双闭环不可逆PWM直流调速系统方案

1、烟幺布上学院Yantai Nanshan University运动控制系统课程设计双闭环不可逆 PWM 直流调速系统院系：工学院电气与电子工程系专业：自动化班级：自动化1202姓名：王学松学号：学1202022007指导教师：王选诚.下载可编辑.下载可编辑.二0一五年七月运动控制系统课程设计任务书一、基本情况学时：1周 学分：1学分 适应班级：自动化1201-1202二、进度安排本设计共安排1周，合计30学时，具体分配如下：实习动员及准备工作：2学时总体方案设计：4学时硬件设计：12学时撰写设计报告：8学时答辩：4学时教师辅导：随时三、基本要求1、课程设计的基本要求运动控制系统课程设计的主要内

2、容包括：理论设计与撰写设计报告等。其中理论设计又包括总体方案选择，硬件系统设计、硬件设计包括单元电路选择元器件及计算参数等；课程设计的最后要求是写出设计总结报告，把设计内容进行全面的总结，若有实践条件，把实践内容上升到理论高度。.下载可编辑.2、课程设计的教学要求运动控制系统课程设计课程设计的教学采用相对集中的方式进行，以班为单位全班学生集中到设计室进行 。做到实训教学课堂化，严格考勤制度， 在实训期间累计旷课达到2节以上，或者迟到、早退累计达到4次以上的学生， 该课程考核按不及格处理。在实训期间需要外出查找资料，必须在指定的时 问内方可外出。课程设计的任务相对分散，每5-6名学生组成一个小组

3、，完成一个课题的 设计。小组成员既有分工、又要协作，同一小组的成员之间可以相互探讨 、 协商，可以互相借鉴或参考别人的设计方法和经验。但每个学生必须单独完成设计任务，要有完整的设计资料，独立撰写设计报告，设计报告雷同率超 过60%的课程设计考核按不及格处理。四、设计题目及控制要求题目：双闭环不可逆PWM直流调速系统要求：1.稳态无静差Oi5%,转速超调量on10),系统在工作范围内能稳定工作；(2)系统静特性良好,无静差(静差率SU);(3)动态性能指标：转速超调量6n8%,电流超调量5%,动态最大 转速降10%；调速系统的过渡过程时间(调节时间)tsn*时，AUn Idi,在一段时间内，转速

4、仍继续增加 当Id= Idl时，T=Tl, , n达到最大值（t3时刻）。此后，电动机在负载的阻力.下载可编辑. 下减速，与此相应，电流Id也出现一段小与IdL的过程，直到稳定。在这最后 的转速调节阶段内,ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节 在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使Id尽快地跟随ASR的 输出量U*i,或者说，电流内环是一个电流随动子系统。综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：1饱和非线性。在不同情况下表现为不同结构的线性系统。2准时间最优控制。n阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制 。采用 饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有

5、使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍地得到应用。3转速必超调。按照PI调节器的特性，只有转速超调，ASR的输入偏差电 压AUn为负值，才能使ASR退饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速 系统的转速必超调。2.5 .5 PWM变换器介绍脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。PWM变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单 极式等多种电路。下面分别对各种形式的PWM变换器做一下简单的介绍和分 析。不可逆PWM变换器分为无制动作用和有制动作用两种。图2.6 (a)所示.下载可编辑.为无制动作用的简单不可逆PWM变换器主电路原理图，其开关器件采用全

6、控 型的电力电子器件。电源电压Us 一般由交流电网经不可控整流电路提供。电 容C的作用是滤波，二极管VD在电力晶体管VT关断时为电动机电枢回路提 供释放电储能的续流回路。图2.6简单的不可逆 PWM变换器电路电力晶体管VT的基极由频率为f,其脉冲宽度可调的脉冲电压 Ub驱动。在一个开关周期T内，当0qqn时，Ub为正，VT饱和导通，电源电压通过 VT加到电动机电枢两端；当tonGMT时，Ub为负，VT截止，电枢失去电源， 经二极管VD续流。电动机电枢两端的平均电压为Ud= Uston/T= pUs式中，p=U d/U 5=t on/T PWM电压的占空比，又称负载电压系数。ton P的变化范围

7、 在01之间，改变，p即可以实现对电动机转速的调节。图2.6 (b)时电动.下载可编辑. 机电枢的脉冲端电压Ud、平均电压Ud和电枢电流id的波型。由图可见，电流 是id脉动的，其平均值等于负载电流Id尸TL/Cm (Tl负载转矩，Cm 直 流电动机在额定磁通下的转矩电流比)。由于VT在一个周期内具有开关两种 状态，电路电压平衡方程式也分为两阶段，即在0&t&ton期间 U5=Rid+Ldi d/dt+E 在 tongq期间 0=Rid+Ldid/dt+E 式中，R, L电动机电 枢回路的总电阻和总电感；E电动机的反电动势。PWM调速系统的开关 频率都较高，至少是14kHz,因此电流的脉动幅值

8、不会很大，再影响到转速 n和反电动势E的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视n和E为恒值。这种简单不可逆PWM电路中电动机的电枢电流iD不能反向，因此系统没 有制动作用,只能做单向限运行,这种电路又称为受限式不可逆PWM电路 这种PWM调速系统，空载或轻载下可能出现电流断续现象，系统的静、动态 性能均差。图2.7(a)动作用的不可逆PWM变换电路，该电路设置了两个电力晶体管 VT1和VT2,形成两者交替开关的电路，提供了反向电流的-id通路。这种电路 组成的PWM调速系统可在第I、II两个象限中运行。VT1和VT2的基极驱动 信号电压大小相等，极性相反，即Ub=-Ub2。当电动机工作在电动状态

9、时，在 一个周期内平均电流就为正值，电流id分为两段变化。在0qton期间，Ub1为正，VT1饱和导通；Ub2为负，VT2截止。此时，.下载可编辑.电源电压U5加到电动机电枢两端，电流id沿图中的回路1流通。在tontMT 期间，Ubi和Ub2改变极性，VT1截止，原方向的电流id沿回路2经二极管VD2 续流，在VD2两端产生的压降给 VT2施加反压，使VT2不可能导通。因此， 电动机工作在电动状态时，一般情况下实际上是电力晶体管 VT1和续流二极管 VD2交替导通，而VT2则始终不导通，其电压、电流波型如图2.7 (b)所示, 与图2-1没有VT2的情况完全一样。如果电动机在电动运行中要降低

10、转速，可 将控制电压减小，使Ub1的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使电动机电枢两端 的平均电压Ud降低。但是由于惯性，电动机的转速n和反电动势E来不及立 刻变化，因而出现UdE的情况。这时电力晶体管VT2能在电动机制动中起作 用。在tonGMT期间，VT2在正的Ub2和反电动势 E的作用下饱和导通,由 E-Ud产生的反向电流-id沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动,一部分能量 消耗在回路电阻上，一部分转化为磁场能存储在回路电感中，直到t=T为止。 在Tgwton (也就是0qton)期间，因Ub2变负，VT2截止，-id只能沿回路4 经二极管VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上产生的压降

11、使VT1承受 反压而不能导通。在整个制动状态中，VT2和VD1轮流导通，VT1始终截止， 此时电动机处于发电状态，电压和电流波型图2.7 (c)。反向电流的制动作用 使电动机转速下降，直到新的稳态。.下载可编辑.1出图2.7有制动作用的不可逆 PWM变换电路这种电路构成的调速系统还存在一种特殊情况，即在电动机的轻载电动状态中,负载电流很小，在VT1关断后（即tong勺 期间）沿回路2径VD2.下载可编辑.的续流电流id很快衰减到零，如在图2.7 (d)中的tonT期间的t2时刻。这 时VD2两端的压降也降为零,而此时由于Ub2为正，使VT2得以导通,反电 动势E经VT2沿回路3流过反向电流-i

12、d,产生局部时间的能耗制动作用。到了 0q&ton期间，VT2关断，-id又沿回路4经VD1续流，至ij t=t4时-id衰减到零， VT1在Ubi作用下因不存在而反压而导通，电枢电流再次改变方向为-id沿回路 1经VT1流通。在一个开关周期内，VT1、VD1、VT2、VD1四个电力电子开 关器件轮流导通，其电流波形示图2.7 (d)。综上所述，具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的调速系统，电动机 电枢回路中的电流始终是连续的；而且，由于电流可以反向，系统可以实现 二象限运行，有较好的静、动态性能。可逆PWM变换器主电路的结构形式有 T型和H型两种，其基本电路如图2.8所示，图中2.8 (a

13、) PWM变换器电路，(b)为H型PWM变换器电路。图2.8可逆PWM变换器电路.下载可编辑.T型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于50V的电动机的可 控电压源；但是T型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子 器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅 值为H型电路的一半。H型电路是实际上广泛应用的可逆 PWM变换器电路, 它由四个可控电力电子器件 （以下以电力晶体管为例）和四个续流二极管组 成的桥式电路，这种电路只需要单极性电源，所需电力电子器件的耐压相对 较低，但是构成调速系

14、统的电动机电枢两端浮地。第3章电路设计2.6 PWM （双极式）主电路设计H型变换器电路在控制方式上分为双极式、单极式和受限单极式三种。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, 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 VTz0.下载可编辑.2.7 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

15、进行采样与测量。2.7.1 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Toi=0.002s ,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3.1给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器2.7.2 转速调节器转速反馈电路如图3.2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Ton=0.01so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。.下载可编辑.图3.

16、2含给定滤波与反馈滤波的 PI型电转速调节器2.8 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R、G值即可确定振荡频率。电路中 的PWM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3.3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，.下载可编辑.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

17、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IN-IN+ OSC OUT CURR LIM+ CURR LIM-RT0CTtGND 21531441351261171069REF OUTj VCCEMIT 2COL 2COL 1EMIT 1SHUTDOWNj COMP图3.3 SG3524管脚图vet - 8 vt&40 vaHUTaChwto kiCDMFCURR Lili*10vccI Op* 川ose ourREIF ourVREFCOL 2COLTEM T2=N Tt12Qui0wte图3.4 SG3524引脚接线图.下载可编辑.11 Vin is7 Vr上悔畸部tf

18、t出PWMlE绘寤lOkCtI kC图3.5 SG3524内部框图主要参数：输入电压Uimax: 40V 输出电流：500mA 好散功率：1W2.9 IGBT基极驱动电路原理工作原理如图3.6所示.下载可编辑.图3.6 EXB841内部结构图EXB841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；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 (-,+);2.10 于EXB841驱动电路设计

19、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 +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.下载可编辑.是防止IGBT误导通针对EXB841存在保护盲区的问题,可如图3,7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

20、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3.7 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：10kHz,下载可编辑.2.11 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U*c在PWM转换器 (SG3524)中进行比较，P

21、WM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3.8所示图3.8锯齿波信号发生电路.下载可编辑.第4章系统参数计算2.12 流调节器的设计确定时间常数1）整流装置滞后时间常数：三相桥式电路的平均时空时间 Ts=0.0017S2）电流滤波时间常数：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（1-2）Toi=3.33ms,因止匕取 Toi=2ms=0.002s。3）电流环小时间常数之和Ta=Ts+Toi=0.0037s。4）电动势系数 Ce=（Udo-Id*Ra）/n=0.04, 转矩系数Cm=30

22、Ce/3.14=0.38 。5）电机时间常数 Tm=0.014Ra/375CeCm=0.084s 。选择电流调节器结构根据设计要求：Oi5%,电磁时间常数T1=La/Ra=0.0178s。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尸Ki（t is+1）/t is式中Ki电流调节器的 比例系数；干 电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能： Tl/T?i=0.0178/0.0037s=4 ,对于I型系统动态抗扰性能，各项指标都可以接 受。.下载可编辑.选择电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：ti=T 1=0.0

23、178 0电流环开环时间增益：要求cr05%时应取KiT归0.5 ,因止匕 Ki=0.5/T 2=0.5/0.0037=135.18 -1。电流反馈系数:户U*im/ 4rqm=10/(1.5 X2.9)=2.3V/A ;a=U *nm/n nom =10/2400=0.004V/(r/min)。PWM装置放大系数：Ks=4.8。ACR 的比例系数为：Ki=K|tiR/pKs=135.1 X0.0178 X3.4/(2.3 X4.8)=0.74(4)校验近似条件电流环截止频率：ci=Ki=135.1-11)检验品闸管整流装置传递函数近似条件：coci coci 满足近似条件;2)忽略反电动势变

24、化对电流环动态影响的条件：-ci W1/ TmTl即 3M/ TmTl=3M/( 0.084 X 0.0178 =77.58s-1 ci 满足近似条件；3)小时间常数近似处理条件：coci 可满足近似条件。4)计算调节器电阻和电容调节器输入电阻为R=40KQ,各电阻和电容值计算如下.下载可编辑.R=KiR0=0.74 X40 K Q=29.6 K Q ,G=t i/Ri=0.0178/(29.6 X103) X106 pF=0.6 ,Coi=4Toi/R0=(4 X0.002)/(40 X103) X10%F=0.2 妤。2.13 速调节器的设计确定时间常数1)电流环等效时间常数：2T/2 X

25、0.0037=0.0074s ;2)转速滤波时间常数：T0n=0.01s；3)转速环小时间常数近似处理：T的=2Tx+Tm=0.0174s 。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 n由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型R型系统一选用设计PI调节器，其传递函数为：WASR (s) =Kn(ts+1)/t ns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ASR超前时间常数为tn=hT m=5 X0.0174s=0.087s ;转速开环增益：Kn=( h

26、+1 )/(2h 2T2 w n)=6/(2 x 25 x0.01742)s-2=396.4s-2 ;.下载可编辑.ASR 的比例系数:Kn=(h+1)叫eTm/(2h aRT由)=(6 X2.3X0.04X0.084)/(2 X50.4X0.0174)=19.6。(4)近似校验转速截止频率为：cocn=KN/产KNtn=396.4 X0.087s-1=34.5s-11)电流环传递函数简化条件：cocn cocn 满足简化条件。2)小时间常数近似处理条件：cn n 满足近似条件。(5)计算调节器电阻和电容调节器输入电阻Ro=40KQ,则Rn=KnR0=19.6 W0 K Q=784 K Q ;Cn=tn/Rn=0.087/(784 X103)X106 F=0.11 pF,取 0.2 此Con=4Ton/Ro=(4 X0.01)/(40 X103) X10%F=1 pF,取 1 pF。(6)检验转速超调量当h=5时，查表得，on=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。设理想空载起动时，负载系数z=0。.下载可编辑.”=(A Cmax/C b%)*2(入-Z) A nnom/n *T wn/Tm ,当 h=5