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(jì)

電力拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)時(shí)間：2021.03.09創(chuàng)作：歐陽(yáng)法題目：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(hào)：U201311856班級(jí)：電氣1303指導(dǎo)老師：徐偉課程評(píng)分：日期：2016-07-10目錄一、設(shè)計(jì)目標(biāo)與技術(shù)參數(shù)二、設(shè)計(jì)基本原理（一）調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)（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(jì)算和元件選擇（八）調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)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(yàn)證設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)目標(biāo)如下：額定電壓：UN=220V；額定電流：IN=136A;額定轉(zhuǎn)速：nN:=1460r/min；電樞回路總電阻：R=0.45O;電磁時(shí)間常數(shù)：Tl=0.076s;機(jī)電時(shí)間常數(shù)：Tm=0.161s；電動(dòng)勢(shì)系數(shù)：Ce=0.132V*min/r；轉(zhuǎn)速過(guò)濾時(shí)間常數(shù)：Ton=0.01s；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a=0.01V*min/r;允許電流過(guò)載倍數(shù)：=1.5；電流反饋系數(shù)：=0.07V/A;電流超調(diào)量：oiW5%；轉(zhuǎn)速超調(diào)量："W1O%；運(yùn)算放大器：RO=4KO;晶體管PWM功率放大器：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(jì)基本原理（一）調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)在電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的理論課學(xué)習(xí)中已經(jīng)知道，采用PI調(diào)節(jié)的單個(gè)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中不能隨心所欲的控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。如圖2-1所示。圖2-1直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)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(duì)成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對(duì)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(shí)也兼顧了啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在啟動(dòng)過(guò)程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最佳過(guò)渡過(guò)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(jì)要求。直流PWM控制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別在于用直流PWM變換器取代了晶閘管變流裝置。（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(dòng)機(jī)M兩端電壓兀的極性隨開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。圖2-3橋式可逆PWM變換器電路

雙極式控制可逆PWM變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖2-4所示。圖2-4PWM變換器的驅(qū)動(dòng)電壓波形他們的關(guān)系是：U二U =-U =-Ugl g4 g2 g3。在一個(gè)開(kāi)關(guān)他們的關(guān)系是：U二U =-U =-Ugl g4 g2 g3。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0<t<ton叵］截止，這時(shí)u但時(shí)，晶體管VT、飽和導(dǎo)通而Vt|、時(shí)，vt、叵］截止,經(jīng)IVD］、VD續(xù)流,=U-AB sVT1t<t<T—on 叵］、叵］不能立即導(dǎo)通，電樞電流廠。互在一個(gè)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這時(shí)U =-U—AB sUd-I所示。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，It〉TI，則廠的平均值為on2 AB-I正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等‘LJ，平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時(shí)，門的可調(diào)范圍為0?1相應(yīng)的遷己~刊。當(dāng)m時(shí)，石為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)卜＜21時(shí)，門為負(fù),電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)卜=2時(shí)，”=o|，電動(dòng)機(jī)停止。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)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(gè)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(dòng)機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：1） 電流一定連續(xù)。2） 可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行。3） 電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4） 低速平穩(wěn)性好，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)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)系式比較簡(jiǎn)單，電壓平衡方程如下U=Ri+Ldtd+E（0<t<t）.sddt 心按電壓平衡方程求一個(gè)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(gè)周期內(nèi)的電壓都是

U=YU=YU—d s,平均電流用D表示，平均轉(zhuǎn)速，而電樞電感壓降L芻的平均值在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。于是其平dt]均值方程可以寫成則機(jī)械特性方程式（四） 雙閉環(huán)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——輸出達(dá)到限幅值；不飽和——輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，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(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是為零。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(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，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)，實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測(cè)。由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)，系統(tǒng)由主電路、檢測(cè)電路、控制電路、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(guò)直流PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動(dòng)機(jī)供電。檢測(cè)回路：包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測(cè)。電壓電流和溫度檢測(cè)由A/D轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)；轉(zhuǎn)速檢測(cè)用數(shù)字測(cè)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(duì)電壓、電流和溫度等信號(hào)進(jìn)行分析比較，若發(fā)生故障立即通知微機(jī)進(jìn)行故障診斷，以便及時(shí)處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。這也是才用微機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)所在。（六）泵生電壓限制當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)減速或停車時(shí),儲(chǔ)存在電機(jī)和負(fù)載傳動(dòng)部分的動(dòng)能將變成電能，并通過(guò)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(duì)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(shí)，可以采用由分流電阻R和開(kāi)關(guān)管VT組成的泵升電壓限制電路，用R來(lái)消耗掉部分動(dòng)能。R的分流電路靠開(kāi)個(gè)器件VT在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通。七）主電路參數(shù)計(jì)算和元件選擇主電路參數(shù)計(jì)算包括整流二極管計(jì)算，濾波電容計(jì)算、功率開(kāi)關(guān)管IGBT的選擇及各種保護(hù)裝置的計(jì)算和選擇等。（1）整流二極管及濾波電容的計(jì)算根據(jù)二極管的最大整流平均g和最高反向工作電壓可分別應(yīng)滿足：I>l.lxI十2沁1.1X6/2二3.3 (A)f o(AV)U>1.1xj2XU二1.1xj2X110二171（V）I_R —2 1選用大功率硅整流二極管，型號(hào)和參數(shù)如下所示型號(hào)額定正向平均電流叮（A）額定反向峰值電壓URM（V）正向平均壓降叩（V）反向平均漏電流HR（mA）散熱器型號(hào)ZP10A10200~20000.5?0.76SZ14在設(shè)計(jì)主電路時(shí)，濾波電容是根據(jù)負(fù)載的情況來(lái)選擇電容C值，使RC口(3~5)T/2，且有U 0.91100.9594|(V)dmax2C1.50T52],即C[]15000uF故此，選用型號(hào)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(jì)算最大工作電流Imaxu2Us/R=440/0.45=978(A)(BV)CEO(BV)CEO集電極－發(fā)射極反向擊穿電壓3)Us=440—660v(八)調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，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(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。電流環(huán)的設(shè)計(jì)下圖2-7為電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖圖2-7電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖I.確定時(shí)間常數(shù)PWM裝置滯后時(shí)間常數(shù)：TS=0.0017so電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi取0.002s。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)TEio按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取TEi=TS+Toi=0.0037soII選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，bi%J5%|，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可以按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)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)為檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：T/T一=0.076/0.0037=20.54<30，參照典型［型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)I_l^4 1抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。III計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：F=T=0.076s|oIil I電流開(kāi)環(huán)增益：要求0；%J5%|時(shí)，應(yīng)取KT三；=0.51,因此于是檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：b二K二135.14s_iICi—I 1（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） 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件滿足近似條件。（3） 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。V計(jì)算ACR的電阻和電容取R0=4k[^]，則R=KR=2.84x4=11.36kQ|,取R=12kQ ii——0—— 1 iI按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為bj二4.3%<5%|，故滿足設(shè)計(jì)要求。（2）轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)下圖2-8為轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖簡(jiǎn)化。圖2-8轉(zhuǎn)速環(huán)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理I確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI。已取KI町=0.5，則（1） IxJ（2）取轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton。取Ton=0.01s。(3)轉(zhuǎn)速環(huán)最小時(shí)間常數(shù)可。按小時(shí)間常數(shù)近似處—Xn理，取選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差及其他動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求，按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)，ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為選擇ASR參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為則轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益于是，ASR的比例系數(shù)為校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為滿足簡(jiǎn)化條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為滿足近似條件。計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取R=4kQ|，貝U0R二KR二10.49X4k0二41.96k0,取42kQ；nn0 I 1 1C二知二0.087X106pF二2.07pF，取2rF；

nR 42x103 _ n

4T 4x0014T 4x001C二-^on二- X106pF二10pFonR 4X1030—檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表得，口=37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于這是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，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(jì)算超調(diào)量。設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)z=0。按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，而因此可見(jiàn)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)建Model文件如下圖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)器的子模型如下圖3-2和圖3-3所示：圖3-2ASR調(diào)節(jié)器模型圖3-3ACR調(diào)節(jié)器模型仿真參數(shù)：Ton=0.01sToi=0.002sTS=0.0017sTl=0.076sTm=0.161sa=O.OO70=O.O5Ce=O.132ACR:IKp=2.84|丄=K=284=37.31KT0.076 i i ASR：IKp=10.49|丄=K=1049=120.46KTn0.087 i （二）重要仿真結(jié)果（目的為驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性）仿真結(jié)果如下圖3-4和圖3-5所示：圖3-4電流響應(yīng)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)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(gè)階段。與該電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相比，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的工作情況。本次課程設(shè)計(jì)終于完成了，從最初的略微了解雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)到現(xiàn)在徹底弄清楚細(xì)節(jié)之處，著實(shí)耗費(fèi)了一些功夫，但是在整個(gè)課設(shè)過(guò)程中，自己得到的收獲也是非常的大。不僅是對(duì)于電力拖動(dòng)有了更深層次的理解，還能夠?qū)⒄n堂上學(xué)