直流PWM-M可逆调速系统设计及仿真

1、武汉华夏理工学院课 程 设 计 报 告 书题 目：直流PWM-M可逆调速系统设计与仿真系 名： 信息工程学院 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 年 月 日课设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化1142 指导教师： 李 莉 工作单位： 信息工程系 题目: 直流PWM-M可逆调速系统设计与仿真5 一、初始条件：1.直流电机参数：UN110 V，IN2.9 A，nN2400 r/min ，Ra3.4，电枢电感La=60.4mH，转动惯量GD2=0.014kgm2，PWM变换装置放大系数Ks=45，PWM开关频率为8KHz。直流它励，励磁电压110V，励磁电流0.5A2.主电路采用桥式可

2、逆PWM变换器（H桥），进线交流电源：三相380V3. 采用永磁式测速发电机，参数：23W，110V，0.21A，1900 r/min 4.可逆运行，转速和电流稳态无差，电流超调量小于5，转速超调量小于10。二、要求完成的主要任务: 1.PWM主电路设计2.转速反馈和电流反馈电路设计3.集成脉宽调制电路设计4.驱动电路设计5. ASR及ACR电路设计6.仿真研究三、设计报告撰写要求1.内容要求一般要求包括如下内容： 目录编制课程设计的目录，目录的各级标题按照章节顺序排列，统一用阿拉伯数字表示，一级标题为1,2,3，二级标题为1.1,1.2,1.3，三级标题为1.1.1,1.1.2等。 绪论课程

3、设计正文前的引言。应对课题研究的目的意义，研究现状，课题研究内容，预期研究目标等进行综合论述。正文是课程设计的主体，根据任务书要求的设计内容完成设计任务。应对系统总体设计方案的实用性和可行性进行论证，设计系统主电路及控制驱动电路，说明系统工作原理，给出系统参数计算过程，给出仿真模型和仿真结果，并对结果进行分析。电路图纸、元器件符号及文字符号应符合国家标准。课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。 结论内容总结，应说明完成的主要设计任务、存在的主要问题及设计中的体会。 参考文献参考文摘不少于5篇，注意参考文献的格式。2. 格式要求（1）纸张格式：要求统一用A4纸打印

4、，页面设置上空2.5cm，下空2.0cm，左空2.5cm，右空2.0cm（2）正文层次：统一用阿拉伯数字表示，标题一般不超过3级，格式左对齐，正文内容层次序号为：1.1.11.1.1.。（3）正文标题；一级标题为黑体小2号，二级标题为黑体小三号，三级标题为黑体四号，四级标题为黑体小四号。（4）正文内容格式：宋体五号，1.25倍行距。（5）参考文献格式：按作者、文献名、出版地、出版社和出版时间等顺序书写。如：1刘国钧，陈绍业图书馆目录北京：高等教育出版社，1957 2 戴军，袁惠新.膜技术在含油废水处理中的应用.膜科学与技术，2002.(6) 图表要求：所有曲线、图表、电路图、流程图、程序框图、

5、示意图等必须采用计算机辅助绘图。图序及图名置于图的下方；表序及表名置于表的上方；图表采用阿拉伯数字连续编号。3.装订顺序设计报告按照如下顺序装订： 封面任务书目录正文参考文献评分表。四时间安排：序号设计内容时间地点1课程设计开题，组成课程设计小组第一周实验室图书馆教 室2查阅系统相关资料，确定总体方案3系统设计及参数计算4系统仿真研究第二周5总结设计过程，撰写设计报告6答辩 2017 年 6 月 26 日引 言 直流PWM_M调速系统几年来发展很快，直流PWM_M调速系统采用全控型电力电子器件，调制频率高，与晶闸管直流调速系统相比动态响应速度快，电动机转矩平稳脉动小，有很大的优越性，在小功率调

6、速系统和伺服系统中的应用越来越广泛。直流PWM_M调速系统与晶闸管调速系统的不同主要在变流主电路上，采用了脉宽调制方式，转速和电流的控制和晶闸管直流调速系统一样。 直流PWM_M调速系统的PWM变换器有可逆和不可逆两类，而可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。这里主要研究H型主电路双极式的PWM_M调速系统以及仿真。 在现代科学技术革命过程中，电气自动化在20世纪的后四十年曾进行了两次重大的技术更新。一次是元器件的更新，即以大功率半导体器件晶闸管取代传统的变流机组，以线性组件运算放大器取代电磁放大器件。后一次技术更新主要是把现代控制理论和计算机技术用于电气工程，控制器由模拟式进入

7、了数字式。在前一次技术更新中，电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方法。而后的一次技术更新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变，电气系统的接狗和性能也随之改观。在整个电气自动化系统中，电力拖动及调速系统是其中的核心部分。 在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电路调节器的输入，在用电流调节器的输出作为PWM的控制电压。从闭环反馈结构上看，电流在里面是内环，按典型型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型型系统设计。为获得良好的动、静态品质，调节器均采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测

8、，转速环则是采用了测速电机进行检测，达到了比较理想的检测效果。目 录引 言51 直流电机PWM-M调速系统61.1直流PWM可逆调速系统61.2桥式可逆PWM变换器61.3UPE环节的电路波形分析72 电路设计82.1 PWM主电路设计82.2 转速检测电路92.3 电流反馈电路92.4 集成脉宽调制电路设计102.5驱动电路102.6 ASR与ACR设计122.6.1电流调节器电路设计122.6.2 转速调节器电路设计123 ASR与ACR设计133.1 ACR设计133.1.1调节器的参数整定133.2 ASR设计153.2.1 调节器的参数整定164 系统仿真174.1 Simulink

9、仿真步骤174.2双闭环仿真模型174.3仿真结果185 总结206 参考文献211 直流电机PWM-M调速系统1.1直流PWM可逆调速系统 整个系统上采用了转速、电流双闭环控制结构，如图1-1所示。在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以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作为PWM的控制电压。从闭环反馈结构上看，电流调节环在里面，是内环，按典型型系统设计。为获得良好的动、静态品质，调节器均采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速环则是采用了测速电机进行检测，达到了比较理想的检测效果。主

10、电路部分采用了以GTR为可控开关元、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。控制PWM脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中对电机速度的控制。直流调速系统的结构如上图所示，其中UPE是电力电子器件组成的变换器，其输入接三相交流电源，输出为可控的直流电压。对于中】小容量系统，多采用有IGBT或P_mosfet组成的PWN变换器；对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件。根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。1.2桥式可逆PWM变换器 双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图2-1它们的关系是：

11、 。在一个开关周期内，当 ，时，电枢电流 沿回路1流通；当 时，驱动电压反号， 沿回路2经二极管续流， 。因此， 在一个周期内具有正负相间的脉冲波形。 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别是转速和电流，二者之间实行串级联接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM调制器。转速调节器在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。图1.2桥式可逆PWM变换器电路1.3UPE环节的电路波形分析双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如下。图1.3PW

12、M变换器的驱动电压波形它们的关系是： 。在一个开关周期内，当 ，晶 体 管 V T 1、 V T4 饱 和 导 通 而 V T 3、 V T2 截 止 ，这时。当时，VT1、VT4截止，但VT3、VT4不能立即导通，电枢电流经VD2、VD3续流，这时。在一个周期内正负相间，这时双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图1.2所示。电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，电机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出电压为零，则电机停止。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为如果定义占空比p=ton/T,电压系数y=Ud/Us则在双极式

13、可逆变换器中y=2p-1，调速时，p的可调范围为01相应的y= -1+1。当p1/2时， y为正，电机正转；当p=1/2时， y为负，电机反转；当p=1/2， y=0，电机停止。但电机停止时电枢电压并不为零。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，能消除静摩擦区。4低速平稳性

14、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。 2 电路设计2.1 PWM主电路设计 中、小功率的可逆直流调速系统多采用可逆PWM变换器，图2.1绘制了桥式可逆直流脉宽调速系统的主电路原理图，图中的左半部分是由6个二极管组成的整流器，常采用不可控整流，把电网提供的交流电整流程直流电；中间部分是大电容滤波；右半部分是桥式PWM变换器。 当可逆系统进入制动状态时，直流PWM功率变换器把机械能变为电能回馈到直流侧，但由于二极管整流器导电的单向性，电能不可能通过整流器送回交流电网，只能向滤波电容充电，使电容两端电压升高，称作泵升电压。图2.1 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图2.2

15、 转速检测电路 根据课程设计要求，测速电机为永磁式测速发电机，它与电动机同轴安装，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压Un 相比较后，得到转速偏差电压输送给转速调节器。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，测速电路接线图如图所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。图2.2转速检测电路2.3 电流反馈电路在此课程设计中我们通过霍尔传感器测量电流，电流检测电路原理图如图2.3所示图2.3电流检测电路2.4 集成脉宽调制电路设计 PWM生成电路如图2.4所示，SG3524生成的PWM信号经过一个非门转为两路相反的PWM信号，为确保上下两桥臂不会直通发生事故 ，

16、中间加入电容惊醒逻辑延时，后面再加上非门和与门构成的电路。图2.4 PWM生成电路 本设计采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。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8kHZ，可以选择Rt=12k，Ct=0.01uf。电路中的PWM信号由集成芯片SG3524产生，SG3524可为脉宽调制式推挽、桥式、单端及串联型SMPS提供全部控制电路系统的控制单元。由它构成的PWM型开关电源的工作频率可达100kHZ，适宜构成100-500w中功率推挽输出式开关电源。SG3524采用是定频PWM电路，DIP-16型封装。2.5驱动电

17、路IGBT 驱动采用芯片 IR2110,IR2110 采用 14 端 DIP 封装，引出端排列如图 2.5 所 示图2.5IR2110 管脚图它的各引脚功能如下：脚 1(LO)是低端通道输出； 脚 2(COM)是公共端；脚 3(Vss)是低端固定电源电压；脚 5(Us)是高端浮置电源偏移电压；脚 6(UB)是高端浮置电源电压；脚 7(HO)是高端输出；脚 9(VDD)是逻辑电路电源电压；脚 10(HIN) 、脚 11(SD) 、脚 12(LIN)均是逻辑输入；脚 13(Vss)是逻辑电路地电位端外加电源电压，其值可以为 0V; 脚 4、脚 8、脚 14 均为空端。 IGBT 驱动电路如图 11

18、 所示。IR2110 采用 HVIC 和闩锁抗干扰 CMOS 工艺制作，具 有独立的高端和低端输出通道；浮置电源采用自举电路，其工作电压可达 500V , du/dt=50V/ns,在 15V 下的静态功耗仅有 1.6mW;输出的栅极驱动电压范围为 10 20V,逻辑电源电压范围为 515V,逻辑电源地电压偏移范围为-5V+5V。IR2110 采用 CMOS 施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。推挽式驱动输出峰值电流2A, 负载为 1000pF 时，开关时间典型值为 25ns。两路匹配传输导通延时为 120ns,关断 延时为 94ns。IR2110 的脚 10 可以承受 2A 的反向电流。图

19、2.5-2 IGBT驱动电路图2.5-3 整体集成电路2.6 ASR与ACR设计2.6.1电流调节器电路设计电流调节器采用PI调节器，具体结构如下图。 图2.6.1 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器2.6.2 转速调节器电路设计转速调节器采用PI调节器，具体结构如下图。图2.6.2 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器3 ASR与ACR设计3.1 ACR设计 在电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速的变化旺旺比电流变化慢得多，对电流环来说，

20、反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，这样在按动态性能设计电流环是，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，得到的电流环的近似结构框图如下。 图3.1-1 忽略反电动势的动态影响 如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U（s）/，则电流环便等效成单位负反馈系统。Ts和Ton比Tl小得多，可以当做小惯性群而近似的看做一个惯性环节，其时间常数为： 则电流环结构最终简化成如下图所示。图3.1-2 小惯性环节近似处理3.1.1调节器的参数整定 电流调节器在第二章中已给出，下面按设计要求计算电路中的各个参数。 转速反馈系数 电流反馈系数计算

21、调节器参数之前，先根据电动机的额定参数计算电动势系数，额定状态运行下于是可得。（1） 确定时间常数 1. 整流装置滞后时间常数Ts，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017. 2.电流滤波时间常数Ton，三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.33ms，因此Toi=2ms=0.002s。 3.电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取。（2） 选择电流调节器结构 根据设计要求电流超调量小于5，并保证稳态电流无差，可按典型1型系统设计电流调节器。选用PI型电流调节器，检查对电源电压的抗扰性能：，可知是符合要求的。（3） 计算电流调节器参数 电流调

22、节器超前时间常数：。 电流环开环增益：要求时，应取=0.5，因此于是，ACR的比例系数为（4） 校验近似条件（5） 电流环截止频率：校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件（5） 计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取Ro=40，各电阻和电容计算如下：按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为4.3%5%,满足设计要求3.2 ASR设计为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速

23、环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为则转速环最终简化的结构图如下。图3.2.1 转速环简化结构框图3.2.1 调节器的参数整定（1） 确定时间常数1.电流环时间常数=0.0074 S2.转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s3.转速环小时间常数，按小时间常数近似处理，取（2）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的超前时间常数为转速环开环增益ASR的比例系数为（3） 校验近似条件转速环截止频率为1. 电流环专递函数简

24、化条件满足简化条件2. 转速环小时间常数近似处理条件满足条件（4） 计算调节器电阻、电容。按所用的运算放大器取Ro=40，各电阻和电容计算如下：（5） 检验转速超调量满足设计要求。4 系统仿真Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛用于线性系统，非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Slimulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个简历模型方

25、块图的图形用户接口，更方便更直接。4.1 Simulink仿真步骤（1） 在MATLAB命令窗口中输入simulink，点击进入。（2） 打开simulink工具箱，将所需模块拖入编辑窗口并将其连接。（3） 将涉及的开环调速系统的参数输入哥哥模块，运行调试功能，如果无误后就可以运行系统。（4） 运行后便可以通过模拟示波器观察波形4.2双闭环仿真模型图4.2-1转速调节器的仿真模型图4.2-2电流调节器的仿真模型图4.2 双闭环的仿真模型4.3仿真结果图4.3-1转速给定波形图图4.3-2转速波形图图4.3-3电流给定波形图图4.3-4电枢电流波形图图4.3-5双闭环仿真图5 总结 经过这次课程设计我的感受颇多，在正是开始设计之前，我参考了一些网上的资料，通过对这些设计方案来开阔自己的思路，最后完成了自己的设计。此次课程设计不仅是对前面所学的电力电子技术和电机与拖动的一种检验，更是对所学知识的大融合，站在新的高度看待新的问题，而且也是对自己运用所学知识的能力的一种提高。通过这次课程设计是我明白了自己原来知识还比较欠缺，自己要学的东西还很多。以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长久的事情