PWM直流调速系统设计-----控制系统分析课程设计(共19页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上控制系统分析课程设计课题： PWM直流调速系统设计系 别： 电气与电子工程系 专 业： 自 动 化 姓 名： 学 号： 指导教师： 河南城建学院 成绩评定一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。二、评分（按下表要求评定）评分项目设计报告评分答辩评分平时表现评分合 计 （100分）任务完成情 况（20分）课程设计报告质量（40分）表达情况（10分）回答问题情 况（10分）工作态度与纪律（10分）独立工作能力（10分）得分课程设计成绩评定班级 姓名 学号成绩： 分（折合等级 ）指导教师签字 年 月 日目 录一、设计目的1二、设计要求.1三、

2、PWM变换器的工作状态和电压、电流波形.1四、总体设计方案.44.1电路总体结构框图.44.2给定电压电源电路设计.44.3电流调节器设计.54.4 转速调节器设计10五、设计总结.16专心-专注-专业一、 设计目的 通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。通过课程设计：1. 学会应用所学课程的理论知识独立完成一个课程设计。2. 能够通过设计掌握独立分析和解决实际问题的能力。3. 通过设计了解和掌握PWM技术。4. 学会使用和查找设计有关的书籍和资料。5. 学会撰写课程设

3、计总结报告，培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。二、 设计要求1采用PWM控制和变换器实现电机调速的功能。2使用可逆电路，最常用的可逆电路就是桥式可逆PWM变换器。3学习PWM技术在实际中的应用。三、 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形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、宽度可以改变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。PWM变换器电路有多种形式，可以分为不可逆和可逆两大类，本次设计中要求使用可逆电路，最常用的可逆电路就是桥式可逆PWM变换器桥式（亦称H形）电路，如图3-1所示。这是，电动机M两端电压的极性随开关器

4、件驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单级式、受限单级式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。双极式控制可逆PWM变换器的4个驱动电压波形如图3-2所示，它们的关系是：。在一个开关周期内，当时，电枢电流沿回路1流通；当时，驱动电压反相，沿回路2经二极管续流，。因此，在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。图3-1 桥式可逆PWM变换图3-2也绘出了双极式控制时的输出电压和电流波形。相当于一般负载的情况，脉动电流的方向始终为正；相当于轻载情况，电流可以在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。在不同情况下，器件的导通，电流的方向与回路都和

5、有制动电流通路的不可逆PWM变换器相似。电动机的正反转则体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲比较宽时，则的平均值为正，电动机正转，反之则反转；如果正、负脉冲相等， ，平均输出电压为零，则电动机停止。图3-2所示的波形是电动机正转时的情况。图3-2 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形 四、 总体设计方案4.1电路总体结构框图电路设计的第一步就是设计整个电路的各个环节所组成的结构框图，然后才是通过框图设计各个环节的具体电路，并在明确了各个环节所要实现的功能后对各个环节的电路进行参数的调整，所以结构框图作为设计的第一步是十分重要的。本次设计要求采用PWM控制和变换器实现电

6、机调速的功能，为了使系统的稳态性能和动态性能都达到比较高的标准，还是采用了转速电流双闭环的控制方式，电路总体结构框图如图3-1所示：图4-1 电路总体结构框图4.2给定电压电源电路设计给定电压由外电路提供，一般给定电压能够达到15V就够了，所以给定电压的电源电路使用LM7815作为稳压芯片。其电路原理图如图3-2所示：图4-2 给点电压供给电路变压器选择变比为11：1的降压变压器，对功率没有特殊要求，将220V交流电压转换成20V交流电压，然后经过整流桥，将交流电压变成直流电压，通过4700大电容C1滤波产生脉动小的直流电压，之后通过LM7815芯片将电压稳定在15V。后级的100电容C4起到

7、减小纹波的目的，进一步减小电流脉动。0.01电容C5的作用是滤去输出信号中的高频噪声，进一步提高输出电压的质量。在使用LM7815时，要配套使用C2和C3，并分别取值为0.33和0.1，它们所起的作用是防止芯片内部电路产生高频自激震荡。二极管D1的作用是保护芯片在切断电源时不会受到负载的反电动势的作用，以免烧坏芯片，实际上就是起到为芯片后级负载续流的作用，虽然本次设计中Un*并没有反电动势，但出于电路设计的良好习惯还是加上了二极管D1。4.3电流调节器设计本次课题中将运用控制工程设计法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外环

8、扩展。在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，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。双闭环调速系统的实际动态结构框图如图3-3所示，它除了包括了主要环节外还包括了电流滤波环节和转速滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等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相同的延时，使二者在时间上

9、得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。图4-3 系统动态结构框图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，滤波时间常数用表示。根据电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。4.3.1.电流环结构框图的化简在图4-3点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环

10、时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，忽略反电动势对电流环作用的近似条件为 (4-1)如果再考虑到由于和一般都比小得多，可以当做小惯性群而近似的看作是一个惯性环节，其时间常数为 (4-2)则电流环结构框图最终简化成图4-4图4-4 电流环最终简化图简化的近似条件为 (4-3)4.3.2.电流调节器结构的选择简化动态结构后开始考虑电流调节器的结构。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。再重动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰动作

11、用只是次要的因素。为此，电流环应以跟随性为主，即应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然要采用PI型电流调节器，其传递函数可以写成 (4-4)其中为电流调节器的比例系数为电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 (4-5)则电流环的开环传递函数变成 (4-6)其中 (4-7)4.3.3.电流调节器参数计算由式（3-4）可以看出，电流调节器的参数是和，其中已经由式4-5选定，待定的只剩下比例系数，可以根据所需要的动态性能指标选取。在本次设计中，希望电流超调量，故可以选择对应的，则 (4-8)在利用式（3-7）和式（3-8）

12、得到 (4-9)4.3.4.电流调节器的实现 含有给定滤波和反馈滤波的模拟式PI电流调节器原理图如图4-5所示。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。其中， ,。图4-5 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器根据运算放大器的电路原理，可以容易的导出： (4-10) (4-11) (4-12)根据以上的过程分析，本次课程设计的电流调节器的具体参数选取方式如下。由于采用的PWM的频率为10kHz，所以整流装置的滞后时间常数，不妨取。PWM的每个正脉冲的时间为0.05ms，为了基本滤平电流，应有，所以，取电流滤波时间常数。故有。检查对电源电压的抗扰性能：，

13、这一指标表明动态降落非常的小，但是恢复时间相对来说较长，但是也在可以接受的范围内。电流调节器的超前时间常数：。电流开环增益：要求，故应取，因此。不妨设为12.33V于是,由式（4-7）可以算出电流调节器ACR的比例系数为：校验近似条件的验证如下：有电流环截止频率：1.PWM整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。2.忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件。3.电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。下面开始计算PI调节器中的相关电子元器件的取值按照图（4-5）不妨取，则各电阻和电容值为：，取,取,取由以上原件构成的PI调节器的动态跟随指标为满足设计要求，于是最终的ACR结构如图（

14、4-6）所示：图4-6 ACR最终结构图4.4 转速调节器设计4.4.1.电流环的等效闭环传递函数设计好电流环后，开始设计转速环，电流环经过简化后可以视为转速环中的一个环节，为此需要求它的闭环传递函数。由式（4-6）知道其开环传递函数为，故可以求出其闭环传递函数： （4-13）忽略高次项，可以近似为： （4-14）近似条件为： （4-15）为转速开环频率特性的截止频率。3.4.2.转速调节器结构的选择接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中等效为： （4-16）这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。用电流环的

15、等效环节代替图4-3 中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图4-7所示。图4-7 电流环等效为一个环节后的转速控制系统结构框图和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 （4-17）为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函

16、数为： （4-18）其中为转速调节器的比例系数，为转速调节器的超前时间常数。经过整理可得，调速系统的开环传递函数为： （4-19）其中 （4-20）上述结果所需要服从的近似条件归纳如下： （4-21） （4-22）4.4.3.转速调节器参数的计算转速调节器的参数包括和。按照典型型系统的参数关系有： （4-23） （4-24） （4-25）对于中频宽h的选择，一般取5能够满足跟随和抗扰性能都较好的原则，如果不能满足系统的动态性能要求则做适当的调整。4.4.4.转速调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的PI转速调节器原理图如图4-8所示，图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出时电流调节器的

17、给定电压。其电路结构与电流调节器雷同，。图4-8 含给定滤波与反馈滤波的PI转速调节器电阻电容的取值如下： （4-26） （4-27） （4-28）根据以上讨论，本设计中的ASR设计如下：电流环等效时间常数为，前面已经选择,则有转速滤波常数根据测速发电机的纹波情况，取于是转速环小时间常数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为由式（4-24）得：由题意可以算的：(不妨设为14.5V)于是由式（4-25）就可以得到：下面验证近似条件是否满足：电流环传递函数简化条件为满足条件转速环小时间常数近似处理条件为满足条件下面开始计算实现电路所需要的电器元件的取值,取，取,取,取所以最终的

18、转速调节器的电路如图4-9所示：图4-9 转速调节器ASR最终形态根据可以得知，转速超调，这显然是不满足设计要求的。但是实际上由于突加阶跃给定时，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。设理想空载启动时负载系数，过载系数一般取，当时，查表可知于是有：这显然是符合题目要求的下面考虑系统在满足稳态性能要求的时候稳定运行：由上述过程已经有：下面还可以计算出闭环速降为：所以有系统开环放大系数应满足：而若要系统稳定运行则应有：显然K的取值同时满足稳态性能指标和稳态运行的要求。由以上过程可知，在满足静差率和调速范围的条件下系统可以实现稳态运行，同时满足转速超调和电流超调的要求。另外由表4-1可知，当即时，可以推断动态速降一定是满足的。表4-1 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系m1/51/101/201/30Cmax/Cb*100%55.5%33.2%18.5%12.9%tm / T2.83.43.84.0tv / T14.721.728.730.4对于ACR，为典型I型系统，可以近似计算调节时间：对于ASR，为典型II型系统，调节时间满足的关系可以由表4-2知道，当取时调节时间表4-2 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标h3456789105