双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

《交直流调速系统》课程设计学 院：机电工程学院学 号： 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TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"交直流调速课程设计任务书 3一、 题目 3二、 设计目的 3\o"CurrentDocument"三、 系统方案的确定 3\o"CurrentDocument"四、 设计任务 3\o"CurrentDocument"五、 课程设计报告的要求 4\o"CurrentDocument"六、 参考资料 4\o"CurrentDocument"交直流调速课程设计说明书 4\o"CurrentDocument"一、方案确定 4\o"CurrentDocument"2.1.1方案选定 4 7 7TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"二、 硬件结构 7\o"CurrentDocument"2..2.1主电路 7\o"CurrentDocument"2.2.2泵升电压限制 8\o"CurrentDocument"三、 主电路参数计算和元件选择 8\o"CurrentDocument"2.3.1整流二极管的选择 8\o"CurrentDocument"2.3.2绝缘栅双极晶体管的选择 9\o"CurrentDocument"四、 调节器参数设计和选择 9 9\o"CurrentDocument"2.4.2电流环的设计 9 10 11 11 11 12三.心得体会 14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。达到综合提高学生工程设计与动手能力的目的。三、 系统方案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）f电机参数f主电路f控制方案”（系统方案的确定）f“系统设计f仿真研究…参数整定f直到理论实现要求f硬件设计f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。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；3、 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）4、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】（P96）=1000r/min，电枢回路总电阻R=2Q,电流过载倍数入二2。四、 设计任务a）总体方案的确定；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） 检测及反馈电路的设计与计算；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。4、 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、 参考资料1、电气传动控制系统设计指导李荣生机械工业出版社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陈伯时机械工业出版社4、电力电子技术王兆安黄俊机械工业出版社2000.1交直流调速课程设计说明书一、方案确定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所示。图1双闭环调速系统的结构简化图用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，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，很好的满足了生产需求。图2直流PWM传动系统结构图直流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，系统构成原理如图2所示。其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）变换器组成，最关键的部件为脉宽调制器。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。图3调速系统启动过程的电流和转速波形2.1.2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4所示。这是电动机M两端电压UB的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。图4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5所示。图5PWM变换器的驱动电压波形他们的关系是：Ug广Ug4=-Ug2=-Ug3。在一个开关周期内，当0<t〈匕时，晶体管V〈、VT饱和导通而VT、VT截止，这时U=U。当t<t<T时，VT、VT截止，但VT、VT不能4 3 2 ABs on 1 4 3 2立即导通，电枢电流i经VD、vd续流，这时U=-U。U在一个周期内正负相间，这是双d 2 3 ABsAB极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图2所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负T脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，tn>T，则UB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，r=^，平均输出电压为零，则电动机停止。on2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P=匚，电压系数y=写T Us则在双极式可逆变换器中调速时，P的可调范围为0〜1相应的y=-1~+1。当P>-时，r为正，电动机正转；当2P<1时，r为负，电动机反转；当P=1时，y=0，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不2 2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：1） 电流一定连续。2） 可使电动机在四象限运行。3） 电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。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。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系统控制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双闭环直流调速系统的静特性分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UU=Ri+L吃+E

sddt(0<t<t)on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U=yU，平均电流用I表示，平均转速n=E/C，而电枢电感压降Ldid的平均值在

ds d e dt稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成则机械特性方程式KiR。Ci2.1.5双闭环直流调!速系统的稳态结构图画出双闭环直流系统的稳态结构图如图4

器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和5贝ICb所示，，分析双n —则机械特性方程式KiR。Ci2.1.5双闭环直流调!速系统的稳态结构图画出双闭环直流系统的稳态结构图如图4

器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和5贝ICb所示，，分析双n —e闭环调谏系统静特性的关键是输出达到限幅值；不饱和——输出未达首儿女掌握PI调节到限幅值。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，pi作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。 I泵升限制1/0图6双向I环直流调j谏系统的稳态结构框图实际上国正常运行时，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折4 」;似理面的过度过程，叩克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方南g辅助被调量电流分开加以控制，用两个调齿分别调节转速和电流，构成不调谏系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。如图5为双闭环直流调位~为了获得近法就是将被调量!A/D转速、电流双闭环调谏系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。如图5速系统原理.豚冲整形FBS图7双闭环直流调速系统原理图二、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。如图6为双闭环直流PWM调速系统硬件结构图。图8双闭环直流PWM调速系统硬件结构图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。图9桥式可逆PWM变换器图10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，脉动电流的方向始d1终为正；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。图10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转速反馈电路如图11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数Ton=0.012s。根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。图11转速反馈电路2.2.2泵升电压限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，不可能回馈电能，只好对滤波电容器充电而使电源电压升高，称作“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器（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R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。2.3.1整流二极管的选择根据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:If>1.1xI（郡广2w1.1x6/2=3.3（A）UR>1.1x很XU2=1.1xV2X110=171(V)选用大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示:型号额定正向平均电流If(A)额定反向峰值电压URM(V)正向平均压降Up(V)反向平均漏电流IR(mA)散热器型号ZP10A10200~20000.5~0.76SZ14在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容C值，使RC>(3〜5)T/2，且有气=0.9x110x0.95=94(V)2xC>1.5x0.02，艮口C>15000uF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绝缘栅双极晶体管的选择最大工作电流Imax^2Us/R=440/0.45=978(A)集电极一发射极反向击穿电压(BVceo) (BVceo)N(2〜3)Us=440〜660v四、调节器参数设计和选择2.4.1调节器工程设计方法的基本思路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。2.4.2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=1.64Q，电枢回路总电感L=10.2mH，额定电流Ino疔6A，额定电压U〃°疔110V。调速系统的最小负载电流io=\A，电源电压Us=122V，电力晶体管集电极电阻Rc=2.5。，设K1=K2=2。n：=1000r/min，电枢回路总电阻R=2。，电流过载倍数入二2。如图12为电流环结构图图12电流环结构图2.3.7确定时间常数（1）脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数Tp^J^传递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升时间&的计算公式为式中k\ 晶体管导通时的过饱和驱动系数，取k1=2则01s03t=Tln—k—=0.1594-i—日ur芸k101s03电流下降时间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则又最佳开关频率为开关频率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变换器的传递函数为（2） 电流滤波时间常数T取1.5ms（3）电流环小时间常数T£.=TpwMrT=0.23ms+0.5ms=1.7ms2.4.3选择电流调节器结构根据设计要求，bi%<5%，而且T/T£.=5.1/1.73=2.95<10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2.4.4选择电流调节器参数要求b要求b^%<5%时，应取K?Ei=05因此于是2,于是2,检验近似条件（1）s-1=1449.3s-（1）s-1=1449.3s-1>3.现3TpwM 3x0.00023 "（2），3现s-1=130.89s-1<o.0.103x0.0051 o'（3）1要求也3*TPWMToi，11TPWM11TPWMToi=Lj =982.95s-1>3.3*0.00023x0.0005 o'可见均满足要求。2.4.5计算ACR的电阻和电容取R0=40kQ，则R.=KR0=0.2)3牛002取R.=9kQ按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为bi=4.3%<5%，故满足设计要求。

2.4.6转速环的设计2.4.6.1确定时间常数(1)电流环等效时间常数为2T如=2x0.0032=0.00064s(2)取转速滤波时间常数Ton=0.005$(3)八=2T.+T=0.00064s+0.005s=0.00564s2.4.6.2ASR结构设计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PI调节器，传递函数为2.4.6.3选择ASR参数取h=5，则则K=3+述IT

n2haRT£n6x0.8X30.0X>016_则K=3+述IT

n2haRT£n2x5x0.01x2x0.00564—.2.4.6.4校验近似条件ww<1(1)要求cn吒，=625s-1>w5J 5x0.00032 cnwV1⑵要求"0T上n

Rn=KR=31.3640=125/4。取1440k。Rn=K0.0.0282x106HF=0.019HF,TC=—nR 1440x103n2.4.6.6检验转速超调量AC IR—%=81.2% AC IR—%=81.2% An=-^当h=5时，C ，而，匕 O.09016=133.1，因此可见转速超调量满足要求。2.4.6.7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。2.4.7反馈单元2.4.7.1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。测速反馈电位器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U =^N^T^=1000x110=57.89Vtm n^ 1900测速反馈电位器阻值RRP1U测速反馈电