电力拖动课程设计

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：

指导教师：工作单位：自动化学院

题目：脉宽调制双闭环调速系统的设计

初始条件：

UN=48V,Ia=3.7A,Nn=2023r/min,电枢电阻Ra=6.5C,电枢回路总电阻

R=8。，电磁时间常数T【.=5ms,电源电压为60V。稳态无静差。

规定完毕的重要任务：（包括课程设计工作量及其技术规定，以及阐明书撰写等详细

规定）

1.系统原理图设计；

2.调速系统电路设计；

3.过程分析，参数设计计算与校验；

4.根据开通时间和开关频率计算调速范围。

5.按规范格式撰写设计汇报（参照文献不少于5篇）打印

时间安排：（10天）

6月2日—6月3日查阅资料

6月4日一6月7日方案设计

6月8日—6月10日馔写程设计汇报

6月11日提交汇报，答辩

指导教师签名：2023年6月1日

系主任（或责任教师）签名:年月日

摘要

变压调速是直流调速系统欧I重要调速措施，系统内硬件构造至少包括了两个部分：

可以调整直流电动机电枢电压的直流电源盒产生被调转速的直流电动机。伴随电力电子

技术E向发展，可控直流电源重要有两大类，第一类是相控整流，它把交流电源直接转换

成可控的直流电源；第二类是直流脉宽变换器，它先用不可控整流把交流电变换成直流,

然后用PWM脉宽调制方式输出的直流电压。当用可控直流电源盒直流电动机构成一种直

流调速系统时，它们所体现出来的性能指标和人们的期望值总是存在差距H勺，处理此问

题的措施是设计具有转速反馈控制的直流调速系统。由于只带有转速反馈口勺控制系统的

控制对象是转速，没有控制电流，该系统需要实行限流保护。此外增长电流反馈能提

高系统『'J动态和稳态性能指标。

关键字：变压调速转速反馈电流反馈

目录

摘要................................................................2

1直流调速系统可用的）可控直流电源....................................1

1.1晶闸管整流器一电动机系统..............................................1

1.2直流PWM变换器一电动机系统............................................1

2转速电流反馈控制日勺直流调速系统...................................3

2.1转速电流双闭环长处....................................................3

2.2转速、电流反馈控制直流调速系统的构成..................................3

2.3调整器日勺作用..........................................................5

2.3.1转速调整器日勺作用.................................................5

2.3.1电流调整器日勺作用.................................................5

3直流PWM可逆调速系统.............................................6

3.1直流PWM传动系统构造图................................................6

3.2H桥双极式逆变器日勺工作原理.............................................6

3.3PWM调速系统日勺静特性...................................................9

4主电路方案和控制系统............................................10

4.1PWM变换器时选用.....................................................11

4.2传感器以及测速发电机日勺选用...........................................12

4.3驱动电路选用..........................................................12

4.4调整器日勺选择..........................................................13

4.5脉宽调制器选用.......................................................13

5双闭环调整器日勺设计............................................14

5.1电流环日勺设计.........................................................14

5.2转速环日勺设计.........................................................16

5.3转速超调量校验.......................................................18

6电路图与仿真成果..............................................18

6.1电路图................................................................18

6.2仿真图................................................................18

心得体会.......................................................25

参照文献.......................................................26

1直流调速系统可用的可控直流电源

1.1晶闸管整流器——电动机系统

晶闸管整流器，通过调整触发装置GT的控制电压上来移动触发脉冲的相位，变化

可控整流器平均输出直流电压U”，从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控整流

器日勺功率放大倍数在1°“以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时间是毫秒级，具

有迅速日勺控制作用；运行损耗小，效率高；这些长处使V-M系统后日勺了优越的性能。

但晶闸管整流器运行中存在某些问题，重要表目前：

1）晶闸管一般是单向导电元件，不容许电流反向，这给电动机实现可逆运行导致

困难；

2）对过电压。过电流等十分敏感，只要一超过容许值都也许在很短的I时间内损坏

元件；

3）晶闸管日勺控制原理决定了只能滞后触发，它对交流电源是一种感性负载，吸取

滞后无功功率，因此功率原因很低，假如它在电网中容量大，将导致“电力公害”；

4）晶闸管整流装置内输出电压时脉动的，并且脉动数总是有限H勺。

1.2直流PWM变换器——电动机系统

自从全控型电力电子器件问世后来，就出现了采用脉冲宽度调制日勺高频开关控制方

式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM

调速系统。与V-M系统相比，直流PWM调速系统在诸多方面有较大的优越性：

1）PWM调速系统主电路线路简朴，需用日勺功率器件少；

2）开关频率高，电流轻易持续，谐波少，电机损耗及发热都较小;

3）低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达1：10000左右;

4）假如可以与迅速响应日勺电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能

力强；

5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率合适时，开关损耗也

不大，由于装置效率高；

6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

由于有上述长处，直流PWM调速系统日勺应用日益广泛，尤其在中、小容量的高动

态性能系统中，己经完全取代了该系统。

2转速电流反馈控制的直流调速系统

2.1转速电流双闭环长处

同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列长处。在反馈控制系统中，不管出于什

么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生对应日勺控制

作用去消除偏差。因此，它具有克制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系

统的响应特性。由于闭环系统的这些长处因此选用此环系统。

单闭环速度反馈调速系统，采用PT控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。

不过假如对系统H勺动态性能规定较高，假如规定迅速起制动，突加负载动态速降小等，

单闭环系统就难以满足规定。这重要是由于在单闭环系统中不能完全按照规定来控制动

态过程的电流或转矩。此外，单闭环调速系统tl勺动态抗干扰性较差，当电网电压波动时,

必须待转速发生变化后，调整作用才能产生，因此动态误差较大。

在规定较高日勺调速系统中，一般有两个基本规定：一是可以迅速启动制动；二是可

以迅速克服负载、电网等干扰。通过度析发现，假如规定迅速起动，必须使直流电动机

在起动过程中输出最大的恒定容许电磁转矩，即最大的恒定容许电枢电流，当电枢电流

保持最大容许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电

流值。假如规定迅速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调整。

以上两点都波及电枢电流的控制，因此自然考虑到将电枢电流也作为被控量，构成

转速、电流双闭环调速系统。

2.2转速、电流反馈控制直流调速系统的构成

转速反馈控制直流调速系统用ri调整器实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动

对稳态转速H勺影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，防止出现过电流现象。

但转速单闭环系统并不能充足按照理想规定控制电流（或电磁转矩）的动态过程C

对于常常正、反转H勺调速系统，如龙门刨床、可逆轧钢机等，缩短起、制动过程日勺

时间是提高牛产效率H勺原因.为此，在启动（或制动）过渡过程中，但愿一育保持电流

（电磁转矩）为容许H勺最大值。当抵达稳态转矩是平衡，从而迅速转入稳态运行。此类

理想H勺启动（制动）过程示与图2T,启动电流呈矩形波，转矩按线性增长。这是在最

大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的启动（制动）过程。

⑶带电流截止负反馈日勺单闭环调速系统起动过程（b）理想迅速起动过程

图2-1调速系统起动过程的I电流和转速波形

实际上，由于主电路电感日勺作用，电流不也许突变，为了实目前容许条件下的最快

启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值/加日勺恒流过程。按照反馈控制规律，采

用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应当可以得到

近似日勺恒流过程。问题是，应当在启动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在到

达稳态转速后，又但愿只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。怎样才能做到这

种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不一样的阶段里起作用呢？只用

一种调整器显然是不也许的，采用转速和电流两个调整器应当能行，问题是在系统中怎

样连接。

为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调整器，分别引入

转速负反馈和电流负反馈以调整转速和电流。两者之间实行嵌套（或称串级）连接，如

图2-2所示。把转速调整器日勺输出当作电流调整器的输入，再用电流调整港欧I输出去控

制电力电子变换器UPE。从闭环构造上，电流环在里面，称为内环；转速环在外面，称

为外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静、动态性能,

转速和电流两个调整器一般都采用PI调整器。

图2-2转速、电流反馈控制直流调速系统原理图

2.3调整器的作用

转速调整器和电流调速器在双闭环直流调速系统中的作用可归纳如下：

2.3.1转速调整器的作用

1）转速调整器是调速系统的主导调整器，它使转速〃很快地跟随给定电压U；变化,

稳态时可减少转速误差，假如采用PI调整器，则可实现无静差。

2）对负载变化器抗扰作用。

3）其输出限幅值决定电动机容许口勺最大电流。

2.3.1电流调整器的作用

1）作为内环的调整器，在转速外环的调整过程中，它的作用是使电流紧紧跟随器

给定电压U：的变化。

2）对电网电压的波动期及时抗扰的I作用。

3）在转速动态过程中，保证获得电动机容许的最大电流，从而加紧动态过程。

4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流日勺最大值，器迅速的I自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

3直流PWM可逆调速系统

3.1直流PWM传动系统构造图

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，作为系统内功率驱动器，系统构

成原理如图IT所示。其中属于脉宽调制调速系统重要由调制波发生器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,

最关键的I部件为脉宽调制器。

图37直流PWM传动系统构造图

3.2H桥双极式逆变器的工作原理

脉宽调制器H勺作用是：用脉冲宽度调制日勺措施，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，以调整电机转速。

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3-2所

示。这时电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。

图3-2H形双极式逆变器电路

a.正向电动运行波行

图3-3H形双极式逆变器的驱动电压电流波形

它们的关系是：在一种开关周期内，当晶体管饱和导通而截止，这时在一种周期内

正负相间，这是双极式H附变换器的特性，其电压、电流波形如图3-3所示。电动机口勺

正反转体目前驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，，则的平均值为正，电

动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；假如正负脉冲相等，平均输出电压为零，则电动

机停止。

双极式控制可逆PWM变换器日勺输出平均电压为

（3-1）

TTIT）

假如定义占空比夕二午，电压系数7=兴则在双极式可逆变换器中

/=2p-l（3-2）

调速时，夕日勺可调范围为0〜1对应的/=-1~+1。当夕时，/为正，电动机正

转；当p<g时，/为负，电动机反转；当p=g时，/=0,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

制的缺陷。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”口勺作用。

正向运行时见（图3-3a）：

第1阶段，在OWtWton期间，Ubl.Ub4为正，VTUVT4导通，Ub2、Ub3为负，

VT2、VT3截止，电流id沿回路1流通，电动机M两端电压UAB二+Us；

第2阶段，在tonWtWT期间，UbkUb4为负，VTKVT4截止，VD2、YD3续流，

并使VT2、VT3保持截止，电流id沿回路2流通，电动机M两端电压UAB二-Us;

反向运行时见（图3-3b）：

第1阶段，在OWtWton期间，Ub2、Ub3为负,VT2、VT3截止，VDKVD4续流,

并使VTLVT4截止，电流-id沿回路4流通，电动机M两端电压UAB=+Us;

第2阶段，在tonWtWT期间，Ub2、Ub3为正，VT2、VT3导通，UbkUb4为负,

使VT1、VT4保持截止，电流-id沿回路3流通，电动机M两端电压UAB二-Us。

双极式控制日勺桥式可逆PWM变换器的长处：

1)电流一定持续。

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，每个开关器件日勺驱动脉冲仍较宽，有助于保证器件的可靠导通。

双极式控制方式日勺局限性之处是：在工作过程中，四个开关管器件也许处在开关状

态，开关损耗大，并且在切换时也许发生上、下桥臂直通的事故。为防止直通，在上、

下桥臂的J驱动脉冲之间设置逻辑延时。

3.3PWM调速系统的静特性

由于采用了脉宽调制，电流波形都是持续H勺，因而机械特性关系式比较简朴，电压

平衡方程如下

U$=Rid+L*E(G<t<ton)

U、=R"+L*+E(tw<t<T)

按电压平衡方程求一种周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一

种周期内的电压都是S=yU,,平均电流用〃表达，平均转速〃=E/C,,而电枢电感压

降L华的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成则机械特性方程式

dt

4主电路方案和控制系统

主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路

采用25JPF40电力二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管H勺功率开关管IGBT构

成H型双极式控制可逆PWM变换器。其中属于脉宽调速系统特有H勺部分重要是UPM、逻

辑延时环节DLD,全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD和PWM变换器。系统中设置了电

流检测环节、电流调整器以及转速检测环节、转速调整器，构成了电流环和转速环，前

者通过电流兀件H勺反馈作用稳定电流，后者通过转速检测兀件的反馈作用保持转速稳

定，最终消除转速偏差，从而使系统到达调整电流和转速H勺目的。该系统起动时，转速

外环饱和不起作用，电流内环起重要作用，调整起动电流保持最大值，使转速线性变化,

迅速到达给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起重要作用，使转速随转速给定电压的

变化而变化，电流内环跟随转速外环调整电机的电枢电流以平衡负载电流C

II桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图4-1所示。PWM逆变器的直流电源由交

流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容G滤波，以获得恒定的直流电压a由

于电容量较大，突加电源时相称短路，势必产生很大H勺充电电流，轻易损坏整流二极管。

为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻R0（或电抗），合上电源后

来，延时用开关将RO短路，以免在运行中导致附加损耗。

滤波电容器往往在PWM装置日勺体积和重量中占有不小的份额，因此电容量的选择是

PWM装置设计中日勺重要问题。但对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，尚有

当电机制动时吸取运行系统动能H勺作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不也许回

馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。

为了限制泵升电压，用镇流电阻Rb消耗掉这些能量，在泵升电压到达容许值时接通VT5O

4.1PWM变换器的选用

PWM变换器有可逆和不可逆两类。可逆变换器乂有双极式、单极式和受限单极式等

多种。由于题目规定须事先电动机可逆运行，故本设计选用带续流的绝缘栅双极晶体管

IGBT构成H型双极性控制PWM变换器。其中，电源电压Us选用不可控电力二极管25JPF40

整流提供，并采用大电容C进行滤波。

功率管开关管应承受2Us的电压，为此选用FGA25N120AN绝缘栅双极晶体管1GBT

并接在功率开关管两端二级管用在1GBT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流。

FGA25Nlfi参数：Vce=200V,lc=15Ao选用10CTF30型电力二极管，If=10A,Urm=300Vo

采用单相交流220V供电，变压器二次电压为67V,桥式整流二极管最大反向电压不

小于电源的幅值日勺2倍，最大整流电流按2倍额定电流考虑。选25JPF40,If=25A,

Urm=400Vo

整流桥输出端所并接内电容作用滤除整流后日勺电压纹波，并在负载变化时保持电压

平稳。此外，当脉宽调速系统的电动机减速或停车时，贮存在电动机和负载转动部分的

动能将由电容器吸取，因此所用日勺电容较大，这里选用4000uf,电压按不小于2倍电压

选择。

4.2传感器以及测速发电机的选用

由于题目规定需要对电流进行采样，故此这里我们选用霍尔电流传感器HNC-025A,

HNC-025A传感器所能测量日勺额定电流为5A、6A、8A、12A、25A,当原边导线通过电流

传感器时，原边电流IP会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯

气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后

续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS,并存在如下关系式：IS*NS二

IP*NPo在外环中，我们需要有速度的反馈，这里我们选用永磁式ZYS231/110型作为

测速机，试验数据：Ptn=23.1W,Utn=110V,Itn=0.21A,Ntn=1900r/mino

4.3驱动电路选用

驱动电路的作用是将控制电路输出的PWM信号放大至足以保证IGBT可靠导通或

关断的程度。同步具有实现主电路与控制电路相隔直，故障后自动保护及延时等功能。

这里我们选用上海马克电气企业日勺AST96X系列日勺MAST5-2C-U12型IGBT驱动板，

AST96X为单路光电耦合隔离带短路、欠压和过压保护功能日勺IGBT驱动模块；MAST

系列为1-7路、带隔离电源日勺IGBT驱动板，易于使用，对供电电源规定低，合

用600V-1700V的多种不一样类型IGBT驱动；两者均提供电流源或电压源一电

阻两种驱动方式，具有单电源供电、输入电压范围宽、内置正负电压发生器以及电压滤

波器、内置短路保护电路、内置驱动欠压和过压保护电路、内置VCE检测的快恢复高

压二极管、内置光电耦合器以传播驱动保护/故障信号、内置栅极过压箝位元件等特点。

MAST5-2C-U12是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，

将分立电路集成在单片IC之中，使外围涔件成本减少，整机可靠性提高。该产品为人

规模集成基极驱动电路，可对IGBT实现较理想的基极电流优化驱动和自身保护。

4.4调整器的选择

根据题目规定我们尝试用P调整器进行动态校正，不过存在静差，PI调整器可以深

入提高稳态性能，到达消除稳态速差的地步。在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作

用点离被调量较远，调整作用受到多种环节的延滞，因此单闭环调速系统抵御电压扰动

H勺性能要差某些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得

到比较及时H勺调整，不必等它影响到转速后来才能反馈回来，抗扰性能大有改善。为了

获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调整器，并且这里我们采用PI调整器。

4.5脉宽调制器选用

脉宽调制器用于产生控制PWM变换器的功率器件通断1内PWM信号。常用种类有：

模拟式，数字式和专用集成电路。这里选用美国德克萨斯仪器企业TL494专用集成电路

作为双端输出型脉宽调制器，其载波为锯齿波信号，振荡频率/=L1/(R『C『)，其中和

取值范围：％=5〜1002,g=0.001~0.1"

双闭环调整器的设计

5.1电流环的设计

(1)确定常数时间常数

1）整流装置滞后时叵常数常数7；=0.003s

2）电流滤波时间常数〃=0.0005s

3）电流环小时间常数之和心=（+7；,=0.0009s

（2）选着电流调整器构造

1）根据设计规定5«5%,并保证稳态电流无差，可按经典I型系统设计电流调整

器。电流环控制对象是双惯性型日勺，因此可用PI型电流调整器，其传递函数为

Kg+1)

IV=(5-1)

检查对电源电压日勺抗扰性能：岂。”型3k5.56,满足经典I型系统动态抗扰性能,

q（）.0009

各项指标都是可以接受口勺C

（3）计算电流调整器参数

电流调整器超前时间常数：壬=7；=0.005s。

电流环开环增益：规定期应取勺7=0.5,因此

K,=—=2-=5556「(5-2)

/&0.009

于是，ACR欧J比例系数为

〃K.T.R555.6x0.005x8.

降=''=----------------=3.48o(5-3)

'Ks/34.8x1.33

（4）校验近似条件

电流环截止频率：%=g=5556厂

1）校验晶闸管整流装置传递函数日勺近似条件

1_1

力833.3s">c%

37f-3x0.0004满足近似条件

2)校验忽视反电动势变化对电流环动态影响日勺条件

—!—X94.95-'<4满足近似条件

3

0.2x0.005”

3)校验电流环小时间常数近似处理条件

-------------。745.4『>气’.满足近似条件

00.0004x0.0095-------------"

(5)计算调整器电阻和电容

按所用运算放大器取凡=402,则各电阻和电容值计算如

凡=KR,=3.48x40KI=139.22取R,=1402

二二x6『=0.0357//F

0.00510取G=0.04"

'&140x10'产产

C*二4x0.0005

X106//F=0.05//F取C=0.05pF

°R°40xl03oi

(6)按照上述参数，电流环可以到达的动态指标为。,％=4.3%<5%,故满足设计规定。

5.2转速环的设计

(1)确定期间常数

电流环等效时间常数为」-

1)

J-=27^.=2x0.0009=0.0018$。

2)转速滤波时间常数&=0.0055o

3)转速环小时间常数4〃。按小时间常数近似处理，取

&=27；,.+T0n=0.0018+0.005=0.0068s。

(2)选择转速调整器构造

按设计规定，选用PI调整器，其传递函数为

=((小1)

vvASR(s)(5-4)

(3)计算转速调整器参数

按跟随和抗扰性能都很好的原则，取〃=5,则ASR的超前时间常数为

0=〃&=5x0.0068s=0.034s

由转速环开环增益

K_"+16

}=2595s二(5-5)

V-2/7%；2x25x0.0()682

于是，可求得ASR的比例系数为

K_(一+1)6。工“_6x1.33x().18x0.2

«10.56(5-6)

"-2haRT.n~2x5x0.05x8x0.0068

(4)校验近似条件

由转速环截止频率为

”“=陛=(=与95x0.034,b=88.23.「(5-7)

9

1)电流环传递函数简化条件

满足简化条件

2)转速环小时间常数近似处理条件

满足近似条件

(5)计算调整器电阻和电容

取《=40心，则

&=K”凡=10.56x40〃。=422.4*0取代=420*0

T0034,

X106AF=0.081A/7取C=0.08//F

“=R=“420xlO5”

4XQ（X6

Co„=组=^X10/ZF=0.5//F取Cg=0.5//F

Ro*。加

（6）校核转速超调量

当〃=5时，查表可知，4=37.6%,不能满足设计规定。实际上在校验中是按照线性系

记录算口勺，而突加阶跃给定期，ASR饱和，不符合线性系统烦人前提，应当按ASR退饱

和的状况重新计算超调量C

5.3转速超调量校验

⑴超调量日勺计算

5%=A£j2/l(-z)也x4

G〃Nr

当/?=5时，=81.2%,而==7x87ymin=164.4r/min,因此

ChCe0.