雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)計..

1、雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)計. 作者： 日期：24 個人收集整理 勿做商業(yè)用途雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計學 院： 機電工程學院 學 號: 專業(yè)（方向)年級： 學 生 姓 名： 福建農(nóng)林大學機電工程學院電氣工程系2011年 1 月 7 日目錄一。 設(shè)計任務(wù)書1二設(shè)計說明書32.1 方案確定32.1.1 方案選定32.1.2 橋式可逆PWM變換器工作原理32。1。3 系統(tǒng)控制電路圖62。1.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)分析62。1.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖72.2 硬件結(jié)構(gòu)92。2.1 主電路92.2。2 泵升壓限制112。3 主電路參數(shù)計算及元件選擇122.3.1 整流二極

2、管選擇122.3.2 絕緣柵雙極晶體管選擇122.4調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計和選擇132.4。1 電流環(huán)的設(shè)計132.4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計162.4.3 反饋單元182。5 系統(tǒng)總電路圖19三心得體會20交直流調(diào)速課程設(shè)計任務(wù)書一、題目 雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計二、設(shè)計目的1、對先修課程（電力電子學、自動控制原理等）的進一步理解與運用2、運用電力拖動控制系統(tǒng)的理論知識設(shè)計出可行的直流調(diào)速系統(tǒng)，通過建模、仿真驗證理論分析的正確性.也可以制作硬件電路.3、同時能夠加強同學們對一些常用單元電路的設(shè)計、常用集成芯片的使用以及對電阻、電容等元件的選擇等的工程訓練。達到綜合提高學生工程設(shè)計與動手能力的目

3、的。三、系統(tǒng)方案的確定自動控制系統(tǒng)的設(shè)計一般要經(jīng)歷從“機械負載的調(diào)速性能(動、靜）電機參數(shù)主電路控制方案"（系統(tǒng)方案的確定）“系統(tǒng)設(shè)計仿真研究參數(shù)整定直到理論實現(xiàn)要求硬件設(shè)計制版、焊接、調(diào)試”等過程，其中系統(tǒng)方案的確定至關(guān)重要。為了發(fā)揮同學們的主觀能動作用，且避免方案及結(jié)果雷同,在選定系統(tǒng)方案時，規(guī)定外的其他參數(shù)由同學自己選定.1、主電路采用二極管不可控整流,逆變器采用帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)管IGBT構(gòu)成H型雙極式控制可逆PWM變換器；2、速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器；3、機械負載為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載,系統(tǒng)飛輪矩（含電機及傳動機構(gòu)）4、主電源:可以選擇三相交流380V供電；5、

4、他勵直流電動機的參數(shù)：見習題集【4-19】（P96）=1000r/min，電樞回路總電阻R=2,電流過載倍數(shù)=2。四、設(shè)計任務(wù)a)總體方案的確定；b）主電路原理及波形分析、元件選擇、參數(shù)計算;c）系統(tǒng)原理圖、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖、主要硬件結(jié)構(gòu)圖;d)控制電路設(shè)計、原理分析、主要元件、參數(shù)的選擇；e）調(diào)節(jié)器、PWM信號產(chǎn)生電路的設(shè)計；f）檢測及反饋電路的設(shè)計與計算；五、課程設(shè)計報告的要求1、不準相互抄襲或代做,一經(jīng)查出，按不及格處理。2、報告字數(shù)：不少于8000字（含圖、公式、計算式等）。3、形式要求：以福建農(nóng)林大學本科生課程設(shè)計（工科）的規(guī)范化要求撰寫。要求文字通順、字跡工整、公式書寫規(guī)范、

5、報告書上的圖表允許徒手畫，但必須清晰、正確且要有圖題.4、必須畫出系統(tǒng)總圖，總圖不準徒手畫，電路圖應(yīng)清潔、正確、規(guī)范。未進行具體設(shè)計的功能塊允許用框圖表示，且功能塊之間的連線允許用標號標注.六、參考資料1、電氣傳動控制系統(tǒng)設(shè)計指導 李榮生 機械工業(yè)出版社 2004.62、新型電力電子變換技術(shù) 陳國呈 中國電力出版社3、電力拖動自動控制系統(tǒng) 陳伯時 機械工業(yè)出版社4、電力電子技術(shù) 王兆安 黃俊 機械工業(yè)出版社 2000.1交直流調(diào)速課程設(shè)計說明書一、方案確定2.1.1 方案選定直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)

6、器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，達到設(shè)計要求.總體方案簡化圖如圖1所示.圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化圖 用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態(tài)過程.在啟動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機過載能力的條件下獲得最佳過渡過程

7、，很好的滿足了生產(chǎn)需求。2.1.2 橋式可逆PWM變換器的工作原理脈寬調(diào)制器的作用是:用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速.橋式可逆PWM變換器電路如圖2所示。這是電動機M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓的極性變化而變化.圖2 橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅(qū)動電壓波形如圖3所示。圖3 PWM變換器的驅(qū)動電壓波形他們的關(guān)系是：。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當時，晶體管、飽和導通而、截止，這時。當時，、截止,但、不能立即導通,電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時。在一個周期內(nèi)正負相間,這是雙極式PWM變換器的特征

8、，其電壓、電流波形如圖2所示。電動機的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負脈沖的寬窄上.當正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn),當正脈沖較窄時,則反轉(zhuǎn);如果正負脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動機停止.雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比,電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時，的可調(diào)范圍為01相應(yīng)的.當時，為正，電動機正轉(zhuǎn);當時，為負,電動機反轉(zhuǎn);當時，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停止時仍然有高頻微震電流

9、,從而消除了正、反向時靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點：1）電流一定連續(xù)。2)可使電動機在四象限運行。3）電動機停止時有微震電流,能消除靜摩擦死區(qū)。4）低速平穩(wěn)性好，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通.控制電路如下所示.主要組成部分有信號設(shè)定（頻率給定、給定積分器）、正弦參考信號幅值和頻率控制電路（絕對值運算器、壓控振蕩器、函數(shù)發(fā)生器、極性鑒別器)、PWM波發(fā)生器（三相正弦波發(fā)生器、鎖相環(huán)、三相波載波發(fā)生器、比較器）及與主電路相隔離的電壓/電流檢測回路、驅(qū)動回路及保護回路。2.1.3 系統(tǒng)控制電路圖控制電路如下所示。主要組成

10、部分有信號設(shè)定（頻率給定、給定積分器）、正弦參考信號幅值和頻率控制電路（絕對值運算器、壓控振蕩器、函數(shù)發(fā)生器、極性鑒別器）、PWM波發(fā)生器(三相正弦波發(fā)生器、鎖相環(huán)、三相波載波發(fā)生器、比較器)及與主電路相隔離的電壓/電流檢測回路、驅(qū)動回路及保護回路 通用型PWM變頻器原理圖框圖2.1.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析由于采用了脈寬調(diào)制,電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關(guān)系式比較簡單，電壓平衡方程如下 . 按電壓平衡方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導出機械特性方程式，電樞兩端在一個周期內(nèi)的電壓都是，平均電流用表示,平均轉(zhuǎn)速,而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫成

11、則機械特性方程式2.1.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值;不飽和輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值,輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán).當調(diào)節(jié)器不飽和時,PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是為零。圖4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的.因此,對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況.為了獲得近似理想的過度過程，并克服幾個信號綜合于一個調(diào)節(jié)器輸入端的缺點，最好的方法就是將被

12、調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制,用兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng).所以本文選擇方案二作為設(shè)計的最終方案。如圖5為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理。圖5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖二、硬件結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路中的 UPE 是直流 PWM 功率變換器。系統(tǒng)的特點：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測.由軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)，系統(tǒng)由主電路、檢測電路、控制電路、給定電路、顯示電路組成。如圖6為雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。圖6 雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖2。2。1 主電路 主電路由二極管整流器 UR、PWM 逆變器 UI 和中間直流電路三部

13、分組成,一般都是電壓源型的，采用大電容 C 濾波，同時兼有無功功率交換的作用?？赡鍼WM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖7為橋式可逆PWM變換器.這時電動機M兩端電壓Uab的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓極性的變化而變化，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種,本設(shè)計用的是雙極性控制的可逆PWM變換器。雙極性控制的橋式可逆PWM變換器有電流一定連續(xù)、可使電動機在四象限運行、電動機停止時有微振電流可消除靜摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點。圖7 橋式可逆PWM變換器圖8為雙極式控制時的輸出電壓和電流波形。相當于一般負載的情況，脈動電流的方向始終為正；相當于輕載情況,電流可在正

14、負方向之間脈動,但平均值仍為正，等于負載電流。圖8 雙極式控制時的輸出電壓和電流波形雙極性控制可控PWM變換器的輸出平均電壓為 轉(zhuǎn)速反饋電路如圖9所示，由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時間常數(shù).根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖 9 轉(zhuǎn)速反饋電路2.2.2 泵升電壓限制當脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機減速或停車時，儲存在電機和負載傳動部分的動能將變成電能,并通過 PWM 變壓器回饋給直流電源。一般直流電源由不可控的整流器供電,不可能回饋電能，只好對濾波電容器充電而使電源電壓升高,稱作“泵升電壓”。如果要讓電容器全部吸收

15、回饋能量，將需要很大的電容量，或者迫使泵升電壓很高而損壞元器件。在不希望使用大量電容器(在容量為幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)中，電容至少要幾千微法）從而大大增加調(diào)速裝置的體積和重量時，可以采用由分流電阻 R 和開關(guān)管 VT 組成的泵升電壓限制電路，用R 來消耗掉部分動能。R 的分流電路靠開個器件 VT 在泵升電壓達到允許數(shù)值時接通.三、主電路參數(shù)計算和元件選擇主電路參數(shù)計算包括整流二極管計算,濾波電容計算、功率開關(guān)管 IGBT 的選擇及各種保護裝置的計算和選擇等。2。3。1 整流二極管的選擇根據(jù)二極管的最大整流平均 和最高反向工作電壓 分別應(yīng)滿足：(A）（V）選用大功率硅整流二極管,型號和參數(shù)如下所示：型

16、號額定正向平均電流（A）額定反向峰值電壓URM(V)正向平均壓降 (V）反向平均漏電流 （mA）散熱器型號ZP10A1020020000.50.76SZ14在設(shè)計主電路時，濾波電容是根據(jù)負載的情況來選擇電容C值，使RC（35）T/2，且有(V),即C15000uF故此，選用型號為CD15的鋁電解電容，其額定直流電壓為400V，標稱容量為22000uF。2.3。2 絕緣柵雙極晶體管的選擇最大工作電流Imax2Us/R=440/0.45=978(A)集電極發(fā)射極反向擊穿電壓 (23）Us=440660v四、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計和選擇調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法的基本思路 先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿

17、足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標。設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴展.在這里是:先從電流環(huán)人手，首先設(shè)計好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。2。4.1 電流環(huán)的設(shè)計H型單極式PWM變換器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用寬調(diào)速直流電動機。額定力矩為4.9N·m，電樞電阻Ra=1。64，電樞回路總電感L=10。2mH，額定電流=6A，額定電壓=110V。調(diào)速系統(tǒng)的最小負載電流=1A，電源電壓=122V，電力晶體管集電極電阻=2.5，設(shè)=2。nN=1000r/min，電樞回路總電阻R=2,電流過載倍

18、數(shù)=2。如圖10為電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖圖10 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖2。4.1。1確定時間常數(shù)（1）脈寬調(diào)制器和PWM變換器的滯后時間常數(shù)與傳遞函數(shù)的計算電動機的啟動電流為 啟動電流與額定電流比為 晶體管放大區(qū)的時間常數(shù)為 電流上升時間的計算公式為 式中晶體管導通時的過飽和驅(qū)動系數(shù),取=2則 電流下降時間的計算公式為 式中-晶體管截止時的負向過驅(qū)動系數(shù)，取=2則 又 最佳開關(guān)頻率為 開關(guān)頻率f選為4.4kHz，此開關(guān)頻率已能滿足電流連續(xù)的要求。于是開關(guān)周期脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)為 于是可得脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)為(2)電流濾波時間常數(shù) 取0.5ms(3）電流環(huán)小時間常數(shù) 2。4。1.2選

19、擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，而且因此可以按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為 2.4.1。3選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 要求時，應(yīng)取，因此 又 于是 2.4。1。4檢驗近似條件 （1）要求，現(xiàn).（2）要求，現(xiàn)。（3）要求，現(xiàn)。可見均滿足要求。2.4.1.5計算ACR的電阻和電容取=40k，則 ,取 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為，故滿足設(shè)計要求。2。4.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計2.4。2.1 確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為（2）取轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)（3）2。4.2。2 ASR結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)穩(wěn)態(tài)無靜差及其他動態(tài)指標要求,按典型II型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán),ASR選用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為

20、 2。4.2.3 選擇ASR參數(shù)取h=5，則則 2。4。2.4 校驗近似條件 (1)要求，現(xiàn)。(2）要求，現(xiàn)可見均能滿足要求.2.4。2。5 計算ASR電阻和電容取，則 ，取1440 ,取0。1 2.4.2。6 檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當h=5時，而，因此可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足要求。2。4.2.7 校驗過渡過程時間空載起動到額定轉(zhuǎn)速的過渡過程時間可見能滿足設(shè)計要求。2.4。3 反饋單元2.4.3。1 轉(zhuǎn)速檢測裝置選擇選測速發(fā)電機 永磁式ZYS231/110型，額定數(shù)據(jù)為P=23。1W，U=110V，I=0.21A，n=1900r/min。測速反饋電位器RP2的選擇 考慮測速發(fā)電機輸出最高電壓時,其電流約為額定值的20，這樣，測速發(fā)電機電樞壓降對檢測信號的線性度影響較小。測速發(fā)電機工作最高電壓 測速反饋電位器阻值 此時RP2所消耗的功率為 為了使電位器溫度不要很高，實選瓦數(shù)應(yīng)為消耗功率的一倍以上,故選RP2為4W，取2000.2.4。3.2 電流檢測單元本系統(tǒng)要求電流檢測不但要反映電樞電流的大小而且還要反映電流極性,所以選用霍爾電流傳感器.2.5系統(tǒng)總電路圖心得體會一周的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，