖3.1.6所示含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調節(jié)器其中 為電流給定電壓， 為電流負反饋電壓， 為電力電子變換器的控制電壓.轉速環(huán)的設計轉速調節(jié)器的作用：能有效地消除轉速偏差，保持轉速恒定；當轉速出現較大偏差時，它能迅速達到最大輸出電壓，輸送給電流調節(jié)器，使電流迅速上升，實現快速響應。轉速反饋電路如圖 4.1所示，由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向個人資料整理 僅限學習使用紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時間常數 。根據和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上也加入相同時間常數的給定濾波環(huán)節(jié)。圖4.1含給定濾波與反饋濾波的 PI型轉速調節(jié)器4.1.1確定時間常數<1）電流環(huán)等效時間常數 ,取 ，則 =<2）轉速濾波時間本常數根據所用測速發(fā)電機紋波情況，取<3）轉速環(huán)小時間常數按小時間常數近似處理，取4.1.2. 選擇轉速調節(jié)器結構由于設計要求無靜差，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據動態(tài)要求，應按典型Ⅱ型系統(tǒng)設計轉速環(huán)。故ASR選用PI調節(jié)器，其傳遞函數為=4.1.3.計算轉速調節(jié)器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 ，則ASR的超前時間常數為個人資料整理 僅限學習使用轉速開環(huán)增益于是，ASR的比例系數為4.1.4檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率<1）電流環(huán)傳遞函數簡化條件為：現在， ，滿足簡化條件。（2）小時間常數近似處理條件：現在， ，滿足簡化條件。4.1.5.計算調節(jié)器電阻和電容取 ，則，取，取，取4.1.6.校核轉速超調量個人資料整理 僅限學習使用當h=5時， ；而因此能滿足設計要求。5、給定的設計在系統(tǒng)的整過實現過程中，需要一個穩(wěn)定的給定電壓。通常轉速給定電路由滑動變阻器構成，調節(jié)滑動變阻器即可獲得相應大小的給定信號。轉速給定電路可以產生幅值可調和極性可變的階躍給定電壓或可平滑調節(jié)的給定電壓。圖5.1：轉速雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)給定電壓電路圖6、直流穩(wěn)壓電源的設計給定中電壓為直流穩(wěn)壓電源，其主要由整流電路和濾波電路組成。整流電路利用了二極管的單向導通作用進行整流工作。整流方式多樣，但考慮到橋式整流電路輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，整流效率高，因此采用橋式整流電路進行整流。圖6.1：±15V電源電路原理圖在上述電源的設計中主要采用7815,7915元件。7815為三端正穩(wěn)壓器電路,而7915為三端負穩(wěn)壓器電路。都為個人資料整理 僅限學習使用TO-220F封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應用范圍廣，內含過流、過熱和過載保護電路。由于一般的雙電源<正負對稱電源）都沒有連續(xù)可調的功能，給使用帶來一定程度上的不便。所以在此用一塊7815和一塊7915三端穩(wěn)壓器對稱連接，來獲得一組正負對稱的正負15V穩(wěn)壓電源。7、電動機電源設計為了給電動機供電，采用三相橋式全控整流電路。圖7.1 電動機電源電路原理圖轉速檢測電路設計轉速反饋電路由測速發(fā)電機測轉速，通過轉速變換器反饋相應電壓信號，然后將電壓信號反饋回轉速調節(jié)器ASR。轉速變換FBS用于在轉速反饋的調速系統(tǒng)中，反映轉速變化并把與轉速成正比的電壓信號,變換成適用于控制單元的電壓信號。電路圖如圖8所示。電流檢測電路設計電流反饋電路主要是采用霍爾，霍爾元件具有結構簡單、體積小、無活動部件，便于與測量電路一起作為霍爾傳感器。具體測量電路如見圖7所示，圖中控制電流有VCC提供，可以是直流也可以是交流電源，電位器R1是用來調節(jié)控制電流I的大小，R4是霍爾輸出電壓的負載電阻，通常是放大電路的輸入電個人資料整理 僅限學習使用阻。霍爾電壓一般為毫伏數量級，因而后面需要接差動放大器，霍爾電壓為線性量，因而該電路設計為線性型。驅動電路設計本脈寬調速裝置中主電路是強電，控制電路屬弱電。控制電路對主電路進行控制時就需要隔離環(huán)節(jié)。SG3525A產生的PWM信號較小，不能直接驅動大功率的開關管。所以要加上驅動環(huán)節(jié)。本裝置功率開關器件用的是MOSFET，可以選擇用專用的集成驅動芯片。IR2110是美國IR公司生產的高壓、高速PMOSFET和IGBT的理想驅動器。它兼有光耦隔離<體積?。┖碗姶鸥綦x<速度快）的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅動器件的首選品種。該芯片采用HVIC和閂鎖抗干擾制造工藝，集成DIP、SOIC封裝。IR2110具有獨立的低端和高端輸入通道：懸浮通道電源采用自舉電路，其電壓最高可達500V；功率器件柵極驅動電壓范圍10V~20V；輸出電流峰值為2A。邏輯電源范圍5V~20V，而且邏輯電源地和功率地之間允許+5V的偏移量；帶有下拉電阻的COMS施密特輸入端，可以方便地與LSTTL和CMOS電平匹配；獨立的低端和高端輸入通道，具有欠電壓同時鎖定兩通道功能。兩通道的匹配延時為10ns；開關通斷延時小，分別為120ns和90ns；工作頻率達500kHz。其內部結構主要包括邏輯輸入，電平轉換及輸出保護等。11.保護電路設計過電壓保護閘管的過電壓保護：晶閘管的過電壓能力比一般的電器元件差，當它承受個人資料整理 僅限學習使用超過反向擊穿電壓時，也會被反向擊穿而損壞。如果正向超過管子的正向轉折電壓，會造成晶閘管硬開通，不使電路可能出現過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護措施，如在電路中接入吸收能量的原件，使能量得以消散，或采用電子線路進行保護，以及在回路中接入快速熔斷器等。過電流保護晶閘管的過電流保護:在整流中造成晶閘管過電流的主要原因是：電網電壓波動太大負載超過允許值，電路中管子誤導通以及管子擊穿短路等。所以我們要設置保護，以避免損害管子。常見的過電流保護有：快速熔斷器保護，過電流繼電器保護，限流與脈沖移相保護，直流速開關過電流保護。 快速熔斷器保護是最有效，使用最廣泛的一種措施。橋臂串快熔，這是一種最直接可靠的保護；交流側快熔，直流側快熔，這兩種保護接法雖然簡單，但保護效果不好。 過電流繼電器保護中過電流繼電器開關時間長<約幾百毫秒）只有在短路電流不大時才有用。限流與脈沖移相保護電路保護比較復雜。直流快速開關過電流保護功能好，但造價高，體積大，不宜采用。 因此，最佳方案是選用快速熔斷器保護，并采用橋串快熔接法。五、仿真結果截屏顯示1.電流環(huán)在simulink 下的框圖：個人資料整理 僅限學習使用電流環(huán)對應仿真波形由圖可看出在KT=0.5時，基本無超調。轉速環(huán)在simulink下的框圖轉速環(huán)對應波形個人資料整理 僅限學習使用由仿真圖可看出，超調量在設計參數內，基本符合設計要求。雙閉環(huán)的實現：從仿真得到的結果中可以看到，采用PI調節(jié)器設計