双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

1、武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 张珊 专业班级： 电气1004 指导教师： 李向明 工作单位： 自动化学院 题 目: 直流双极式可逆PWM调速系统设计 初始条件：1.直流电机参数： PN10 KW，UN220 V，IN55 A，nN1000 r/min ，Ra0.4，直流它励励磁电压220V，电流1.6A2.进线交流电源：三相380V3. 采用永磁式测速发电机，其参数：23W，110V，0.21A，1900 r/min， 要求完成的主要任务: 1.ASR及ACR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.PWM主电路设计课程

2、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。满足如下要求：1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。2. 对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。3. 画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。4. 画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。时间安排：2013.5.272013.5.28 收集课程设计相关资料2013.5.292013.6.03 系统设计2013.6.042013.6.05 撰写课程设计及答辩指导教师签名： 2013 年 5 月 26 日 目录1、总体方案设计31.1设计分析

3、31.1.1双闭环调速系统的结构图31.1.2调速系统起动过程的电流和转速波形31.1.3 H桥双极式逆变器的工作原理41.1.4 H桥式可控直流脉宽调速系统主电路设计52、电路设计72.1电流调节器和转速调节器的设计72.1.1 电流调节器82.1.2 转速调节器92.2 给定基准电源92.3 信号产生电路102.4 驱动电路设计112.4.1 IGBT基极驱动电路原理112.4.2 基于EXB841驱动电路设计122.5 锯齿波信号发生电路132.6 转速检测电路132.7 电流检测电路143、调节器的参数整定143.1 电路基本数据143.2设计指标153.3电流环的设计153.4 转速

4、环的设计174、电流环和转速换的仿真194.1电流环的仿真设计194.2 转速环的仿真设计20心得体会21参考文献22双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计1、总体方案设计1.1设计分析1.1.1双闭环调速系统的结构图 直流双闭环调速系统的结构图如图1-1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。图1-1 双闭环调速系统结构图1.1.2调速系统起动过程的电

5、流和转速波形如图1-2所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。图1-2 理想启动的转速电流波形1.1.3 H桥双极式逆变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。H形双极式逆变器电路如图1-3所示。这时电动机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。图1-3 H形双极式逆变器电路他们的关系是：。在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。当时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、续流，

6、这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图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，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，则电动机停止。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，电压系数则在双极式可逆变换器中调速时，的可调范围为01相应的。当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，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

7、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。1.1.4 H桥式可控直流脉宽调速系统主电路设计H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图1-4所示。PWM逆变器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容C1滤波，以获得恒定的直流电压。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这时电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻R2消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通Q5。图1-4 H桥式直流脉宽调速系统主电路在matlab中模拟直流电机模型并提供驱动电路，采用阶跃信号和三角波信号

8、产生驱动信号：图1-5 双极式逆变器电路仿真图通过仿真的到驱动电压模型以及电压电流模型如图1-6所示。图1-6 H形双极式逆变器的驱动电压波形由此可知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。2、电路设计2.1电流调节器和转速调节器的设计  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：先从电流环入手，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。

9、双闭环调速系统的动态结构如图2-1所示，由于电流检测信号中常含有交流分量须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。图2-1 双闭环调速系统的动态结构图其中Toi为电流反馈滤波时间常数；Ton为转速反馈滤波时间常数。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道

10、中也配上时间常数为Ton的给定滤波环节。2.1.1 电流调节器由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数，以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道加上同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。图2-2 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器2.1.2 转速调节器转速反馈电路如图2-4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原理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。图2-3 含给定滤波与反馈滤波的PI

11、型电转速调节器2.2 给定基准电源用lm78/lm79系列三端稳压来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如LM7806表示输出电压为正6V，LM7915表示输出电压为负15V.下面此电路用于产生±15V电压作为转速给定电压以及基准电压，如图2-4所示图2-4 给定基准电源电路2.3 信号产生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、值可确定振荡频率。电路中PWM

12、信号由集成芯片SG3524产生，SG3524采用是定频PWM电路,DIP-16型封装。由SG3524构成的基本电路如图2-5所示，由15脚输入+15V电压，用于产生+5V基准电压。在6、7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+15V电压源相连，供内部晶体管工作，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12、13引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。图2-5 SG3524管脚图图2-6 SG3524引脚接线图2.4 驱动电路设计2.4.1 IGBT基极驱动电路原理工作原理如图2-7所示图2-7 EXB841内部结构图EX

13、B841 系列驱动器的各引脚功能如下：脚1 ：连接用于反向偏置电源的滤波电容器；脚2 ：电源（ 20V ）；脚3 ：驱动输出；脚4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）脚5 ：过流保护输出；脚6 ：集电极电压监视；脚7 、8 ：不接；脚9 ：电源；脚10 、11 ：不接；脚14 、15 ：驱动信号输入（-，）；2.4.2 基于EXB841驱动电路设计驱动电路中V5起保护作用，避免EXB841的6脚承受过电压，通过VD1检测是否过电流，接VZ3的目的是为了改变EXB模块过流保护起控点，以降低过高的保护阀值从而解决过流保护阀值太高的问题。R1和C1及VZ4接在

14、+20V电源上保证稳定的电压。VZ1和VZ2避免栅极和射极出现过电压，Rge是防止IGBT误导通。针对EXB841存在保护盲区的问题，可如图12所示将EXB841的6脚的超快速恢复二极管VDI换为导通压降大一点的超快速恢复二极管或反向串联一个稳压二极管，也可采取对每个脉冲限制最小脉宽使其大于盲区时间，避免IGBT过窄脉宽下的低输出大功耗状态。针对EXB841软关断保护不可靠的问题，可以在EXB841的5脚和4脚间接一个可变电阻，4脚和地之间接一个电容，都是用来调节关断时间，保证软关断的可靠性。针对负偏压不足的问题，可以考虑提高负偏压。一般采用的负偏压是-5V，可以采用-8V的负偏压(当然负偏压

15、的选择受到IGBT栅射极之间反向最大耐压的限制)，输人信号被接到15脚，EXB841正常工作驱动IGBT.图2-8 EXB841驱动IGBT设计图主要参数：电源电压：20V 最大输出功率：47mA 最高工作频率：10kHz2.5 锯齿波信号发生电路锯齿波信号发生器SG的输出信号Us与控制信号在PWM转换器（SG3524）中进行比较，PWM输出幅度恒定、宽度变化的方波脉冲序列，即PWM波。SG电路可有UJT或者PUT构成。UJT锯齿波信号发生器基本电路如图2-9所示图2-9 锯齿波信号发生电路2.6 转速检测电路转速检测电路就是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

16、压，与给定电压相比较后，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. 图2-10 转速检测电路2.7 电流检测电路通过霍尔传感器测量电流的电流检测电路原理如图2-12所示。图2-11  闭环霍尔电流传感器的工作原理霍尔电流传感器的结构如上图所示。用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。3、调节器的参数整定3.1 电路基本数据本设计为双闭环直流调速系统电路基本数据如下：1)PWM装置放大系数:KS=5

17、;2)电枢回路总电阻Ra=0.4；3）电磁时间常Tl=0.015s;4)机电时间常数Tm=0.2s;5)调节器输入电阻R0=20k；6)触发整流环节的允许过载倍数=2；7)直流电机参数:UN=220V,IN=55A,nN=1000r/min,计算可得Ce=UN-INRanN=220-55×0.41000=0.198V/(r/min),取0.2 V/(r/min)；3.2设计指标1)静态指标：无静差2)动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量。计算反馈关键参数： =Unm*nnm=151000=0.015V/(r/min); =Uim*Idm=152×55=0.

18、14V/A 3.3电流环的设计1）确定时间常数选择开关频率为1KHZ,所以PWM装置滞后时间常数：TS=1f=0.001s。电流滤波时间常数:。Ti=TS+Toi=0.003s .(和一般都比小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)。2）选择电流调节器结构根据设计要求：,可按典型型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的，其传递函数为式中 电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数。3）选择电流调节器的参数i=Tl=0.015sACR超前时间常数i=Tl=0.015s电流环开环时间增益:要求，故应取，因此KI=0.5Ti=0.50.003=166

19、.67s-1于是，ACR的比例系数为:Ki=KIiKsRa=166.67×0.015×0.40.14×5=1.434）校验近似条件电流环截止频率: ci=KI=166.67S-1（1）晶闸管装置传递函数近似条件：13TS=13×0.001=333.33S-1>ci 满足近似条件；（2）忽略反电动势对电流环影响的条件：即满足近似条件；（3）小时间常数近似处理条件：即131TSToi=1310.001×0.002=235.7s-1>ci满足近似条件。5）计算调节器电阻和电容 调节器输入电阻为，各电阻和电容值计算如下R1=2KiRo=1.

20、43×40=57.2k,取57 kC1=iRi=0.01557×103×106=0.026F，取0.025 F C0=4ToiR0=4×0.00240×103×106=0.2F ,取0.2 F 3.4 转速环的设计1）确定时间常数（1）电流环等效时间常数 2Ti=2×0.003=0.006s（2）转速滤波时间常数 （3）转速环小时间常数近似处理 2）选择转速调节器结构按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要由设计要求，转速调节器必

21、须含有积分环节，故按典型型系统选用设计PI调节器，其传递函数为3）选择调节器的参数根据跟随性和抗干扰性能都较好的原则取，则ASR超前时间常数为转速开环增益：ASR的比例系数：4）近似校验转速截止频率为：电流环传递函数简化条件 13KITi=13166.670.003=78.57s-1>cn满足简化条件。（2）小时间常数近似处理条件：现在满足近似条件。5）计算调节器电阻和电容调节器输入电阻 ，则，取1220，取0.045，取0.56）检验转速超调量当h=5时，查表得，=37.6%，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

22、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。当h=5时，而因此 满足设计要求。4、电流环和转速换的仿真4.1电流环的仿真设计电流环的动态结构图如下图4-1 电流环的动态结构图已知各个参数的值可以用matlab画出传递函数结构图图4-2 电流环的仿真模型由此可以得到电流环的仿真结果由图形可以看出电流环的超调量很小，所以设计满足要求图4-3 电流环仿真结果4.2 转速环的仿真设计转速环的动态结构图如图2-1，用matlab画出动态结构图为图4-4 转速环的仿真模型由此可以得到转速环的仿真结果由图形可以看出转速环的超调量很小，所以设计满足要求图4-5 转速环的仿真结果心得体会

23、这次课程设计历时一周，在整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。经过这次课程设计我感受颇多。在正式进行设计之前，我参考了一些网上的资料，通过对这些设计方案来开拓自己的思路，最后终于有了自己的思路。课程设计是实践课的一种，在很大程度上实现了动手与动脑，理论与实际的相互结合，既是对工业环境的一个简单缩影，又是对理论知识的一种检验，很好地实现了从书本到实际操作的一个过渡。课程设计不仅是对前面所学电力电子技术和运动控制理论的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺，自己要学习的东西还太多。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期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。通过这次课设，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，这也算是课设给我的一点小小的感悟。最后，我