交直流调速系统课程设计

1、目录交直流调速课程设计任务书3前言5关键词5交直流调速课程设计说明书6一、总体方案确实定61.1 现行方案的讨论与比拟61.2 选择PWM控制系统的优越性71.3采用转速电流双闭环的理由71.4起动过程电流和转速波形101.5 H桥双极式逆变器的工作原理101.6 PWM调速系统静特性12二、双闭环直流调速系统的硬件结构132.1主电路142.2 电流调节器152.3转速调节器152.4控制电路设计162.5、控制环节电源设计172.6、限幅电路172.7转速检测电路182.8、电流检测电路182.9、泵升电压限制19三、电机参数及设计要求203.1电路根本信息如下：203.2计算反响关键参数

2、20四、课程设计心得体会24五、系统主要硬件结构图25参考文献：26交直流调速课程设计任务书一、 题目：双闭环可逆直流PWM调速系统设计二、 设计目的 1、对先修课程电力电子学、自动控制原理等的进一步理解与运用2、运用?电力拖动控制系统?的理论知识设计出可行的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。也可以制作硬件电路。3、同时能够加强同学们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。到达综合提高学生工程设计与动手能力的目的。三、 系统方案确实定自动控制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能动、静电机参数主电路控制方案系统方案确实定“系统设

3、计仿真研究参数整定直至理论实现要求硬件设计制板、焊接、调试等过程，其中系统方案确实定至关重要。为了发挥同学们的主观能动作用，且防止方案及结果雷同，在选定系统方案时，规定外的其他参数由同学自已选定。1、主电路采用二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器;2、速度调节器和电流调节器采用PI调节器；U*nm=U*im =Ucm=10V3、机械负载为对抗性恒转矩负载，系统飞轮矩含电机及传动机构GD2 1.5Nm2；4、主电源：可以选择三相交流380V供电，变压器二次相电压为52V；5、他励直流电动机的参数：见习题集【4-19】p96nN=1000r

4、/min，电枢回路总电阻R=2，电流过载倍数=2；6、PWM装置的放大系数Ks=11；PWM装置的延迟时间Ts=0.4ms。四、 设计任务a) 总体方案确实定；b) 主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；c) 系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图；d) 控制电路设计、原理分析、主要元件/参数的选择；e) 调节器、PWM信号产生电路的设计f) 检测及反响电路的设计与计算；五、课程设计报告的要求：1、不准相互抄袭或代做，一经查出，按不及格处理；2、报告字数：不少于8000字含图、公式、计算式等。3、形式要求：以?福建农林大学本科生课程设计?工科的标准化要求撰写。要求文字通顺、字迹

5、工整、公式书写标准。报告书上的图表允许徒手画，但必须清晰、正确且要有图题。4、必须画出系统总图，总图不准徒手画，电路图应清洁、正确、标准。未进行具体设计的功能块允许用框图表示，且功能块之间的连线允许用标号标注。六、参考资料1、电气传动控制系统设计指导李荣生主编 机械工业出版社2004.62、新型电力电子变换技术 陈国呈 中国电力出版社3、电力拖动自动控制系统，上海工业大学 陈伯时，机械工业出版社4、电力电子技术 王兆安黄俊主编机械工业出版社2000.1前言 在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。目前国内各大院校，科研单位和厂家也都在开发直流调速装置，但大多数调

6、速技术都是结合工业生产中，而在民用中应用相对较少，所以应用已有的成熟技术开发性能价格比高的，具有自主知识产权的直流调速单元，将有广阔的应用前景。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比拟重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。目前，直流调速技术的研究和应用已到达比拟成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。本文基于PWM的双闭环直流调速系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的

7、双闭环直流调速系统。首先提出了PWM调速方法的优势，指出了未来PWM调速方法的开展前景，点出了研究PWM调速方法的意义。应用于直流电机的调速方式很多，其中以PWM变频调速方式应用最为广泛，而PWM变频器中，H型PWM变频器性能尤为突出，作为本次设计的根底理论，本文将对PWM的理论进行详细论述。 关键词：直流调速 ；双闭环 ；PWM ；直流电机交直流调速课程设计说明书一、总体方案确实定1.1 现行方案的讨论与比拟直流电动机的调速方法有三种：  1调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速

8、的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。  2改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速简称弱磁调速，从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。  3改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。  改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、

9、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：1旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。2静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。3直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流

10、电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。1.2 选择PWM控制系统的优越性脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司Silicon General的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。PWM系统在很多方面具有较大的优越性 ：1 PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。2 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。3 低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可到达1：10000左右。4 如果可以与快

11、速响应的电动机配合，那么系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。5 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高。 6 直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器效率高。1.3采用转速电流双闭环的理由 同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反响控制系统中，不管出于什么原因外部扰动或系统内部变化，只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。单闭环速度反响调速系统，采用PI控制器时，可以保证系

12、统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。在要求较高的调速系统中，一般有两个根本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降

13、至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。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。直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管变流装置，作为系统的功率驱动器，系统构成原理图如下所示：图1-1直流PWM传动系统结构图其中属

14、于脉宽调制调速系统主要由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管基极的驱动器GD和脉宽调制PWM变换器组成。最关键的部件为脉宽调制器。模拟式脉宽调制器本质为电压-脉冲变换装置，它是由一个运算放大器和几个输入信号构成电压比拟器。去处放大器工作在开环状态，在电流调节器的输出控制信号U的控制下，产生一个等幅、宽度受U控制的方波脉冲序列，为PWM变频器提供所需的脉冲信号。脉宽调制器按所加输入端调制信号不同，可分为锯齿波脉宽、三角波脉宽调制器。目前就用较多脉宽调制信号由数字方法来产生，如专用集成PWM控制电路及单片微机所构成的脉宽调制器。如图1-2为双闭环直流调速系统原理图图1

15、-2 双闭环直流调速系统原理图为了实现转速和电流两种负反响分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反响和电流负反响。二者之间实行嵌套或称串级联接如图1-3所示。图1-3转速、电流双闭环直流调速系统结构图中，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电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。双闭环直流调速系统的动态结构图如图1-4所示图1-4双闭环直流调速系统的动态结构图图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反响，在电动机的动态结构图上必

16、须把电流标示出来。电机在启动过程中，转速调节器经历了不饱和、饱和、退保和三种状态，整个动态过程可分为三个阶段。1.4起动过程电流和转速波形启动电流成方波形，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。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn图1-5实际波形图1-6理想波形1.5 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1-7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。

17、图1-7 H形双极式逆变器电路双极式逆变器的四个驱动电压波形如图1-8所示。图1-8 H形双极式逆变器的驱动电压、输出电压和电流波形他们的关系是：。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，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5所示。电动机的正反转表达在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，那么的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，那么反转；如果正负脉冲相等，平均输出电压为零，那么电动机停止。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，电压系数那么在双极式可逆变换器

18、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。1.6 PWM调速系统静特性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拟简单，电压平衡方程如下： . 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，平均转速，而电枢电感

19、压降的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成那么机械特性方程式 图1-9 脉宽调速系统的机械特性电流连续时二、双闭环直流调速系统的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。 主电路：三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流 PWM 变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。 检测回路：包括电压、电流、温度和转速检测。电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速光

20、电码盘。故障综合：利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比拟，假设发生故障立即通知微机进行故障诊断，以便及时处理，防止故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。2.1主电路可逆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2-1所示。这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图2-1所示。设计要求使用三相交流380V供电，必须经过变压成110V前方可使用，PWM变换器的直流电源由交流电网经不

21、可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压Us。由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻，合上电源后，用延时开关将短路，以免在运行中造成附加损耗。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，可以用镇流电阻消耗掉局部动能，的分流电路靠开关器件在泵升电压到达允许数值时接通。图2-1：桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图2.2 电流调节器图2-2 PI型电流调节器由于电流检测中常常含有交流分

22、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。为了平衡反响信号的延迟，在给定通道上参加同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。2.3转速调节器转速反响电路如图2-3所示，由测速发电机得到的转速反响电压含有换向纹波，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参加相同时间常数的给定滤波环节。图2-3 PI型电转速调节器2.4控制电路设计在实际的正常运行时，电流调节器是不会到达饱和状态的。当转速调节器不饱和时，稳态时，它们的输入偏差电压都是0。而当转速饱和时，ASR输

23、出到达限幅值，转速环呈开环转态，双闭环系统相当于一个电流无静差的单电流闭环调节系统。在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小那么同时取决于转速和负载电流。PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为0，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反响起主要调节作用。当负载电流到达Idm时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。 对其启动过程的分析，由于在启动过程中转速调节器

24、ASR经历了不饱和、饱和、退保和三种情况，整个动态过程就分成I、II、III三个阶段。如下列图所示： 图2-4第一个阶段是电流上升阶段。 第二个阶段是恒流上升阶段，是起动过程中的主要阶段。 第三阶段是转速调节阶段。 对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差异。负载扰动能够比拟快的反响到被调量n上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用被调量稍远，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反响得到及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反响回来，抗扰性能大有改善。 2.5、控制环节电源设计在闭环调速系统中

25、，各个控制环节属于弱电局部，需要提供稳定的低压直流电源。此电路如图2-5所示，由稳压器件所组成，线路简单、性能稳定、工作可靠，用于产生±15V电压作为转速给定电压以及基准电压。图2-5 给定基准电源电路2.6、限幅电路 图2-6二极管钳位的外限幅电路 图2-7稳压管钳位的外限幅电路2.7转速检测电路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响电压，与给定电压相比拟后，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，测速电路如图2-8所示，通过调节电位器即可改变转速反响系数。图2-8转速检测电路2.8、电流检测电路本设计

26、电流检测电路采用小电阻采样检测，电路原理如图2-9所示。图2-9 电阻采样的电流检测电路电路检测电路原理：通过串接在电动机主电路里的小电阻采样得到的电压,经过放大器放大后再经过电阻Rpi分压后得到一个大小适宜的电流反响信号Ui*,再接到电流调节器的反响输入端，实现电流反响调节。改变电路中Rpi的分压阻值，就可以改变电流调节器的反响系数。2.9、泵升电压限制IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压Ugs、负偏压-Ugs和门极电阻Rg的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及dU/dt电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压Ugs的变化对IGBT的

27、开通特性，负载短路能力和dUgs/dt电流有较大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时，门极电路设计中也必须注意开通特性，负载短路能力和由dUgs/dt电流引起的误触发等问题。 根据上述分析，对IGBT驱动电路应具备以下要求和条件：(1)由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压uGS有足够陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT不至退出饱和而损坏。(3)门极电路中的正偏压应为+12+15V；负偏压应为

28、-2V-10V。(4)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT 的自保护功能。IGBT 的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的GE极之间不能为开路。本设计中IGBT驱动信号由集成的PWM模块产生。而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。因此本设计采用光耦合隔离器作为IGBT的驱动电路，电路原理如图2-10所示。图2-10 光电隔离驱动电路三、电机参数及设计要求3.1电路根本信息如下：1、主电路采用二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器;2、

29、速度调节器和电流调节器采用PI调节器；U*nm=U*im =Ucm=10V3、机械负载为对抗性恒转矩负载，系统飞轮矩含电机及传动机构GD2 1.5Nm2；4、主电源：可以选择三相交流380V供电，变压器二次相电压为52V；5、他励直流电动机的参数：见习题集【4-19】p96nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=2，电流过载倍数=2；6、PWM装置的放大系数Ks=11；PWM装置的延迟时间Ts=0.4ms。7、调节器输入电阻;8、Inom=6A, , TS=0.0004s, , Idbl=1.5Inom,Ra=1.64。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

30、定转速时的转速超调量。3.2计算反响关键参数： KS=(CenN+IdblR)/Ucm=11.8电流环的设计 1确定时间常数：PWM装置滞后时间常数：TS=0.0004s, 时间常数:。(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：，而且Tl=L/R=0.0051(s)，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：ACR超前时间常数；电流环开环时间增益:要求，故应取，因此 于是，ACR的比例系数为: 4校验近似条件：电流环截止频率: 1晶闸管装置传递函数近似条件：即 满足近似条件；2) 忽略反电动势对电流环影响的条件： Tm=GD2R/375CeCm=0.084(s), 即不满足近似条件；3) 小时间常数近似处理条件：即 满足近似