PWM直流双闭环调速系统设计

1、运动控制系统大作业直流 PWM 双闭环调速系统，基本数据如下：(1) 直流电机：额定功率185W,额定电枢电压220VDC,额定电枢电流1.25A, 励磁电压 220VDC，励磁电流 0.16A，额定转速 1500rpm,额定转矩 12000gcm,允许过载倍数1.2;( 2) PWM 变换器：占空比 15%-85%；(3)时间常数：电磁时间常数10ms,机电时间常数87ms；( 4) 控制器的最大输入 /输出电压均不超过 3V设计要求：( 1) 静态指标 ,转速/电流无静差；( 2) 动态指标,电流超调不超过 5%；空载启动到额定转速时的转速超调不超 过 10%。请完成转速调节器、电流调节器

2、的设计、理论仿真和调试。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。双闭环调速系统的结构图2. 电路设计H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图所示。 PWMK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 C0滤波，以获得恒定的直流电压Us。由于直流电源靠二极管整流器供电

3、，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Rz消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通 VTz。H桥式直流脉宽调速系统主电路四单元IGBT模块型号：20MT120UF主要参数如下：Ucer=1200V lc=16A Tcn*=100C Pcm 0.9kWU。已）3.05V2.1给定基准电源此电路用于产生土 15V电压作为转速给定电压以及基准电压，如图所示:给定基准电源电路2.2双闭环调节器电路设计为了实现闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较，决定调节 器的输出，反馈的关键是对被控量进行采样与测量。电

4、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Toi 0.001s，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 上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。图2-3含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器转速调节器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T°n 0.005S。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。3. 调节器的参数整定本设计为双闭环直流调速系统电路基本数据如下1）电磁时

5、间常数Tl 0.001s ；2）机电时间常数Tm 0.087S ;3）触发整流环节的允许过载倍数入=1.2 ;设计指标：1）静态指标：无静差；2）动态指标：电流超调量i% 5% ;空载起动到额定转速时的转速超调量n% 10%。计算反馈关键参数：Ct=T/la=0.9408nN=（UN-IN*R）/Ce R=57.78 Qa = Unm/nN=0.002V/（r/mi n）B =Uim/ldm=2V/A3.1电流环的设计1）确定时间常数PWM装置滞后时间常数：Ts=0.0017s。电流滤波时间常数：几 0.002sT=0.0017+0.002=0.0037s （ Ts和J 一般都比Ti小得多,可

6、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可按典型I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Wacr (s)KiiS 1iS式中 Ki 电流调节器的比例系数；T 电流调节器的超前时间常数。3）选择电流调节器的参数ACR超前时间常数i Ti 0.01s ;改电流环开环时间增益：要求i 5%，故应取KiT i 0.5，因此ci13Ts13Ts130.0011196. 1s > ci0. 5Ti000037135 1s1于是，ACR勺比例系数为：i R0.01* 57 78K K135 10.76Ks51.3 24）校验

7、近似条件电流环截止频率：ciKi135. 1s 1（1）晶闸管装置传递函数近似条件:满足近似条件；（2）忽略反电动势对电流环影响的条件:ci3 Li，3.二1101.71s 10.087 0.01ci满足近似条件；（3）小时间常数近似处理条件:ci13TsToi13 0.0017 0.002180. 7s1ci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R。20k ，各电阻和电容值计算如下R1.2KiR。2. 45 24k18.24k ,取 20kCiRT0.01201034Toi40.002CoiR0401033.2转速环的设计1）确定时间常数（1）电流环等效时间常数（2）转速滤波

8、时间常数（3）转速环小时间常数近似处理106 F 0.5，取 0. 5 F10 F 0.2 F，取 0.2 F2T i 20. 00370. 0074sTon 0.005sT n2T iTom0. 0124s2）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U 由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型U型系统一选用设计PI调节器，其传递函数为WASR（S）KnnS 13) 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 h 5，则ASRg前时间常数为nhTn5 0.012

9、S0.06岔转速开环增益:Kn622百亦s78045ASM比例系数:（_ 1） CeTm2hRT n5. 14) 近似校验 转速截止频率为:cn780 40. 0621s48 4s 1(1)电流环传递函数简化条件:cn5T i现在15T"50. 003754. 1scn满足简化条件。(2)小时间常数近似处理条件:cn131 2T iTon现在13 HTon1 54. 8s20. 00370. 0051cn满足近似条件。5) 计算调节器电阻和电容调节器输入电阻R020k，则Rn1.2KnRo122. 4k取 125kCn Rn0. 0621251031060.496 F取 0.5 FCon4Ton"RT4 0.005340 103106F 0.5 F取 0.5 F6）检验转速超调量当h=5时，查表得,n =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ASR退饱和的情况重新计算超调量。