双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计(共31页)

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 刘星平 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： 刘星平 赵葵银 审 批： 李晓秀 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

2、调节和控制，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，给出具体设计思路和电路；3 分析所有单元

3、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：0300VDC2) 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）；9参考文献；10、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周

4、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，20003莫正康电力电子技术应用（第 3 版）机械工业出版社，20004郑琼林 耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19965刘定建 朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，19966刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版

5、社，19957. 刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，19998. 刘星平. 运动控制系统实验指导书，校内，20099. 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.11.1 方案选定.11.2 桥式可逆 PWM 变换器的工作原理.21.3 系统控制电路图.51.4 双闭环直流调速系统的静特性分析.61.5 双闭环直流调速系统的稳态结构图.6二、硬件结构二、硬件结构.82.1 主电路.92.2 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.

6、123.1 整流二极管的选择.123.2 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.144.1 调节器工程设计方法的基本思路.144.2 电流环的设计.144.3 确定时间常数.154.4 选择电流调节器结构.174.5 选择电流调节器参数.174.6 检验近似条件.174.7 计算 ACR 的电阻和电容 .18五转速环的设计五转速环的设计.195.1 确定时间常数.195.2 ASR 结构设计.195.3 选择 ASR 参数.195.4 校验近似条件.195.5 计算 ASR 电阻和电容.205.6 检验转速超调量.205.7 校验过渡过程时间.21六六

7、反馈单元反馈单元.226.1 转速检测装置选择.226.2 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。ASRACR

8、PWMKsR1/CeUn*Ui*nId-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

9、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。ABUMGMOT OR DCVT1VT2VD1VD2VT3VT4VD3VD4Ug1Ug2Ug3Ug4Us图 2 桥式可逆 PWM 变换器电路双极式控制可逆 PWM 变换器的四个驱动电压波形如图 3 所示。3OOOOUg1Ug4Ug2Ug3UABUs-Usidid1id2tttttonTtonT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1423ggggUUUU 时，晶体管、饱和导通而、截止，这时0ontt

10、1VT4VT3VT2VT。当时，、截止，但、不能立即导ABsUUonttT 1VT4VT3VT2VT通，电枢电流经、续流，这时。在一个周di2VD3VDABsUU ABU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，2onTtABU当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出2onTt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421ononondsstTttUUUTTT如果定义占空比，电压系数ontTdsUU则在双极式可逆变换器中21调

11、速时，的可调范围为 01 相应的。当时，11 12为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当12时，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于120零，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

12、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

13、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 .dsddiURiLEdt(0)ontt dsddiURiLEdt()onttT 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，dsUUdI平均转速，而电枢电感压降的平均值在稳态时应为零。/enE CddiLdt于是其平均值方程可以写成sddeURIERIC n则机械特性方程式0sddeeeURRnInICCC 1.5 双闭环直流调速系

14、统的稳态结构图双闭环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，最好的方法就是将被

15、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92.1 主电路主电路 主电路由二极管整流器 UR、PWM 逆

16、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 变换器图 8 为双极式控制时的输出电压和电流波形。相当

17、于一般负1id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2id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 sonsonsonUTtUTtTUTt) 12(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0.012sonT相同时间常数的给定滤波环节。11R0/2R0/2R0/2R0/2RnRbalCnConConUi*Un*-Un图 9 转速反馈电路2.2 泵升电压限制泵

18、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

19、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fIRU足：（A）3 . 32/61 . 121 . 1I)(fAVoI（V）17111021 . 121 . 1U2RU选用大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：型号额定正向平均电流（A)fI额定反向峰值电压URM（V)正向平均压降 （V)FU反向平均漏电流 RI（mA)散热器型号ZP10A1020020000.50.76SZ14在设计主电路时，滤波电容是

20、根据负载的情况来选择电容 C 值，使RC（35）T/2，且有（V)9495. 01109 . 0Umaxd，即 C15000uF2.00.51C213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=440/0.45=978(A)集电极发射极反向击穿电压 (23)）（CEOBV）（CEOBVUs=440660v14四、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

21、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

22、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154.3 确定时间常数确定时间常数rVnIRUCNNaNemin/1 . 01000664. 1110sCCRGDTmem08. 0301 . 037525 . 137522sRLTl005. 02102 .103（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 122612ssUIAAR启动电流与额定电流比为 6110.1676ssNII晶体管放大区的时间常数为 6110.15922 3.14 10ceTssf电流上升时间的计算公式为 rt 11l

23、n0.95rcektTk式中晶体管导通时的过饱和驱动系数，取=2 则 1k1k112ln0.159ln0.1030.9520.95rcektTssk电流下降时间的计算公式为 ft16 221ln0.05fcektTk式中晶体管截止时的负向过驱动系数，取=22k2k则 22112ln0.159ln0.0610.050.052fcektTssk又 10.25.10.00512lLTmsmssR最佳开关频率为 2332610.1670.3320.3324434.8()0.0051 (0.1030.061) 10soplrffHzHzTtt开关频率 f 选为 4.4kHz，此开关频率已能满足电流连续的

24、要求。于是开关周期10.23PWMTmsf脉宽调制器和 PWM 变换器的放大系数为 *1101110dPWMiUKU于是可得脉宽调制器和 PWM 变换器的传递函数为11( )10.000231PWMPWMPWMKWSTss（2）电流滤波时间常数 取 0.5msoiT（3）电流环小时间常数 0.230.50.73iPWMoiTTTmsmsms174.4 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( )iACRiisWsKs4.5 选择电流调节器参数选择电流调节器参数

25、 0.0051ilTs要求时，应取，因此%5%i0.5IiKT 110.50.5684.930.00073IiKssT又 *100.833/2 6imNUVAI于是 684.93 0.0051 20.760.833 11iiIPWMRKKK4.6 检验近似条件检验近似条件 1684.93ciIKs（1）要求，现13ciPWMT。1111s1449.333 0.00023ciPWMsT18（2）要求，现13cimlT T。111133130.890.103 0.0051cimlssT T（3）要求，113ciPWMoiTT现。11111982.95330.00023 0.0005ciPWMois

26、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 60.0051100.1730000iiiCFFR 63044 0.0005100.0540 10oioiTCFFR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 确定时间常数确定时间常数19（1）电流环等效时间常数为22 0.00730.00146siT（2）取转速滤波时间常数0.005onTs（3）20.001460.0050.00646nionTTTsss5.2 ASR 结构设计结构设计根

27、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( )nASRnnsWsKs5.3 选择选择 ASR 参数参数取 h=5，则5 0.006460.0323nnhTss 22222162875.522 25 0.00646NnhKssh T则 (1)6 0.833 0.09016 0.10335.9222 5 0.01 2 0.00646emnnhC TKh RT 5.4 校验近似条件校验近似条件 12875.5 0.032392.88cnNnKs（1）要求，现。15cniT111273.9755 0.00073cnisT（2）要求，1

28、132cnionT T20现111111123.4s3232 0.00073 0.005cnionsT 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040Rk ，取 1440035.92 401436.8nnRK Rkk k ，取 0.1630.0323100.0221440 10nnnCFFRF 63044 0.005100.540 10ononTCFFR5.6 检验转速超调量检验转速超调量 maxn%() 2()NnbNmCnTzCnT当 h=5 时，而max%81.2%bCC，因此6 2133.1minmin0.09016NNeI RrrnC133.10.00646%81.2% 2 10.16714.8%20%10000.103n 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21120.09016 0.103 10000.390.52 2 6emNsNC T nTTTssR 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检测装置选择选测速发电机 永磁式 ZY