运动控制系统课程设计双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

1、湖南工程学院 课 程 设 计 课程名称课程名称 运动控制系统 课题名称课题名称 可逆直流脉宽双闭环调速系统的设计 专专 业业 班班 级级 学学 号号 姓姓 名名 指导教师指导教师 2011 年年 9 月月 13 日日 湖南工程学院 课程设计任务书 课程名称课程名称： 运动控制系统 题题 目目：可逆直流脉宽双闭环调速系统的设计 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导老师： 审 批： 任务书下达日期 2011 年 09 月 13 日 课程设计完成日期 2011 年 09 月 23 日 设计内容与设计要求 一设计内容： 1 电路功能： 1）用脉宽调制方式实现直流电机调压调速。能实现双闭环的调节 和控制

2、，能实现可逆运行。 2） 电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：主电力电子 开关器件与续流管。控制电路主要环节：脉宽调制 pwm 电路、 电压电流检测单元、调节器，驱动电路、检测与故障保护电路。 3） 主电路电力电子开关器件采用 gtr、igbt 或 mosfet。 4） 系统具有完善的保护 2. 系统总体方案确定 3. 主电路设计与分析 1）确定主电路方案 2）主电路元器件的计算及选型 3）主电路保护环节设计 4. 控制电路设计与分析 1）检测电路设计 2）功能单元电路设计 3）调节控制电路参数确定 二设计要求： 1 设计思路清晰，给出整体设计框图； 2 单元电路设计，给出具体设计思路

3、和电路； 3 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分 析。 4 绘制总电路图 5 写出设计报告； 主要设计条件 1设计依据主要参数 1) 输入电压：（ac）220（1+15%）、输出电压：0300vdc 2) 最大输出电压、电流根据电机功率予以选择 3) 要求电机能实现双向无级调速，实现无静差调速。 4) 电机型号布置任务时给定 2. 可进行实验调试或仿真调试 说明书格式 1课程设计封面； 2任务书； 3说明书目录； 4设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）； 5单元电路设计（各单元电路图）； 6故障分析与电路改进、实验及仿真等。 7总结与体会； 8附录（完整的总电路图）；

4、9参考文献； 10、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周星期一:课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路方案确定 星期三:主电路设计 星期四:控制电路设计 星期五:控制电路设计； 第二周星期一: 控制电路设计 星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真 等 星期四五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午:答辩及资料整理 参 考 文 献 1陈伯时运动控制系统机械工业出版社，2008 2王兆安 黄俊电力电子技术（第 4 版）机械工业出版社，2000 3莫正康电力电子技术应用（第 3 版）机械工业出版社，2000 4郑琼林 耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，1996 5刘定建 朱丹霞实

5、用晶闸管电路大全机械工业出版社，1996 6刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，1995 7. 刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，1999 8. 刘星平. 运动控制系统实验指导书，校内，2009 9. 刘星平.一种新型双闭环直流脉宽调速系统的设计与应用。电气自动化。 2003.4 目 录 交直流调速课程设计说明书交直流调速课程设计说明书.1 一、方案确定一、方案确定.1 1.1 方案选定.1 1.2 桥式可逆 pwm 变换器的工作原理.2 1.3 系统控制电路图.5 1.4 双闭环直流调速系统的静特性分析.6 1.5 双闭环直流调速系统的稳态结构图.6 二、硬件结构二、硬件结

6、构.8 2.1 主电路.9 2.2 泵升电压限制.11 三、主电路参数计算和元件选择三、主电路参数计算和元件选择.12 3.1 整流二极管的选择.12 3.2 绝缘栅双极晶体管的选择.13 四、调节器参数设计和选择四、调节器参数设计和选择.14 4.1 调节器工程设计方法的基本思路.14 4.2 电流环的设计.14 4.3 确定时间常数.15 4.4 选择电流调节器结构.17 4.5 选择电流调节器参数.17 4.6 检验近似条件.17 4.7 计算 acr 的电阻和电容 .18 五转速环的设计五转速环的设计.19 5.1 确定时间常数.19 5.2 asr 结构设计.19 5.3 选择 as

7、r 参数.19 5.4 校验近似条件.19 5.5 计算 asr 电阻和电容.20 5.6 检验转速超调量.20 5.7 校验过渡过程时间.21 六六 反馈单元反馈单元.22 6.1 转速检测装置选择.22 6.2 电流检测单元.22 七七 系统总电路图系统总电路图.23 心得体会心得体会.24 交直流调速课程设计说明书交直流调速课程设计说明书 一、方案确定一、方案确定 1.1 方案选定方案选定 直流双闭环调速系统的结构图如图 1 所示，转速调节器与电流调节 器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流 调节器的输出去控制 pwm 装置。其中脉宽调制变换器的作用是： 用脉冲宽度调

8、制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、 宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以 调节电机转速，达到设计要求。 总体方案简化图如图 1 所示。 asracrpwmks r 1/ce un*ui*n id - - 图 1 双闭环调速系统的结构简化图 用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系 统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后 速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过 程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反 2 馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制 电流使系统在充分利用电机过

9、载能力的条件下获得最佳过渡过程， 很好的满足了生产需求。 1.2 桥式可逆桥式可逆 pwm 变换器的工作原理变换器的工作原理 脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源 电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压 的大小，以调节电机转速。 桥式可逆 pwm 变换器电路如图 2 所示。这是电动机 m 两端电压 的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。 ab u mg mot or dc vt1 vt2 vd1 vd2 vt3 vt4 vd3 vd4 ug1 ug2 ug3 ug4 us 图 2 桥式可逆 pwm 变换器电路 双极式控制可逆 pwm 变换器的四个驱

10、动电压波形如图 3 所示。 3 o o o o ug1ug4 ug2ug3 uab us -us id id1 id2t t t t tont tont 图 3 pwm 变换器的驱动电压波形 他们的关系是：。在一个开关周期内，当 1423gggg uuuu 时，晶体管、饱和导通而、截止，这时0 on tt 1 vt 4 vt 3 vt 2 vt 。当时，、截止，但、不能立即导 abs uu on ttt 1 vt 4 vt 3 vt 2 vt 通，电枢电流经、续流，这时。在一个周 d i 2 vd 3 vd abs uu ab u 期内正负相间，这是双极式 pwm 变换器的特征，其电压、电流波

11、 形如图 2 所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄 上。当正脉冲较宽时，则的平均值为正，电动机正转， 2 on t t ab u 当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出 2 on t t 电压为零，则电动机停止。 双极式控制可逆 pwm 变换器的输出平均电压为 4 2 1 ononon dss tttt uuu ttt 如果定义占空比，电压系数 on t t d s u u 则在双极式可逆变换器中 21 调速时，的可调范围为 01 相应的。当时，11 1 2 为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当 1 2 时，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于 1 2

12、0 零， 而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交 变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗 这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍然有高 频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区，起着所谓“动力 润滑”的作用。 双极式控制的桥式可逆 pwm 变换器有以下优点： 1）电流一定连续。 2）可使电动机在四象限运行。 3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。 4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证 器件的可靠导通。 控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积 分器）、正弦参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运

13、算器、压控 振荡器、函数发生器、极性鉴别器）、pwm 波发生器（三相正弦波 5 发生器、锁相环、三相波载波发生器、比较器）及与主电路相隔离 的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路。 1.3 系统控制电路图系统控制电路图 控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积 分器）、正弦参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运算器、压控 振荡器、函数发生器、极性鉴别器）、pwm 波发生器（三相正弦波 发生器、锁相环、三相波载波发生器、比较器）及与主电路相隔离 的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路 通用型 pwm 变频器原理图框图 6 1.4 双闭环直流调速系统的静特性分析双闭环直流调速系

14、统的静特性分析 由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式 比较简单，电压平衡方程如下 . d sd di urile dt (0) on tt d sd di urile dt () on ttt 按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式， 电枢两端在一个周期内的电压都是，平均电流用表示， ds uu d i 平均转速，而电枢电感压降的平均值在稳态时应为零。/ e ne c d di l dt 于是其平均值方程可以写成 sdde urieric n 则机械特性方程式 0 s dd eee urr nini ccc 1.5 双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环

15、直流调速系统的稳态结构图 首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图 4 所示，分析双 闭环调速系统静特性的关键是掌握 pi 调节器的稳态特征。一般存 在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限 幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出， 相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，pi 作用使输入偏差电 压在稳态时总是为零。 7 图 4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。 因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调 节器输入端的缺点，最好的方法就是

16、将被调量转速与辅助被调量电 流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、 电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。 如图 5 为双闭环直流调速系统原理. 图 5 双闭环直流调速系统原理图 8 二、硬件结构二、硬件结构 双闭环直流调速系统主电路中的 upe 是直流 pwm 功率变换器。 系统的特点：双闭环系统结构，实现脉冲触发、转速给定和检测。 由软件实现转速、电流调节，系统由主电路、检测电路、控制电路、 给定电路、显示电路组成。如图 6 为双闭环直流 pwm 调速系统硬 件结构图。 图 6 双闭环直流 pwm 调速系统硬件结构图 9 2.1 主电路主电路 主电路

17、由二极管整流器 ur、pwm 逆变器 ui 和中间直流电路 三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容 c 滤波，同时兼 有无功功率交换的作用。 可逆 pwm 变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称 h 形）电路，如图 7 为桥式可逆 pwm 变换器。这时电动机 m 两端电压 uab 的极性随开关器件驱动电压极性的变化而变化，其控制方式有 双极式、单极式、受限单极式等多种，本设计用的是双极性控制的 可逆 pwm 变换器。双极性控制的桥式可逆 pwm 变换器有电流一定连 续、可使电动机在四象限运行、电动机停止时有微振电流可消除静 摩擦死区、低速平稳性好等优点。 图 7 桥式可逆 pwm 变

18、换器 图 8 为双极式控制时的输出电压和电流波形。相当于一般负 1 id 载的情况，脉动电流的方向始终为正；相当于轻载情况，电流可 2 id 在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。 10 图 8 双极式控制时的输出电压和电流波形 双极性控制可控 pwm 变换器的输出平均电压为 s on s on s on u t t u t tt u t t ) 1 2 ( ud 转速反馈电路如图 9 所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有 换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数 。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入0.012s on t 相同时间常数的给定滤波环节。 1

19、1 r0/2r0/2 r0/2r0/2 rn rbal cn con con ui* un* -un 图 9 转速反馈电路 2.2 泵升电压限制泵升电压限制 当脉宽调速系统的电动机减速或停车时,储存在电机和负载传 动部分的动能将变成电能，并通过 pwm 变压器回馈给直流电源。 一般直流电源由不可控的整流器供电，不可能回馈电能，只好对滤 波电容器充电而使电源电压升高，称作“泵升电压”。如果要让电 容器全部吸收回馈能量，将需要很大的电容量，或者迫使泵升电压 很高而损坏元器件。在不希望使用大量电容器（在容量为几千瓦的 调速系统中，电容至少要几千微法）从而大大增加调速装置的体积 和重量时，可以采用由分

20、流电阻 r 和开关管 vt 组成的泵升电压 限制电路，用 r 来消耗掉部分动能。r 的分流电路靠开个器件 vt 在泵升电压达到允许数值时接通。 12 三、主电路参数计算和元件选择三、主电路参数计算和元件选择 主电路参数计算包括整流二极管计算，滤波电容计算、功率开关管 igbt 的选择及各种保护装置的计算和选择等。 3.1 整流二极管的选择整流二极管的选择 根据二极管的最大整流平均 和最高反向工作电压 分别应满 f i r u 足： （a）3 . 32/61 . 121 . 1i )(f avo i （v）17111021 . 121 . 1u 2r u 选用大功率硅整流二极管，型号和参数如下所

21、示： 型号 额定正向平 均电流 （a) f i 额定反向峰 值电压 urm（v) 正向平均压 降 （v) f u 反向平均漏 电流 r i （ma) 散热器型号 zp10a1020020000.50.76sz14 在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容 c 值，使 rc（35）t/2，且有 （v)9495 . 0 1109 . 0u maxd ，即 c15000uf2.00.51c2 13 故此，选用型号为 cd15 的铝电解电容，其额定直流电压为 400v， 标称容量为 22000uf。 3.2 绝缘栅双极晶体管的选择绝缘栅双极晶体管的选择 最大工作电流imax2us/r=440

22、/0.45=978(a) 集电极发射极反向击穿电压 (23)）（ ceo bv）（ ceo bv us=440660v 14 四、调节器参数设计和选择四、调节器参数设计和选择 4.1 调节器工程设计方法的基本思路调节器工程设计方法的基本思路 先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳 态精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。 设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐 步向外扩展。在这里是：先从电流环人手，首先设计好电流调节器， 然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速 调节器。 4.2 电流环的设计电流环的设计 h 型单极式 pwm 变换器供

23、电的直流调速系统，采用宽调速直流电 动机。 额定力矩为 4.9nm，电枢电阻 ra=1.64，电枢回路总电感 l=10.2mh，额定电流=6a，额定电压=110v。nominomu 调速系统的最小负载电流=1a，电源电压=122v，电力晶体管oisu 集电极电阻=2.5，设=2。=1000r/min，电枢回路总cr1k2k 电阻 r=2,电流过载倍数 =2。 如图 10 为电流环结构图 图 10 电流环结构图 15 4.3 确定时间常数确定时间常数 rv n iru c n nan e min/1 . 0 1000 664. 1110 s cc rgd t me m 08 . 0 301 .

24、0375 25 . 1 375 2 2 s r l tl005 . 0 2 10 2 . 10 3 （1）脉宽调制器和 pwm 变换器的滞后时间常数与传递函数pwmt 的计算 电动机的启动电流为 122 61 2 s s u iaa r 启动电流与额定电流比为 61 10.167 6 s s n i i 晶体管放大区的时间常数为 6 11 0.159 22 3.14 10 cetss f 电流上升时间的计算公式为 rt 1 1 ln 0.95 rce k tt k 式中晶体管导通时的过饱和驱动系数，取=2 则 1k1k 1 1 2 ln0.159ln0.103 0.9520.95 rce k

25、ttss k 电流下降时间的计算公式为 ft 16 2 2 1 ln 0.05 fce k tt k 式中晶体管截止时的负向过驱动系数，取=2 2k2k 则 2 2 112 ln0.159ln0.061 0.050.052 fce k ttss k 又 10.2 5.10.0051 2 l l tmsmss r 最佳开关频率为 2 33 26 10.167 0.3320.3324434.8 ()0.0051 (0.1030.061) 10 s op lrf fhzhz ttt 开关频率 f 选为 4.4khz，此开关频率已能满足电流连续的要求。 于是开关周期 1 0.23pwmtms f 脉宽

26、调制器和 pwm 变换器的放大系数为 * 110 11 10 d pwm i u k u 于是可得脉宽调制器和 pwm 变换器的传递函数为 11 ( ) 10.000231 pwm pwm pwm k ws tss （2）电流滤波时间常数 取 0.5ms oit （3）电流环小时间常数 0.230.50.73ipwmoitttmsmsms 17 4.4 选择电流调节器结构选择电流调节器结构 根据设计要求，而且 %5%i/5.1/0.736.9910litt 因此可以按典型 i 型系统设计 电流调节器选用 pi 型，其传递函数为 * 1 ( ) i acri i s wsk s 4.5 选择电流

27、调节器参数选择电流调节器参数 0.0051ilts 要求时，应取，因此 %5%i0.5iikt 11 0.50.5 684.93 0.00073 i i kss t 又 * 10 0.833/ 2 6 im n u va i 于是 684.93 0.0051 2 0.76 0.833 11 i ii pwm r kk k 4.6 检验近似条件检验近似条件 1 684.93ciiks （1）要求，现 1 3 ci pwmt 。 11 11 s1449.3 33 0.00023 ci pwm s t 18 （2）要求，现 1 3ci mlt t 。 11 11 33130.89 0.103 0.0

28、051 ci ml ss t t （3）要求， 11 3 ci pwmoitt 现。 1 1111 982.95 330.00023 0.0005 ci pwmoi s tt 可见均满足要求。 4.7 计算计算 acr 的电阻和电容的电阻和电容 取=40k，则 0r ，取 00.76 4030.4iirkrk30irk 6 0.0051 100.17 30000 i i i cff r 6 3 0 44 0.0005 100.05 40 10 oi oi t cff r 按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为， 4.3%5% i 故满足设计要求。 五转速环的设计五转速环的设计 5.1 确定时

29、间常数确定时间常数 19 （1）电流环等效时间常数为 22 0.00730.00146s i t （2）取转速滤波时间常数 0.005 on ts （3） 20.001460.0050.00646 nion tttsss 5.2 asr 结构设计结构设计 根据稳态无静差及其他动态指标要求，按典型 ii 型系统设计转 速环，asr 选用 pi 调节器，其传递函数为 1 ( ) n asrn n s wsk s 5.3 选择选择 asr 参数参数 取 h=5，则 5 0.006460.0323nnhtss 22 222 16 2875.5 22 25 0.00646 n n h kss h t 则

30、 (1)6 0.833 0.09016 0.103 35.92 22 5 0.01 2 0.00646 em n n hc t k h rt 5.4 校验近似条件校验近似条件 1 2875.5 0.032392.88 cnnn ks （1）要求，现。 1 5 cn i t 1 11 273.97 55 0.00073 cn i s t （2）要求， 11 32 cn ion t t 20 现 11 1111 123.4s 3232 0.00073 0.005 cn ion s t t 可见均能满足要求。 5.5 计算计算 asr 电阻和电容电阻和电容 取，则 0 40rk ，取 1440 0

31、35.92 401436.8n n rk rkk k ，取 0.1 6 3 0.0323 100.022 1440 10 n n n cff r f 6 3 0 44 0.005 100.5 40 10 on on t cff r 5.6 检验转速超调量检验转速超调量 max n% () 2() nn bnm cnt z cnt 当 h=5 时，而 max %81.2% b c c ，因此 6 2 133.1 minmin 0.09016 n n e i r rr n c 133.10.00646 %81.2% 2 10.16714.8%20% 10000.103 n 可见转速超调量满足要求。 5.7 校验过渡过程时间校验过渡过程时间 空载起动到额定转速的过渡过程时间 21 12 0.09016 0.103 1000 0.390.5 2 2 6 emn s n c t n tttss r i 可见能满足设计要求。 六六 反馈单元反馈单元 6.1 转速检测装置选择转速