双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计仅供个人参照电力拖动自动控制系统课程设计报告PWM控制双闭环可逆直流调速系统设计学院：信息工程学院学号：专业（方向）年级：学生姓名：扬州大学信息工程学院年代日不得用于商业用途仅供个人参照目录1.课程设计任务书......................................................12．课程设计技术报告....................................................32.1方案确定.........................................................3方案选定.....................................................3桥式可逆PWM变换器工作原理...................................3系统控制电路图...............................................6双闭环直流调速系统静态解析...................................6双闭环直流调速系统稳态结构图.................................72.2硬件结构.........................................................9主电路.......................................................9泵升压限制..................................................112.3主电路参数计算及元件选择........................................12整流二极管选择..............................................12绝缘栅双极晶体管选择........................................122.4调治器参数设计和选择............................................13电流环的设计................................................13转速环的设计................................................16反响单元....................................................182.5系统动向结构图..................................................192.6系统仿真3．心得领悟...........................................................20参照资料不得用于商业用途仅供个人参照1、课程设计任务书1.1、题目PWM控制双闭环可逆直流调速系统设计1.2、设计目的和意义（1）、经过对电力拖动控制系统的设计，认识电力电子、自动控制原理及电力拖动自动控制系统课程所学内容，初步具备设计电力拖动自动控制系统的能力，为今后从事技术工作打下必要的基础。（2）、运用《电力拖动控制系统》的理论知识设计出满足任务书要求的直流调速系统，经过建模、仿真考据理论解析的正确性。1.3、技术数据（1）、他励直流电动机的参数：电枢电阻Ra=1.64，电枢回路总电感L=10.2mH，额定电流Inom=6A，额定电压Unom=110V。额定转速n=1000r/min，电流过载倍数λ=2。励磁电压110V，励磁电流0.4A。转动惯量,磁场与电枢互感2.17。（2）、电枢回路总电阻R=2Ω,调速系统的最小负载电流Io=1A。（3）、主电源：能够选择单相交流220V供电；（4）、牢固指标，无静差。动向指标，5%i（5）、空载起动到额定转速时转速超调量15%n（6）、给定电压最大值为±10V。1.4、设计任务（1）整体方案的确定；（2）主电路原理及波形解析、元件选择、参数计算；不得用于商业用途仅供个人参照（3）系统原理图、稳态结构图、动向结构图；（4）电流环、转速环的参数的设计；（5）依照电流环、转速环的参数成立仿真模型；（6）进行MATLAB仿真；不得用于商业用途仅供个人参照2、课程设计技术报告2.1、方案确定方案选定直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，转速调治器与电流调治器串极联系，转速调治器的输出作为电流调治器的输入，再用电流调治器的输出去控制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必然、宽度可变的脉冲电压序列，从而能够改变平均输出电压的大小，以调治电机转速，达到设计要求。整体方案简化图如图1所示。Id|βRUn*Ui*-nASRACRPWM1/Ce-|α图1双闭环调速系统的结构简化图用双闭环转速电流调治方法，诚然相对成本较高，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牢固，同时也兼顾了启动时启动电流的动向过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反响，没有转速负反响，不让电流负反响发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调治，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正确过渡过程，很好的满足了生产需求。桥式可逆PWM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必然宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调治电机转速。不得用于商业用途仅供个人参照桥式可逆PWM变换器电路如图2所示。这是电动机M两端电压UAB的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。UsVT1VD1VD3VT3Ug1Ug3MGMOTORDCVT2VD2VD4VT4Ug2Ug4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。Ug1Ug4tOtonTUg2Ug3tOUABUstOtonT-Usidid1id2tO图3PWM变换器的驱动电压波形他们的关系是：Ug1Ug4Ug2Ug3。在一个开关周期内，当0tton时，晶体管VT1、VT4饱和导通而VT3、VT2截止，这时UABUs。当tontT时，VT1、VT4截止，但VT3、VT2不能够马上导通，电枢电流id经VD2、VD3续流，这时UABUs。UAB在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特点，其不得用于商业用途仅供个人参照电压、电流波形如图2所示。电动机的正反转表现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，tonT，则UAB的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较2窄时，则反转；若是正负脉冲相等，tonT，平均输出电压为零，则电动机停止。2双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为UdtonUsTton2ton1UsTTT若是定义占空比ton，电压系数UdTUs则在双极式可逆变换器中21调速时，的可调范围为0～1相应的1~1。当1时，为正，电动机1时，1时，2正转；当为负，电动机反转；当0，电动机停止。但22电动机停止时电枢电压其实不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，所以电流也是交变的。这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，蓦然增大电动机的耗费这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时依旧有高频微震电流，从而除掉了正、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）电流必然连续。2）可使电动机在四象限运行。3）电动机停止时有微震电流，能除掉静摩擦死区。4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。双闭环直流调速系统的静特点解析由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，所以机械特点关系式比较简单，电压平衡方程以下不得用于商业用途仅供个人参照UsRiddidE(0tton).LdtUsRiddidE(tontT)Ldt按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特点方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是UdUs，平均电流用Id表示，平均转速nE/Ce，而电枢电感压降Ldid的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程能够写成dtUsRIdERIdCen则机械特点方程式UsRn0RnIdIdCeCeCe2.1.4双闭环直流调速系统的稳态结构图第一要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图4所示，解析双闭环调速系统静特点的要点是掌握PI调治器的稳态特点。一般存在两种情况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。当调治器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调治环开环。当调治器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。图4双闭环直流调速系统的稳态结构框图实质上，在正常运行时，电流调治器是不会达到饱和状态的。所以，对于静特点来说，只有转速调治器饱和与不饱和两种情况。不得用于商业用途仅供个人参照为了获得近似理想的过分过程，并战胜几个信号综合于一个调治器输入端的缺点，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治转速和电流，组成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最后方案。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2.2、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、电流调治，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。不得用于商业用途仅供个人参照图6双闭环直流PWM调速系统硬件结构图主电路主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器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变换器有电流必然连续、可使电动机在四象限运行、电动机停止时有微振电流可除掉静摩擦死区、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。id1相当于一般负载的情况，脉动电流的方向向来为正；id2相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。不得用于商业用途仅供个人参照图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UdtonUsTtonUs(2ton1)UsTTT转速反响电路如图9所示，由测速发电机获得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Ton0.012s。依照和电流环相同的道理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。RnCnR0/2R0/2Un*Ui*Con-UnR0/2R0/2RbalCon图9转速反响电路泵升电压限制不得用于商业用途仅供个人参照当脉宽调速系统的电动机减速或停车时,储蓄在电机和负载传动部分的动能将变成电能，并经过PWM变压器回馈给直流电源。一般直流电源由不能控的整流器供电，不能能回馈电能，只好对滤波电容器充电而使电源电压高升，称作“泵升电压”。若是要让电容器全部吸取回馈能量，将需要很大的电容量，也许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，电容最少要几千微法）从而大大增加调速装置的体积和重量时，能够采用由分流电阻R和开关管VT组成的泵升电压限制电路，用R来耗资掉部分动能。R的分流电路靠开个器件VT在泵升电压达到赞同数值时接通。2.3、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。整流二极管的选择依照二极管的最大整流平均If和最高反向工作电压UR分别应满足：If1.1Io(AV)21.16/23.3（A）UR1.12U21.12110171（V）采用大功率硅整流二极管，型号和参数以下所示：额定正向平额定反向峰反向平均漏正向平均压型号均电流If值电压URM电流IR散热器型号（V)降UF（V)（A)（mA)ZP10A10200~20000.5~0.76SZ14在设计主电路时，滤波电容是依照负载的情况来选择电容C值，使RC（3~5）T/2，且有Udmax0.91100.9594（V)2C1.50.02，即C15000uF不得用于商业用途仅供个人参照故此，采用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400V，标称容量为22000uF。绝缘栅双极晶体管的选择最大工作电流Imax≈2Us/R=2*122/2=122(A)集电极－发射极反向击穿电压（BVCEO）（BVCEO）≥(2～3)Us=244～366v2.4、调治器参数设计和选择调治器工程设计方法的基本思路先选择调治器的结构，以保证系统牢固，同时满足所需要的稳态精度。再选择调治器的参数，以满足动向性能指标。设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地渐渐向外扩展。在这里是：先从电流环人手，第一设计好电流调治器，尔后把整个电流环看作是转速调治系统中的一个环节，再设计转速调治器。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4.9N·m，电枢电阻Ra=1.64，电枢回路总电感L=10.2mH，额定电流Inom=6A，额定电压Unom=110V。调速系统的最小负载电流Io=1A，电源电压Us=122V。=1000r/min，电枢回路总电阻R=2Ω,电流过载倍数λ=2。如图10为电流环结构图图10电流环结构图不得用于商业用途仅供个人参照UNRaIN1101.646Ce0.1Vmin/rnN1000TmGD2R1.520.08s375CeCm3750.1230L10.2103Tl0.005sR2（1）脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数TPWM与传达函数的计算开关频率f选为4.4kHz。于是开关周期1TPWM0.23msf脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为Ud110KPWM*11Ui10于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传达函数为KPWM11WPWM(S)TPWMs10.00023s1（2）电流滤波时间常数Toi取0.5ms（3）电流环小时间常数TiTPWMT0.23ms0.5ms0.7m3soi依照设计要求，i%5%li5.1/0.736.9910，而且T/T所以能够按典型I型系统设计电流调治器采用PI型，其传达函数为ACR*Kiis1W(s)isiTl0.00s51不得用于商业用途仅供个人参照要求i%5%时，应取KITi0.5，所以KI0.50.5s1684.93s1Ti0.00073又Uim*10IN20.833V/A6于是KiKIiR684.930.00512KPWM0.760.83311ciK1I684.s93ci111s11449.3s1ci（1）要求3TPWM，现3TPWM30.00023。ci（2）要求ci

3111TmTl，现33s149.5s1ci。TmTl0.080.005111（3）要求3TPWMToi，1111982.95s1ci现3TPWMToi30.000230.0005。可见均满足要求。R0=40k，则RiKiR00.76403k0.4Ri30k，取Cii0.005160.1F7Ri3000010FCoi4Toi40.000560.0F5R04010F130不得用于商业用途仅供个人参照依照上述参数，电流环能够达到的动向指标为要求。

i4.3%5%，故满足设计确准时间常数（1）电流环等效时间常数为2Ti20.000730.00146s（2）取转速滤波时间常数Ton0.005s（3）Tn2TiTon0.00146s0.005s0.00646sASR结构设计依照稳态无静差及其他动向指标要求，按典型II型系统设计转速环，ASRW(s)Kns1nASR采用PI调治器，其传达函数为ns图11速度环结构图选择ASR参数h=5，则nhTn50.00646s0.0323sKNh16s22875.5s22h2T2n2250.006462Kn(h1)CeTm60.8330.090160.1032hRTn35.92则250.0120.00646校验近似条件cnK1Nn2875.50.0323s92.88不得用于商业用途仅供个人参照cn111273.97s1cn（1）要求5Ti，现5T1132TiTon，（2）要求1111s1123.4s1cn现32TiTon320.000730.005可见均能满足要求。计算ASR电阻和电容R040k，则RnKnR035.924k0143k6.8，取1440kn0.03236F0.022FCn310Rn144010，取0.1F4Ton40.0056F0.5FCon4013010R0检验转速超调量n%Cmax)2(znNTn()TmCbnNCmax%81.2%nNINR62rmin133.1r当h=5时，CbCe0.09016min，而，所以n%81.2%210.167133.10.0064614.8%15%10000.103可见转速超调量满足要求。校验过渡过程时间空载起动到额定转速的过渡过程时间TsT1T2CeTmnN0.090160.1031000RIN0.39s0.5s226可见能满足设计要求。反响单元不得用于商业用途仅供个人参照转速检测装置选择选测速发电机永磁式ZYS231/110型，额定数据为P=23.1W，U=110V，I=0.21A，n=1900r/min。测速反响电位器RP2的选择考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，这样，测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小。测速发电机工作最高电压nNUTN1000110UTM57.89VnTN1900测速反响电位器阻值UTM57.89RRP1137820%ITN0.20.21此时RP2所耗资的功率为PRP1UTM20%ITN57.8W为了使电位器温度不要很高，实选瓦数应为耗资功率的一倍以上，应选RP2为4W，取2000。电流检测单元本系统要求电流检测不仅需反响电枢电流的大小而且还要反响电流极性，所以采用霍尔电流传感器。2.5系统动向结构图系统动向结构图如图12所示。图12系统动向结构图不得用于商业用途仅供个人参照图中WASR(S)和WACR(S)分别表示转速调治器和电流调治器的传达函数，为了引出电流反响，在电动机的动向结构框图中必定把电流Id展现出来。电机的启动过程中转速调治器经历了饱和、退饱和、不饱和三种状态。2.6系统仿真系统空载启动并在2.5s加载情况下的仿真图如下图，仿真波形如下