双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

《交直流调速系统》课程设计之青柳念文创作学院：机电工程学院学号：3115102056专业（方向）年级：电气工程及其自动化2011级学生姓名：曾台坤福建农林大学机电工程学院电气工程系2014年12月11日交直流调速课程设计任务书3一、题目3二、设计目标3三、系统方案确实定3四、设计任务4五、课程设计陈说的要求5六、参照资料5交直流调速课程设计说明书6一、方案确立6方案选定6桥式可逆PWM变换器的工作原理..错误!不决义书签。错误!不决义书签。错误!不决义书签。错误!不决义书签。二、硬件布局112..2.1主电路11泵升电压限制13三、主电路参数计算和元件选择13整流二极管的选择13绝缘栅双极晶体管的选择14四、调理器参数设计和选择14错误!不决义书签。电流环的设计15错误!不决义书签。错误!不决义书签。错误!不决义书签。错误!不决义书签。错误!不决义书签。反应单元19三．心得领会20交直流调速课程设计任务书一、题目双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计二、设计目标1、对先修课程（电力电子学、自动克制原理等）的进一步懂得与运用2、运用《电力拖动克制系统》的实质知识设计出可行的直流调速系统，经过建模、仿真考证明质剖析的正确性.也能够制作硬件电路.3、同时能够增强同学们对一些经常使用单元电路的设计、经常使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.达到综合提升学生工程设计与着手才能的目标.三、系统方案确实定自动克制系统的设计一般要简历从“机械负载的调速性能（动、静）→电机参数→主电路→克制方案”（系统方案确实定）→“系统设计→仿真研究→参数整定→直到实质实现要求→硬件设计→制版、焊接、调试”等过程，此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，且防备方案及成就近似，在选定系统方案时，规定外的其余参数由同学自己选定.1、主电路采纳二极管不可控整流，逆变器采纳带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式克制可逆PWM变换器；2、速度调理器和电流调理器采纳PI调理器；3、机械负载为抗争性恒转矩负载，系统飞轮矩（含电机及传动机构）4、主电源：能够选择三相沟通380V供电；5、他励直流电动机的参数：见习题集【4-19】（P96）=1000r/min，电枢回路总电阻R=2Ω,电流过载倍数λ=2.四、设计任务a）整体方案确实定；b）主电路原理及波形剖析、元件选择、参数计算；c）系统原理图、稳态布局图、动向布局图、主要硬件布局图；d）克制电路设计、原理剖析、主要元件、参数的选择；e）调理器、PWM信号发生电路的设计；）检测及反应电路的设计与计算；五、课程设计陈说的要求1、禁止互相抄袭或代做，一经查出，按不及格办理.2、陈说字数：好多于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）的规范化要求撰写.要求文字通畅、笔迹工整、公式书写规范、陈说书上的图表同意徒手画，但一定清楚、正确且要有图题.4、一定画出系统总图，总图禁止徒手画，电路图应洁净、正确、规范.未停止详尽设计的功能块同意用框图示意，且功能块之间的连线同意用标号标明.六、参照资料2、新式电力电子变换技术陈国呈中国电力第一版社3、电力拖动自动克制系统陈伯时机械工业第一版社交直流调速课程设计说明书一、方案确立方案选定直流双闭环调速系统的布局图如图1所示，转速调理器与电流调理器串极结合，转速调理器的输出作为电流调理器的输入，再用电流调理器的输出去克制PWM装置.此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次必定、宽度可变的脉冲电压序列，进而能够改变均匀输出电压的大小，以调理电机转速，达到设计要求.整体方案简化图如图1所示.图1双闭环调速系统的布局简化图用双闭环转速电流调理方法，固然相对成本较高，但担保了系统的靠得住性能，担保了对生产工艺的要求的满足，既担保了稳态后速度的稳固，同时也兼备了启动时启动电流的动向过程.在启动过程的主要阶段，只有电流负反应，没有转速负反应，不让电流负反应发挥主要作用，既能克制转速，实现转速无静差调理，又能克制电流使系统在充分操控电机过载才能的条件下获取最正确过渡过程，很好的满足了生产需求.图2直流PWM传动系统布局图直流PWM克制系统是直流脉宽调制式调速克制系统的简称，与晶闸管直流调速系统的差别在于用直流PWM变换器代替了晶闸管变流装置，作为系统的功率驱动器，系统构成原理如图2所示.此中属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）变换器构成，最重点的零件为脉宽调制器.如图3所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增添的.这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能获取的最快的起动过程.图3调速系统启动过程的电流和转速波形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次必定宽度可变的脉冲电压序列，进而均匀输出电压的大小，以调理电机转速.桥式可逆PWM变换器电路如图4所示.这是电动机M两头电压UAB的极性随开关器件驱动电压的极性更改而更改.图4桥式可逆PWM变换器电路双极式克制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图5所示.图5PWM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不克不及立即导通，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变换器的特色，其电压、电流波形如图2所示.电动机的正反转表此刻驱动电压正、负脉冲的宽窄上.当正脉冲较宽时，tonT，则UAB的均匀值为2正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；假如正负脉冲相等，

ton

T2

，均匀输出电压为零，则电动机停止

.双极式克制可逆

PWM变换器的输出均匀电压为假如定义占空比ton，电压系数UdTUs则在双极式可逆变换器中调速时，的可调范围为0～1相应的1~1.当12时，为正，电动机正转；当1时，为负，电动机反转；2当1时，0，电动机停止.但电动机停止时电枢电压其实2不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因此电流也是交变的这个交变电流的均匀值等于零，不发生均匀转矩，陡然增大电动机的消耗这是双极式克制的弊端.但它也有利处，在电

.动机停止时仍旧有高频微震电流，进而除去了正、反向时静磨擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用.双极式克制的桥式可逆PWM变换器有以下长处：1）电流必定连续.2）能够使电动机在四象限运转.3）电动机停止时有微震电流，能除去静磨擦死区.4）低速安稳性好，每一个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于担保器件的靠得住导通.克制电路以下所示.主要构成部分有信号设定（频次给定、给定积分器）、正弦参照信号幅值和频次克制电路（相对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性鉴识器）、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）及与主电路相隔绝的电压/电流检测回路、驱动回路及珍爱回路.克制电路以下所示.主要构成部分有信号设定（频次给定、给定积分器）、正弦参照信号幅值和频次克制电路（相对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性鉴识器）、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）及与主电路相隔绝的电压/电流检测回路、驱动回路及珍爱回路通用型PWM变频器原理图框图因为采纳了脉宽调制，电流波形都是连续的，因此机械特征关系式比较简单，电压均衡方程以下UsRidLdidE(0tton).dt按电压均衡方程求一个周期内的均匀值，即可导出机械特征方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是UdUs，平均电流用Id示意，均匀转速nE/Ce，而电枢电感压降Ldid的dt均匀值在稳态时应为零.于是其均匀值方程能够写成则机械特征方程式第一要画出双闭环直流系统的稳态布局图如图4所示，剖析双闭环调速系统静特征的重点是掌握PI调理器的稳态特色.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.当调理器饱和时，输出为恒值，输入量的更改不再影响输出，相当与使该调理环开环.当调节器不饱和时，PI作用使输入误差电压在稳态时老是为零.图6双闭环直流调速系统的稳态布局框图实质上，在正常运转时，电流调理器是不会达到饱和状态的.所以，关于静特征来讲，只有转速调理器饱和与不饱和两种状况.为了获取近似志向的过分过程，并投降几个信号综合于一个调理器输入端的弊端，最好的方法就是将被调量转速与协助被调量电流分开加以克制，用两个调理器分别调理转速和电流，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后方案.如图5为双闭环直流调速系统原理.图7双闭环直流调速系统原理图二、硬件布局双闭环直流调速系统主电路中的UPE是直流PWM功率变换器.系统的特色：双闭环系统布局，实现脉冲触发、转速给定和检测.由软件实现转速、电流调理，系统由主电路、检测电路、克制电路、给定电路、显示电路构成.如图双闭环直流PWM调速系统硬件布局图.

6为图8双闭环直流PWM调速系统硬件布局图2..2.1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构成，一般都是电压源型的，采纳大电容C滤波，同时兼有无功功率互换的作用.可逆PWM变换器主电路有多种形式，最经常使用的是桥式（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更改而更改，其克制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，本设计用的是双极性克制的可逆PWM变换器.双极性克制的桥式可逆PWM变换器有电流必定连续、能够使电动机在四象限运转、电动机停止时有微振电流可除去静磨擦死区、低速安稳性好等长处.图9桥式可逆PWM变换器图10为双极式克制时的输出电压和电流波形.id1相当于一般负载的状况，脉动电流的方向一直为正；id2相当于轻载状况，电流可在正负方向之间脉动，但均匀值仍为正，等于负载电流.图10双极式克制时的输出电压和电流波形双极性克制可控PWM变换器的输出均匀电压为转速反应电路如图11所示，由测速发电机获取的转速反应电压含有换向纹波，所以也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数Ton0.012s.依据和电流环同样的道理，在转速给定通道上也加入同样时间常数的给定滤波环节.图11转速反应电路泵升电压限制当脉宽调速系统的电动机减速或泊车时,储藏在电机和负载传动部分的动能将变为电能，并经过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，只能对滤波电容器充电而使电源电压高升，称作“泵升电压”.假如要让电容器所有汲取回馈能量，将需要很大的电容量，或许迫使泵升电压很高而破坏元器件.在不希望使用大批电容器（在容量为几千瓦的调速系统中，电容起码要几千微法）进而大大增添调速装置的体积和重量时，能够采纳由分流电阻R和开关管VT构成的泵升电压限制电路，用R来耗费掉部分动能.R的分流电路靠开个器件VT在泵升电压达到同意数值时接通.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的选择及各样珍爱装置的计算和选择等.整流二极管的选择依据二极管的最大整流均匀

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：额定正向均匀

额定反向峰值

正向均匀压降

反向均匀漏电型号

散热器型号电流

If（A)

电压

URM（V)

UF

（V)

流IR

（mA)ZP10A10200~20006SZ14在设计主电路时，滤波电容是依据负载的状况来选择电容C值，使RC（3~5）T/2，且有Udmax94（V)，即C15000uF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=440/0.45=978(A)集电极－发射极反向击穿电压（BVCEO）（BVCEO）≥(2～3)Us=440～660v四、调理器参数设计和选择先选择调理器的布局，以保证系统稳固，同时满足所需要的稳态精度.再选择调理器的参数，以满足动向性能指标.设计多环克制系统的一般原则是：从内环初步，一环一环地逐渐向外扩大.在这里是：先从电流环人手，第一设计好电流调理器，而后把整个电流环看做是转速调理系统中的一个环节，再设计转速调理器.电流环的设计H型单极式PWM变换器供电的直流调速系统，采纳宽调速直流电动机.，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，电力晶体管集电极电阻Rc，设K1=K2=2.=1000r/min，电枢回路总电阻R=2Ω,电流过载倍数λ=2.如图12为电流环布局图图12电流环布局图1）脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数TPWM与传达函数的计算电动机的启动电流为启动电流与额定电流比为晶体管放大区的时间常数为电流上涨时间tr的计算公式为式中k1——晶体管导通时的过饱和驱动系数，取k1=2则k10.159ln2trTcelns0.103sk10.9520.95电流降落时间tf的计算公式为式中k2——晶体管截止时的负向过驱动系数，取k2=2则又最正确开关频次为开关频次f选为4.4kHz，此开关频次已能满足电流连续的要求.于是开关周期脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传达函数为（3）电流环小时间常数TiTPWMToi0.23ms依据设计要求，i%5%，并且Tl/Ti5.1/1.73所以能够按典型I型系统设计电流调理器采用PI型，其传达函数为

2.9510要求i%5%时，应取KITi0.5，所以又于是ci111s11449.3s1ci（1）要求3TPWM，现3TPWM30.00023.ci313131s1130.89s1ci（2）要求TmTl，现TmTl0.1030.0051.ci11（3）要求3TPWMToi，1111982.95s1ci现3TPWMToi3.可见均满足要求.取R0=40k，则RiKiR0，取Ri9k依据上述参数，电流环能够达到的动向指标为4.3%5%，故满足设计要求.确准时间常数（1）电流环等效时间常数为2Ti2）取转速滤波时间常数Ton0.005s3）Tn2TiTon布局设计依据稳态无静差及其余动向指标要求，按典型II型系统设计转速环，ASR采用PI调理器，其传达函数为WASR(s)Kn

ns1ns选择ASR参数取h=5，则则(h1)CeTmKn31.362hRTn校验近似条件1（1）要求cn11cn.5Ti，现625s15Ti50.0003211（2）要求cn2TiTon，3现1111s1559s1cn32TiTon320.000320.005可见均能满足要求.计算ASR电阻和电容取R040k，则RnKnR0，取1440k查验转速超调量当h=5时，所以

Cmax%81.2%nNINR62r133.1rCb，而Ce0.09016minmin，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可见能满足设计要求.反应单元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.测速反应电位器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测速反应电位器阻值

UTMnNUTN1000110VnTN190057.89RRP1UTM57.8920%ITN1378此时