转速电流双闭环H形双极式PWM直流调速系统的设计 - 副本

1、转速电流双闭环H形双极式PWM直流调速系统的设计 题 目： 习题217设计 姓 名： 许云东 学 号： 20110103020 任课教师： 段志梅 1.设计要求32.设计分析4（1）双闭环调速系统结构图4（2）.双闭环直流调速控制系统原理图5（3）.双闭环调速系统的动态结构框图53.转速环参数的设计：5（1）确定时间常数:5（2）选择转速调节器结构6（3）计算转速调节器参数：6（4）校验近似条件：6（5）计算调节器电阻和电容：7（6）验证空载起动到额定转速时的超调量：74.电流环参数的设计：8（1）确定时间常数8（2）选择电流调节器的结构8（3）计算电流调节器参数8（4）校验近似条件9（5）计

2、算调节器的电阻电容：95.直流双闭环系统的完整硬件实现原理图如下：106.原理图上实现所要求的直流调速系统的原理如下：107.原理图上每个元件选定的依据及其分析：11（1）转速调节器11（2）电流调节器11（3）SG3524芯片11（4）H型双极式可逆PWM桥式电路12（5），三相整流变压器、晶闸管整流调速装置12（6）转速检测电路12总结12参考文献13摘要：伺服系统对数控技术、自动化、电气工程及其自动化、机电一体化等专业是一门很重要的专业技术课。伺服系统的作用是联系数控装置与被控设备的中间环节，起着传递指令信息和反馈设备运行状态信息的桥梁作用。在当代工业上PWM控制调速系统已经被广泛地应用

3、，其优点还是日益突现，而带有双闭环的调速系统更是受到广泛欢迎。在本次设计中，为了使调速达到高精度、高准度的要求，我使用了电流调节器和转速调节器，以此来组成双闭环，电流环为内环，转速环为外环。这样的设计能够达到任务要求的静态指标和动态指标。特别是把此两环校正为典型型和典型型后的性能指标更是达到了要求。本次设计中的电流调节器和电压调节器都是使用PI调节器，PI调节器是由运放和各种电子元器件组成的，由于本次设计时间有限所以就没有把相应的参数给调出来了。关键字：PWM；调速系统；电流调节器；直流调速；双闭环；双极式；SG3524；1.设计要求有一转速、电流双闭环控制的H形双极式PWM直流调速系统已知电

4、动机参数为：PN=200W,UN=48V,IN=3.7A,N=200r、min，电枢电阻Ra=6.5，电枢回路总电阻=8，允许电流过载倍数=2，电势系数Ce=0.12V.min/r,电磁时间常数Tl=0.15s，机电时间常数Tm=0.2s，电流反馈滤波时间常数Toi=0.001s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.005s，调节器输入输出电压U*nm=U*im=Ucm=10V，调节器输入电阻R0=40K。已计算出电力晶体管D202的开关频率f=1kHz，PWM环节的放大倍数Ks=4.8.试对该系统进行动态参数设计，设计指标：稳态无静差，电流超调量si=5%；空载启动到额定转速时的转速超调量sn=

5、20%；过渡过程时间ts=0.1s。2.设计分析（1）双闭环调速系统结构图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级连接，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。其脉宽调制变换器的作用是：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。（2）.双闭环直流调速控制系统原理图（3）.双闭环调速系统的动态结构框图3.转速环参数的设计：（1）确定时间常数:1）电流环等效时间常数s2）转速滤波时间常数由已知条件知Ton=0.005s3）转速环小时间常数

6、（2）选择转速调节器结构由于设计要求无静差，且要求设计为典II系统，转速调节必须含有积分环节;故转速调节器ASR选择PI调节器，其传递函数为 （3）计算转速调节器参数：按跟随和抗扰性能都较好的原则， 取h=5，则ASR的超前时间常数为: 所以转速环开环增益:转速反馈系数:由可知：于是，可以算出ASR的比例系数为:（4）校验近似条件：转速环截止频率：1）校验电流环传递函数简化条件： ，满足简化条件。2）校验小时间常数近似处理条件：，满足条件。（5）计算调节器电阻和电容：已知R0=40K，各电阻和电容值计算如下：，可近似取，取，取（6）验证空载起动到额定转速时的超调量：当h=5时，查表得，dn=3

7、7.6%，不能满足设计要求。实际上，由于这是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。设理想空载起动时，负载系数z=0，已知直流电机参数： 0.2 KW，48 V，3.7 A，Nnom200 r/min，Ra6.5，R=8；PWM装置放大系数Ks=4.8；时间常数Tm=0.2s，Tl=0.015s； 当时，；而,又因为 因此 ，满足空载起动到额定转速时的超调量的设计要求。4.电流环参数的设计：（1）确定时间常数1) 整流装置滞后时间常数。因为f=1khz，所以=0.001s2) 电流滤波时间常数。由题中已知条件知=0.001s

8、 3)电流环小时间常数之和。=+=0.001+0.001=0.002s（2）选择电流调节器的结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，因此可按典I系统设计电流调节器ACR。电流调节器ACR选用PI调节器，其传递函数如下式： （3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：,电流环开环增益：要求时，按课本上表3-1，应取，因此 电流反馈系数：因为所以：又根据已知条件知=4.8于是，ACR的比例系数为 （4）校验近似条件电流环截止频率:1）校验晶闸管装置传递函数近似条件： 满足近似条件。2）校验忽略反电动势对电流环影响的条件： 满足近似条件。3）校验电流环小时间常数近似处理条件： 满足近似条件。（5

9、）计算调节器的电阻电容：已知，各电阻和电容值计算如下：， 近似取 ，取。取5.直流双闭环系统的完整硬件实现原理图如下：6.原理图上实现所要求的直流调速系统的原理如下：主电路系统是由10V直流电源，转速调节器ASR，电流调节器ACR，SG3524芯片，H型双极式可逆PWM桥式电路，三相整流变压器、晶闸管整流调速装置、测速发电机和霍尔电流互感器组成。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,然后通过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，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。与此同时

10、，由测速发电机检测电机的实时转速，并用霍尔电流互感器对电枢电流进行实时跟踪，以达到设计要求。7.原理图上每个元件选定的依据及其分析：（1）转速调节器对于一个控制系统而言，最关键的是控制器的设计，控制器设计的好坏关系到控制系统性能的优劣。控制器要求实时性强，通用性强，具有较强的智能，在满足性能指标的前提下应尽可能的简单。转速反馈电路各个参数在已经算出，并标注在图中。这里选用PI控制器，因为设计要求无静差，且要求设计为典II系统，转速调节必须含有积分环节，同时，PI控制器还能在满足设计要求的前提下，尽可能的提高系统的稳定性。（2）电流调节器电流反馈电路各个参数在已算出，并标注在图中。由于要求d，并

11、保证稳态电流无静差，所以电流调节器也选择PI调节器。（3）SG3524芯片采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。它的主要作用是用它来产生系统所需要的PWM信号。根据主电路中IGBT的开关频率，选择适当的Rt,Ct值即可确定振荡频率。由初始条件知开关频率为1kHz，可以选择Rt=2k，Ct=0.001uf。SG3524采用是定频PWM电路,DIP-16型封装。由SG3524构成的基本电路如原理图所示，由15脚输入+10V电压。9脚是误差放大器的输出端，在1、9引脚之间接入外部阻容元件构成PI调节器，可提高稳态精度。12、13引脚通过电阻与+10V电压源相连，供内部晶体管工作，

12、由电流调节器输出的控制电压作为2引脚输入，通过其电压大小调节11、14引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。（4）H型双极式可逆PWM桥式电路“H”型是双极性驱动电路的一种，也称为桥式电路。其电路是由四个晶闸管和四个续流二极管组成，。四个晶闸管分为两组，VT1和VT4为一组，VT2和VT3为另一组。同一组的晶闸管同步导通或关断，不同组的晶闸管的导通与关断正好相反。在每个PWM周期里，当控制信号为高电平时，晶闸管VT1和VT4导通，此时另一组晶闸管输入信号为低电平，因此VT2和VT3截止。电枢绕组承受从A到B的正向电压；当控制信号输入为低电平时，晶闸管VT1和VT4截止，此时另一组晶

13、闸管输入为高电平，因此VT2和VT3导通，电枢绕组承受从B到A的反向电压，这就是所谓的“双极”。（5），三相整流变压器、晶闸管整流调速装置整流变压器和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电。（6）转速检测电路转速检测电路与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压nU，与给定电压*nU相比较后，得到转速偏差电压nUD输送给转速调节器。测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。总结脉冲宽度调制PWM,就是指保持开关周期T不变，调节开关导通时间t对脉冲的宽度进行调制的技术。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术等领域最广泛应用的控制方式。利用SG3524集成PWM控制器设计了一个基于PWM控制的直流调速系统，本系统采用了电流转速双闭环控制，并且设计了完善的保护措施，既保障了系统的可靠运行，又使系统具有较高的动、静态性能。双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从起动时间上看，阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”