脉宽调制双闭环调速系统的设计.doc

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1、课程设计任务书题 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=200r/min，电枢电阻Ra=6.5，电枢回路总电阻R=8，电磁时间常数TL=5ms，电源电压为60V。稳态无静差。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）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报告（参考文献不少于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-6月7日方案设计6月8日-6月10日馔写程设计报告6月11日提交报

2、告，答辩指导教师签名： 2014年 6月1日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要脉宽调制双闭环调速系统是基于转速、电流双闭环控制直流调速系统进行设计的。转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。本设计是以直流PWM控制调速系统进行调速，采用转速调节器ASR、以及电流调节器ACR并用PI调节器进行校正，对反馈信号进行采集，处理起到无静差效果。用电力二极管进行整流，以及滤波，通过驱动电路的作用将控制电路输出的PWM信号得到IGBT可靠的导通和关断，并用霍尔传感器对电流取样进

3、而反馈至电流调节器，系统同时设有过流保护，为此达到双闭环可逆调速。关键字：PWM 双闭环 调速摘要I1PWM双闭环调速系统框架11.1直流PWM传动系统结构图11.2闭环调速系统的结构图11.3调速系统起动过程的电流和转速波形21.4H桥双极式逆变器的工作原理21.5PWM调速系统的静特性42控制系统确定62.1PWM变换器的选用62.2传感器以及测速发电机的选用72.3驱动电路选用72.4调节器的选择72.5脉宽调制器选用83双闭环调节器的设计93.1电流环的设计93.2转速环的设计103.3负反馈单元及转速检测装置选择124电路图135 心得体会14参考文献15脉宽调制双闭环调速系统的设计

4、1PWM双闭环调速系统框架1.1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1-1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。图1-1 直流PWM传动系统结构图 1.2闭环调速系统的结构图直流双闭环调速系统的结构图如图1-2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

5、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。图1-2 双闭环调速系统的结构图1.3调速系统起动过程的电流和转速波形如图1-3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。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程图1-3 调速系统起动过程的电流和转速波形1.4H桥双极式逆变器的工作原理脉宽

6、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。H形双极式逆变器电路如图1-4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1-4 H形双极式逆变器电路双极式逆变器的四个驱动电压波形如图1-5所示。图1-5 H形双极式逆变器的驱动电压波形它们的关系是：在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。当时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图1-5所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的

7、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；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变换器的输出平均电压为如果定义占空比，电压系数则在双极式可逆变换器中调速时，的可调范围为01相应的。当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，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。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以

8、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。1.5PWM调速系统的静特性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 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，平均电流用表示，平均转速，而电枢电感压降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综上所述，目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统已经成为直流调速系统的主要形式。但是晶闸管整流器也有它的缺点，

9、主要表现在：1） 晶闸管一般是单向导电元件，不允许电流反向，这给电动机实现可逆运行造成困难；2）对过电压。过电流等十分敏感，只要一超过允许值都可能在很短的时间内损坏元件；3）晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，它对交流电源是一个感性负载，吸取滞后无功功率，因此功率因素很低，如果它在电网中容量大，将造成“电力公害”；4）晶闸管整流装置的输出电压时脉动的，而且脉动数总是有限的。由于以上原因，选择脉宽调制变换器进行改变电枢电压直流调速系统，因为PWM调速系统在很多方面具有较大的优越性：1）PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少；2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；3）

10、低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达1：10000左右；4）如果可以与快速响应的电动机配合，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，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因为装置效率高。单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为0，但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。还有单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才产生，因此动态误差大。在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负

11、载、电网等干扰。2控制系统确定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的功率开关管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的部分主要是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、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环

12、起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，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节电机的电枢电流以平衡负载电流原理图如图1-1所示。2.1PWM变换器的选用PWM变换器有可逆和不可逆两类。可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种。由于题目要求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IGBT

13、并接在功率开关管两端二级管用在IGBT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流。FGA25N的参数：Vce=200V，Ic=15A。选用10CTF30型电力二极管，If=10A，Urm=300V。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大于电源的幅值的2倍，最大整流电流按2倍额定电流考虑。选25JPF40，If=25A，Urm=400V。整流桥输出端所并接的电容作用滤除整流后的电压纹波，并在负载变化时保持电压平稳。另外，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收，所以所用的电容较大，这里选用4000uf，电压按大于2倍电

14、压选择。2.2传感器以及测速发电机的选用由于题目要求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传感器所能测量的额定电流为 5A、6A、8A、 12A、25A，当原边导线经过电流传感器时，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，并存在以下关系式：IS* NS= IP*NP。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，实验数据：Ptn=23.1W，Utn=110V，

15、Itn=0.21A，Ntn=1900r/min。2.3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。同时具有实现主电路与控制电路相隔离、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公司的AST96X 系列的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的 IGBT 驱动模块； MAST 系列为 1 7 路、带隔离电源的 IGBT 驱动板，易于使用，对供电电源要求低，适用 600V 1700V 的各种不同类型 IGBT 驱动；两者均提供 电流源或电压源电阻两种驱动方式，具有单电源供

16、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输驱动保护故障信号、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，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该产品为大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。2.4调节器的选择根据题目要求我们尝试用P调节器进行动态校正，但是存在静差，PI调节器可以进一步提高稳态性能，达到消除稳态速差的地步。在单闭环调速系统中，电网

17、电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。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的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器，并且这里我们采用PI调节器。2.5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的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公司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，其中和取值范围：，。3双闭环调节器的设计3.1电流环的设

18、计3.1.1确定时间常数1） 脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数开关周期。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）电流滤波时间常数取。3）电流环小时间常数。3.1.2选择电流调节器结构根据设计要求，而且，因此可按典型系统设计。电流调节器选用PI型，其传递函数为3.1.3选择电流调节器参数要求时，应取，因此于是，3.1.4校验近似条件1） 要求，现。2） 要求，现。3） 要求，现。可见均满足要求。3.1.5计算ACR的电阻和电容取，则 取 取 取按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为，故满足设计要求。3.2转速环的设计3.2.1确定时间常数1）电

19、流环等效时间常数为。2）取转速滤波时间常数。3）。3.2.2ASR结构设计根据稳态无静态及其他动态指标要求，按典型系统设计转速环，ASR选用PI调节器，其传递函数为3.2.3选择ASR参数取，则则3.2.4校验近似条件1） 要求，现。2） 要求，现。3.2.5计算ASR电阻和电容取，则 取 取 取3.2.6校验转速超调量当时，而,因此 可见转速超调量满足要求。3.2.7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。3.3负反馈单元及转速检测装置选择1）测速发电机参数 永磁式ZYS231/110型，额定数据为,。2）测速反馈电位器的选择考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约

20、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馈电位器阻值此时所消耗的功率为 为了使电位器温度不要提高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故选为，取。4电路图双闭环直流调速系统仿真框图如图4-1所示：图4-1双闭环直流调速系统仿真框图5 心得体会通过这次课程设计，使我对脉宽调制双闭环直流可逆调速系统有了更深入的理解。其中涉及到多方面的知识，主要包括转速-电流双闭环的设计、及IGBT触发电路的设计，涉及到了电力电子、运动控制等多学科。双闭环系统的核心是电流调节器和速度调节器，在确定两个调节器的类型和结构时采用常用的工程设计方法，电流调节器采用典型

21、型系统，计算其基本参数后，校验近似条件，能够满足系统的要求，若不能满足则要从新设计调节器的类型和结构。转速调节器采用典型型系统，和电流调节器一样，计算其基本参数，校验近似条件，能满足系统的要求。通过这个环节设计，我对调节器的参数计算掌握的更牢固。完成本设计用到了很多运动控制以外的知识，单用运动控制书本上的知识是设计不出来的，现在的系统设计都会涉及到多方面的知识，因此学好书本上的基本知识点以后还要做相应的拓展学习，将其他的与之相关的内容联系起来，对开阔我们的知识面有很大的帮助。总之，在这次设计中让我对运动控制这门课有了更深入的了解，培养了我的自学和思考能力也使我认识到自己的不足之处。在以后的学习和工作中我都会勤于学习和思考，努力做好每一件事情。参考文献【1】电气传动控制系统设计指导 李荣生主编 机械工业出版社，2004.06.【2】自动控制系统 陈伯时 北京：机械工业出版社，1981.【3】电力拖动自动控制系统 陈伯时 上海工业大学 机械工业出版社，2009.8.【4】电力电子技术 王兆安 黄俊主编 机械工业出版社，2000.01.【5】直流调速系统与交流调速系统 徐邦荃 武汉：华中科技大学出版社，2000.21