双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计精

双闭环可逆直流脉调速系统设计学学

院：号：

机电工程学院专业（方）年级：学

生

姓

名：福建农林大学机电工学院电气工程系2011年1月7日目录一.设计任务书.........................................................1二．设计说明书.........................................................32.1方案确定.........................................................32.1.1方案选定.....................................................32.1.2桥式可逆PWM变换器工作原理...................................32.1.3系统控制电路图...............................................62.1.4双闭环直流调速系统静态分析...................................62.1.5双闭环直流调速系统稳态结构图.................................72.2硬件结构.........................................................92.2.1主电路.......................................................92.2.2泵升压限制..................................................112.3主电路参数计算及元件选择........................................122.3.1整流二极管选择..............................................122.3.2绝缘栅双极晶体管选择........................................122.4调节器参数设计和选择............................................132.4.1电流环的设计................................................132.4.2转速环的设计................................................162.4.3反馈单元....................................................182.5系统总电路图....................................................19三．心得体会..........................................................20交直流调速课设计任书一、题目双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计二、设计目对先修课程（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。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容等元件的选择等的工程训练到综合提高学生工程设计与动手能力的目的。三、系统方的确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→控制方案系统方案的确定）→“系统设计→仿真研究→参数整定→直到理论实现要求→硬件设计→制版、焊接、调试”等过程，其中系统方案的确定至关重要。为了发挥同学们的主观能动作用，且避免方案及结果雷同，在选定系统方案时，规定外的其他参数由同学自己选定。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；速度调节器和电流调节器采用调节器；机械负载为反抗性恒转矩负载，系统飞轮矩（含电机及传动机构主电源：可以选择三相交流380V供电；5、他励直流电动机的参数：见习题集4-19】）=1000r/min电枢回路总电阻R=2Ω,电流过载倍数λ=2。四、设计任总体方案的确定；主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图；控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择；调节器、PWM信号产生电路的设计；检测及反馈电路的设计与计算；五、课程设报告的要求不准相互抄袭或代做，一经查出，按不及格处理。报告字数：不少于字（含图、公式、计算式等）。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。要求文字通顺、字迹工整、公式书写规范、报告书上的图表允许徒手画，但必须清晰、正确且要有图题。必须画出系统总图，总图不准徒手画，电路图应清洁、正确、规范。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1、电气传动控制系统设计指导2、新型电力电子变换技术3、电力拖动自动控制系统

李荣生陈国呈陈伯时

机械工业出版社2004.6中国电力出版社机械工业出版社4、电力电子技术

王兆安黄俊机械工业出版社2000.1交直流速程设计明一、方案确2.1.1方案选定直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制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一定宽度可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，达到设计要求。总体方案简化图如图1所。dR

-

ACRPWMKs1/Ce-图1双环调速系统的结构简化图用双闭环转速电流调节方法然相对成本较高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稳定同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程在启动过程的主要阶段只有电流负反馈没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，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佳过渡过程好的满足了生产需求。2.1.2

桥式可变换的工作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。桥式可逆PWM变换器电路如图2示。这是电动机M两端电U开关器件驱动电压的极性变化而变化。Us

的极性随ABVT1Ug1VT2Ug2

VD1VD3MGMOTORDCVD2VD4

VT3Ug3VT4Ug4iii22iii22图桥可逆PWM换器电路双极式控制可逆PWM变器的四个驱动电压波形如图3所示。

g1

g4tO

t

g2

g3tO

ABtO

t

O

t图PWM换器的驱动电压波形他们的关系是U

1

4

。在一个开关周期内，0时，3on晶体VVT饱和导通TVT截止这U12

t时VT、s1VT截止，VVT不能立即导通，电枢电iVDVD续流，这时42d3

s

AB

在一个周期内正负相间，这是双极式变换器的特征，其电压电流波形如图2所电动机的正反转体现在驱动电压正负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，t，则U的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时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。双极式控制可逆PWM变器的输出平均电压为tTonononTTt如果定义占空比on，电压系dTUs则在双极式可逆变换器中

调速时的可调范围为01应

时，正，电动机正转；当

1时负，电动机反转；时2

，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，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：电流一定连续。可使电动机在四象限运行。电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。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。控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积分器）、正弦参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性鉴别器）、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）及与主电路相隔离的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路。2.1.3

系统控电路图控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积分器）、正弦参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性鉴别器）、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）及与主电路相隔离的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路通用型PWM变频器原理图框图2.1.4

双闭环流调速系统静特性析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较简单电压平衡方程如下Ri

ddt

(

Rid

ddt

(t)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U

平均电流用I表示平均转nE而电sddi枢电感压降Ld的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成dt

U

s

RId则机械特性方程式URInICCe

2.1.5

双闭环流调速系统稳态结图首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图所示析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。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。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。图4双环直流调速系统的稳结构框图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。为了获得近似理想的过度过程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。如图5为双闭环直流调速系统原理.图5双环直流调速系统原理二、硬件结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。如6为双闭环直流PWM调速系统硬件结构图。图6双环直流PWM调速系硬件结构图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H形）电路，如图7为桥式可逆PWM变换器时电动机M两端电压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变换器极性控制的桥式可逆变换器有电流一定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消除静摩擦死区、低速平稳性好等优点。ssss图7桥式可逆PWM变器图8为双极式控制时的输出电压和电流波形i相当于一般负载的情况，1脉动电流的方向始终为正i相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，2但平均值仍为正，等于负载电流。图8双式控制时的输出电压电流波形双极性控制可控变换器的输出平均电压为U

t2tonUUonUT

s转速反馈电路如图9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T

0.012s据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。Rn

CnUn*

R0/2

Ui*-Un

R0/2

图转反电路2.2.2泵升电压制当脉宽调速系统的电动机减速或停车时,储存在电机和负载传动部分的动能将变成电能，并通过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可能回馈电能好对滤波电容器充电而使电源电压升高泵升电压”。如果要让电容器全部吸收回馈能量，将需要很大的电容量，或者迫使泵升电压很高而损坏元器件在不希望使用大量电容（在容量为几千瓦的调速系统中电容至少要几千微法从而大大增加调速装置的体积和重量时可以采用由分流电阻R和开关管VT组成的泵升电压限制电路用来消耗掉部分动能。R的分流电路靠开个器件VT在泵升电压达到允许数值时接通。三、主电路数计算和元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。2.3.1整流二极的选择根据二极管的最大整流平均I和最高反向工作电压Uf

R

分别应满足：If

(AV)

3.3（）171（V）R选用大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：额定正向平

额定反向峰

正向平均压

反向平均漏型号

均电流（A)

I

f

值电压URM（V)

降

U

F

（V)

电I（mA)

散热器型号ZP10A

10200~20000.5~0.76SZ14在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容值，使3~5）T/2，且有

dmax

0.90.95V)20.02，即C故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400V，标称容量为22000uF。2.3.2绝缘栅双晶体管的选最大工作电流Imax≈2Us/R=440/0.45=978(A)集电极－发射极反向击穿电BV）BV(2～3)Us=440～660vCEO四、调节器数设计和选调节器程设计方法基本思os12mlos12ml先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是先从电流环人手首先设计好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。2.4.1电流环的计H型单极式变换器供电的直流调速系统，采用宽调速流电动机。额定力矩为4.9N·m，电电阻电枢回路总电感L=10.2mH，额定电流I=6A，额定电U=110V。调速系统的最小负载电流I=1A，电源电U=122V电力晶体管集电极电阻R，K=K=2。=1000r/min，电枢回路总电阻R=2,电流过载倍数λ=2。如图10为电流环结构图确定时间数UICaNn1000N2RCC2eR

图电流环结构图r0.08Ntrce11kk1rc1tf2f2loplrfNtrce11kk1rc1tf2f2loplrf（1）脉宽调制器和PWM换器的滞后时间常与传递函数的计算电动机的启动电流为U122IAA2启动电流与额定电流比为II晶体管放大区的时间常数为11T223.14

6

0.159

电流上升时间r的计算公式为tln

0.95式中——晶体管导通时的过饱和驱动系数，取1则tln0.9ln9

0电流下降时间

的计算公式为tln

10.05

2式中

k

2

——晶体管截止时的负向过驱动系数，取

k

2

=2则tln又

10.05

2

10.05

L12m1m0.05最佳开关频率为f

3

s(tt)

0.332

3

10.1672(0.1030.061)

开关频率f选为4.4kHz，此开关频率已能满足电流连续的要求。于是开关周期PWMdPWMiPWMPWMPWMTiPMoiWiilIiiiPWMPWMdPWMiPWMPWMPWMTiPMoiWiilIiiiPWMT

1f

0.23ms脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为U110KU*于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传递函数为()

Ks0.00023s（2）电流滤波时间常数oi取（3）电流环小时间常数选择电流节器结构

TT3m0.m

0.根据设计要求，

i

5%，而T/Ti0.736.9910因此可以按典型I型系统设计电流调节器选用PI型，其传递函数为

()*

K

i

s选择电流节器参数

i

0.要求

i

5%，应ITi0.5

，因此又

0.5Kss

U*im

102

/于是K

I

.51.08检验近似件Icici，现mlmlci，oi现PWMoiRii0iIcici，现mlmlci，oi现PWMoiRii0iioi

ci

4.（1）要求

13TPWM，现PWM0.00023

1449.3s

ci

。（2）要求

113sTTT0.103

s

ci

。113TT（3）要求111s3TT0.00023

ci

。可见均满足要求。计算电阻和电容取=40k

，则RKR

ki30k

i

5130000

0.4.00Coi00

按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为

i

4.3%5%

，故满足设计要求。2.4.2速环的计确定间常数（1）电流环等效时间常数为

2Ti（2）取转速滤波时间常数

T0.005on（3）

Ts0.005s0.0064ASR结构设nn，现，取1440nnnn，现，取1440nn根据稳态无静差及其他动态指标要求，按典型II型系统设计转速环，ASR选用节器，其传递函数为

(s)K

n

选择参数取h=5，则

n

0.00646KN

h22T

62

2

2875.5

则

Kn

(hT6.80.035.9校验似条件2.2.cnNn（1）要求

111T

。（2）要求

132TTon

，现

113TTon

130.000730.005

123.4s

可见均能满足要求。计算电阻和容取

，则0K5n

nn

0.03231440

3

6

，取0.1

Con

40on4100

检验速超调nrrminminNC12nrrminminNC12ax)CbNmIR6%81.2%N当时，，而e，因此

81.2%10.167

133.120%1000可见转速超调量满足要求。校验渡过程间空载起动到额定转速的过渡过程时间Cn0.090160.1031000TmN可见能满足设计要求。2.4.3反馈单元转速测装置择

0.390.5s选测速发电机n=1900r/min。

永磁式型定数据为P=23.1WU=110V，测速反馈电位器RP2的选择

考虑测速发电机输出最高电压时电流约为额定值的20%，这样，