直流脈寬(PWM)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與研究——主電路設(shè)計課設(shè)報告

1、沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計摘要調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一中系統(tǒng)。目前對調(diào)速性能要求較高的各類生產(chǎn)機(jī)械大多采用直流傳動，簡稱為直流調(diào)速。早在20世紀(jì)40年代采用的是發(fā)電機(jī)電動機(jī)系統(tǒng)，又稱放大機(jī)控制的發(fā)電機(jī)電動機(jī)組系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在40年代廣泛應(yīng)用，但是它的缺點(diǎn)是占地大，效率低，運(yùn)行費(fèi)用昂貴，維護(hù)不方便等，特別是至少要包含兩臺與被調(diào)速電機(jī)容量相同的電機(jī)。為了克服這些缺點(diǎn)，50年代開始使用水銀整流器作為可控變流裝置。這種系統(tǒng)缺點(diǎn)也很明顯，主要是污染環(huán)境，危害人體健康。50年代末晶閘管出現(xiàn)，晶閘管變流技術(shù)日益成熟，使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。晶閘管電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今主要的直流調(diào)速系

2、統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于世界各國。近幾年，交流調(diào)速飛速發(fā)展，逐漸有趕超并代替直流調(diào)速的趨勢。直流調(diào)速理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，而交流調(diào)速主要依靠現(xiàn)代控制理論。不過最近研制成功的直流調(diào)速器，具有和交流變頻器同等性能的高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、高智能化特點(diǎn)。同時直流電機(jī)的低速特性，大大優(yōu)于交流鼠籠式異步電機(jī)，為直流調(diào)速系統(tǒng)展現(xiàn)了無限前景。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對于運(yùn)行性能要求很高的機(jī)床還存在著很多不足，快速性還不夠好。而基于電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜動態(tài)特性都很理想。關(guān)鍵字：調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速器 晶閘管 晶閘管電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)目錄1 緒論11.1 背景11.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計11.2.1 設(shè)計已知參

3、數(shù)11.2.2 設(shè)計指標(biāo)21.2.3 現(xiàn)行方案的討論與比較21.2.4 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由21.2.5 選擇IGBT的H橋型主電路的理由31.2.6 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由32 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計42.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計42.1.1 PWM變換器介紹42.1.2 泵升電路72.2 參數(shù)設(shè)計72.2.1 IGBT管的參數(shù)72.2.2 緩沖電路參數(shù)82.2.3 泵升電路參數(shù)83 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計93.1 PWM信號發(fā)生器93.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)設(shè)計93.2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計103.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計134 系統(tǒng)調(diào)試174.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖174.2 系統(tǒng)單元調(diào)試

4、174.2.1 基本調(diào)速174.2.2 轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器、電流反饋調(diào)節(jié)器的整定184.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果184.3.1 開環(huán)機(jī)械特性測試184.3.2 閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)試及閉環(huán)靜特性測定195 總結(jié)20參考文獻(xiàn)21附錄A22A.1 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測定22A.2 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)性能測試26291 緒論1.1 背景在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命過程中，電氣自動化在20世紀(jì)的后四十年曾進(jìn)行了兩次重大的技術(shù)更新。一次是元器件的更新，即以大功率半導(dǎo)體器件晶閘管取代傳統(tǒng)的變流機(jī)組，以線形組件運(yùn)算放大器取代電磁放大器件。后一次技術(shù)更新主要是把現(xiàn)代控制理論和計算機(jī)技術(shù)用于電氣工程，控制器由模擬式進(jìn)入了數(shù)

5、字式。在前一次技術(shù)更新中，電氣系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計仍采用經(jīng)典控制理論的方法。而后一次技術(shù)更新是設(shè)計思想和理論概念上的一個飛躍和質(zhì)變，電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能亦隨之改觀。在整個電氣自動化系統(tǒng)中，電力拖動及調(diào)速系統(tǒng)是其中的核心部分。現(xiàn)代的電力拖動控制系統(tǒng)都是由慣性很小的晶閘管、電力晶體管或其他電力電子器件以及集成電路調(diào)節(jié)器等組成的。經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)一般都可以用低階近似。而以運(yùn)算放大器為核心的有源校正網(wǎng)絡(luò)（調(diào)節(jié)器），和由 R、C等元件構(gòu)成的無源校正網(wǎng)絡(luò)相比,又可以實(shí)現(xiàn)更為精確的比例、微分、積分控制規(guī)律,于是就有可能將各種各樣的控制系統(tǒng)簡化和近似成少數(shù)典型的低階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前，隨著大功率電力電子器件

6、的迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)已日臻成熟并日漸成為實(shí)際應(yīng)用的主流，但這并不意味著傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)完全退出了實(shí)際應(yīng)用的舞臺。相反，近幾年交流變頻調(diào)速在控制精度的提高上遇到了瓶頸，于是直流調(diào)速的優(yōu)勢就顯現(xiàn)了出來。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。譬如在對控制精度有較高要求的造紙，轉(zhuǎn)臺，輪機(jī)定位等系統(tǒng)中仍離不開直流調(diào)速裝置，因此加強(qiáng)對直流調(diào)速系統(tǒng)的研究還是很有必要的。1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計 1.2.1 設(shè)計已知參數(shù)1、拖動設(shè)備：直流電動機(jī)： ，過載倍數(shù)。2、負(fù)載：直流發(fā)電機(jī)： 3、機(jī)組：轉(zhuǎn)動慣量1.2.2 設(shè)計指標(biāo)1、D，穩(wěn)態(tài)時無靜差。2、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n=1500r/min, 負(fù)

7、載電流0.8A。3、電流超調(diào)量，空載起動到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。1.2.3 現(xiàn)行方案的討論與比較直流電動機(jī)的調(diào)速方法有三種：調(diào)節(jié)電樞供電電壓U、改變電動機(jī)主磁通、改變電樞回路電阻R。改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有三種：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止可控整流器、直流

8、斬波器或脈寬調(diào)制變換器。由于旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組缺點(diǎn)太多，采用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，形成所謂的離子拖動系統(tǒng)。離子拖動系統(tǒng)克服旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且縮短了響應(yīng)時間。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。由于以上種種原因，所以選擇了脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行改變電樞電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)。1.2.4 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由SG3525是一種性能優(yōu)良，功能全，通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制器。由于它簡單、可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試，故獲得廣泛使用。PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性 ：1） PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路

9、簡單，需用的功率器件少。2） 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到1：10000左右。4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快。變頻調(diào)速很快為廣大電動機(jī)用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調(diào)速方法，在一些中小容量的動態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式。由此可見，變頻調(diào)速是非常值得自動化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中，PWM調(diào)速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對象的重要原因。1.2.5 選擇IGBT的H橋型主電路的理由IGBT的優(yōu)點(diǎn)：1)IGBT的開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。2)在相同電壓和電

10、流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。3)IGBT的通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。4)IGBT的輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。5)與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時可保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。在眾多PWM變換器實(shí)現(xiàn)方法中，又以H型PWM變換器更為多見。這種電路具備電流連續(xù)、電動機(jī)四象限運(yùn)行、無摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計以H型PWM直流控制器為主要研究對象。1.2.6 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系

11、統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用PI控制器時，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動，必須使直流電動機(jī)在起動過程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電樞電流保持最大允許值時，電動機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。以上兩點(diǎn)都涉及

12、電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計2.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1.1 PWM變換器介紹脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類，下面對本課設(shè)用到的可逆做一下簡單的介紹和分析?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T型和H型兩種，其基本電路如圖2.1所示，圖中（a）為T型PWM變換器電路，（b）為H型PWM變換器電路。圖2.1 可逆PWM變換器電路（a）T型 （b）H型T型電路由兩個可控電力電子器件和與兩個續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡單，構(gòu)成系統(tǒng)時便于引出反饋，適用

13、于作為電壓低于50V的電動機(jī)的可控電壓源；但是T型電路需要正負(fù)對稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型電路的一半。H型電路是實(shí)際上廣泛應(yīng)用的可逆PWM變換器電路，它由四個可控電力電子器件和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路。雙極式可逆PWM變換器的主電路如圖2.1（b）所示。四個電力晶體管分為兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為一組。同一組中兩個電力晶體管的基極驅(qū)動電壓波形相同，即Ub1=Ub4，VT1和VT4同時導(dǎo)通和關(guān)斷；Ub2=Ub3，VT2和VT3同時導(dǎo)通和關(guān)斷。而且Ub1，Ub4和Ub2，Ub3相位相反，在一個

14、開關(guān)周期內(nèi)VT1，VT4和VT2，VT3兩組晶體管交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，變換器輸出電壓UAB在一個周期內(nèi)有正負(fù)極性變化。由于電壓極性的變化，使得電樞回路電流的變化存在兩種情況，其電壓、電流波形如圖2.2所示。圖2.2 雙極式PWM變換器電壓和電流波形（a）電動機(jī)負(fù)載較重時 （b）電動機(jī)負(fù)載較輕時如果電動機(jī)的負(fù)載較重，平均負(fù)載電流較大， VT1和VT4飽和導(dǎo)通；而和為負(fù)，VT2和VT3截止。這時，加在電樞AB兩端，電樞電流沿回路流通（見圖2.2（b），電動機(jī)處于電動狀態(tài)。在時，和為負(fù)，VT1和VT4截止；和為正，在電樞電感釋放儲能的作用下，電樞電流經(jīng)二極管VD2和VD3續(xù)流，在VD2和VD3上的正向

15、壓降使VT2和VT3的c-e極承受反壓而不能導(dǎo)通，電樞電流沿回路2流通，電動機(jī)仍處于電動狀態(tài)。有關(guān)參量波形圖示于圖2.2（a）。如果電動機(jī)負(fù)載較輕，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零。于是在時，VT2和VT3的c-e極兩端失去反壓，并在負(fù)的電源電壓（）和電動機(jī)反電動勢E的共同作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，沿回路3流通，電動機(jī)處于反接制動狀態(tài)。在（）時，和變負(fù)，VT2和VT3截止，因電樞電感的作用，電流經(jīng)VD1和VD4續(xù)流，使VT1和VT4的c-e極承受反壓，雖然和為正，VT1和VT4也不能導(dǎo)通，電流沿回路4流通，電動機(jī)工作在制動狀態(tài)。有關(guān)參量的波形示于圖2.2（b）。雙極式可逆PWM變換器與具

16、有制動作用的不可逆PWM變換器的電流波形差不多，主要區(qū)別在于電壓波形；前者，無論負(fù)載是輕還是重，加在電動機(jī)電樞兩端的電壓都在和之間變換；后者的電壓只在和0之間變換。這里并未反映出“可逆”的作用。實(shí)現(xiàn)電動機(jī)制可逆運(yùn)行，由正、負(fù)驅(qū)動電壓的脈沖寬窄而定。如果正、負(fù)脈沖寬度相等，平均電壓為零，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)殡p極式可逆PWM變換器電動機(jī)電樞兩端的平均電壓為 若仍以來定義PWM電壓的占空比，則雙極式PWM變換器的電壓占空比為。改變即可調(diào)速，的變化范圍為。為正值，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；為負(fù)值，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。在時，電動機(jī)雖然不動，但電樞兩端的瞬時電壓和流過電樞的瞬時電流都不為零，而是交變的。這個交

17、變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增加了電動機(jī)的損耗，當(dāng)然是不利的。由于本次設(shè)計要求電機(jī)能實(shí)現(xiàn)啟動、制動、正反轉(zhuǎn)，并且能進(jìn)行無極調(diào)速等。又根據(jù)雙極式H型可逆PWM變換器具有的優(yōu)點(diǎn)：電流一定連續(xù)，可以使電動機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限動行；電動機(jī)停止時的微振交變電流可以消除靜摩擦死區(qū)；低速時由于每個電力電子器件的驅(qū)動脈沖仍較寬而有利于折可靠導(dǎo)通；低速平穩(wěn)性好，可達(dá)到很寬的調(diào)速范圍。所以，本次設(shè)計我們選擇雙極式H型可逆PWM變換器。主電路如圖2.3所示。圖2.3 H橋主電路2.1.2 泵升電路當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速由高變低時（減速或者停車），儲存在電動機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)動部分的動能將變成電能，并通過PWM變換器

18、回饋給直流電源。當(dāng)直流電源功率二極管整流器供電時，不能將這部分能量回饋給電網(wǎng)，只能對整流器輸出端的濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓”。過高的泵升電壓會損壞元器件，因此必須采取預(yù)防措施，防止過高的泵升電壓出現(xiàn)?？梢圆捎糜煞至麟娮鑂和開關(guān)元件（電力電子器件）VT組成的泵升電壓限制電路，如圖2.4所示。 圖2.4 泵升電壓限制電路當(dāng)濾波電容器C兩端的電壓超過規(guī)定的泵升電壓允許數(shù)值時，VT導(dǎo)通，將回饋能量的一部分消耗在分流電阻R上。這種辦法簡單實(shí)用，但能量有損失，且會使分流電阻R發(fā)熱。2.2 參數(shù)設(shè)計2.2.1 IGBT管的參數(shù)IGBT（Insulated Gate Bipolor Tr

19、ansistor）叫做絕緣柵極雙極晶體管。這種器件具有MOS門極的高速開關(guān)性能和雙極動作的高耐壓、大電流容量的兩種特點(diǎn)。其開關(guān)速度可達(dá)1mS，額定電流密度100A/cm2，電壓驅(qū)動，自身損耗小。其符號和波形圖如圖2.5所示。設(shè)計中選的IGBT管的型號是IRGPC50U,它的參數(shù)如下：管子類型：NMOS場效應(yīng)管極限電壓Vm：600V極限電流Im：27 A耗散功率P：200 W 額定電壓U：220V額定電流I：1.2A圖2.5 IGBT信號及波形圖2.2.2 緩沖電路參數(shù)如圖2.1(b)所示，H橋電路中采用了緩沖電路，由電阻和電容組成。 IGBT的緩沖電路功能側(cè)重于開關(guān)過程中過電壓的吸收與抑制，這

20、是由于IGBT的工作頻率可以高達(dá)30-50kHz；因此很小的電路電感就可能引起頗大的，從而產(chǎn)生過電壓，危及IGBT的安全。逆變器中IGBT開通時出現(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導(dǎo)通的IGBT負(fù)載電流上疊加了橋臂中互補(bǔ)管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，所以在此二極管恢復(fù)阻斷前，剛導(dǎo)通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時貫穿短路，使出現(xiàn)尖峰，為此需要串入抑流電感，即串聯(lián)緩沖電路，或放大IGBT的容量。緩沖電路參數(shù)：經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出緩沖電路電阻R=10K；電容。2.2.3 泵升電路參數(shù) 如圖2.4所示，泵升電路由一個電容量大的電解電容、一個電阻和一個VT組成。泵升電路中電解電容選取C=2000；電壓U=450

21、V；VT選取IRGPC50U 型號的IGBT管；電阻選取R=20。3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計3.1 PWM信號發(fā)生器PWM信號發(fā)生器以集成可調(diào)脈寬調(diào)制器SG3525為核心構(gòu)成，他把產(chǎn)生的電壓信號送給H橋中的四個IGBT。通過改變電力晶體管基極控制電壓的占空比，而達(dá)到調(diào)速的目的。其控制電路如圖3-1所示.圖3-1 PWM控制電路3.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)設(shè)計圖3-2雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖圖中，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器二者之間實(shí)行串級連接。把速度調(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)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)

22、。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器一般選擇PI調(diào)節(jié)器。在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅值決定了電流給定的最大值，電流給定的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。分析系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的特征，PI調(diào)節(jié)器一般存在兩種狀況：飽和-輸出達(dá)到限幅值，不飽和-輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)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，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退飽和，此時相當(dāng)于調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI調(diào)節(jié)器的作用是使輸入偏差電壓始終為零。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示。圖3-3

23、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中 和 分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖上必須把電流 標(biāo)示出來。電機(jī)在啟動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和、飽和、退保和三種狀態(tài)，整個動態(tài)過程可分為三個階段。 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)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(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計要求。圖3-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖3.2.1

24、電流調(diào)節(jié)器設(shè)計本設(shè)計因?yàn)?i% 5%且TL/TI =23.98/6.7<10。所以 按典系統(tǒng)設(shè)計,選PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：如圖3-5所示，為電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。圖3-5 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖（1）、整流裝置滯后時間常數(shù)Ts：三相橋式電路平均失控時間Ts = 0.0017s。（2）、電流濾波時間常數(shù)Toi：三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本濾平波頭應(yīng)有（12）Toi = 3.33s。則Toi=0.002s（3）、電流小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理： 采用含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器，其原理圖如圖1所示。圖中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就

25、是電力電子變換器的控制電壓。根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：檢查對電源電壓的抗擾性能：電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：取電流反饋系數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益：取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為：校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：，滿足近似條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：，滿足近似條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，滿足近似條件。按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為：，取，取，取3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)

26、節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)： 近似條件: 如圖3-6所示，為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。圖3-6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖速度調(diào)節(jié)器采用電路運(yùn)算放大器，它具有兩個輸入端，同相輸入端和倒相輸入端，其輸出電壓與兩個輸入端電壓之差成正比。電路運(yùn)算放大器具有開環(huán)放大倍數(shù)大，零點(diǎn)漂移小，線性度好，輸入電流極小，輸出阻抗小等優(yōu)點(diǎn)，可以構(gòu)成理想的調(diào)節(jié)器。由二極管VD4，VD5和電位器RP2，RP3組成正負(fù)限幅可調(diào)的限幅電路。由Cn，Rn組成反饋微分校正網(wǎng)絡(luò)，有助于抑制振蕩，減少超調(diào)，R15，C1組成速度環(huán)串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)。場效應(yīng)管V5為零速封鎖電路，當(dāng)4端為0V時VD5導(dǎo)通，將調(diào)節(jié)器反饋網(wǎng)絡(luò)短接而封鎖，4端為-15V時

27、，VD5夾斷，調(diào)節(jié)器投入工作。RP1為放大系數(shù)調(diào)節(jié)電位器。元件RP1，RP2，RP3均安裝在面板上。電容C1兩端在面板上裝有接線柱，電容C2兩端也裝有接線柱，可根據(jù)需要外接電容。電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個環(huán)節(jié)，為此其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：忽略高次項(xiàng)，可降階近似為：接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為：電流環(huán)等效時間常數(shù)：轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理，取電壓反饋系數(shù)：采用含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：按跟隨和

28、抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為：于是，ASR的比例系數(shù)為：轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：，滿足近似條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：，滿足近似條件。按所用運(yùn)算放大器取，則，取66.6k，取，取按退飽和超調(diào)量的計算方法計算調(diào)速系統(tǒng)空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量：4 系統(tǒng)調(diào)試4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖4-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4.2 系統(tǒng)單元調(diào)試4.2.1 基本調(diào)速速度調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR)的調(diào)零把調(diào)節(jié)器的輸入端1、2、3全部接地，4、5之間接50K電阻，調(diào)節(jié)電位器RP3，使7端輸出絕對值小于1mv。速度調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器

29、(ACR)的輸出限幅值的整定在調(diào)節(jié)器的3個輸入中的其中任一個輸入接給定，在4.、5之間接50K電阻、1uF電容，調(diào)節(jié)給定電位器，使調(diào)節(jié)器的輸入為-1V，調(diào)節(jié)電位器RP1，使調(diào)節(jié)器的輸出7為+4V（輸出正限幅值）；同樣把給定調(diào)節(jié)為+1V，調(diào)節(jié)RP2，把負(fù)限幅值調(diào)節(jié)為-4V。零速度封鎖器（DZS）觀測首先把零速封鎖器的輸入懸空，開關(guān)S1撥至“封鎖”狀態(tài)，輸出接速度或者電流調(diào)節(jié)器的零速封鎖端6，無論調(diào)節(jié)器的輸入如何調(diào)節(jié)，輸出7始終為零。把面板上的給定輸出接至零速封鎖單元其中一路，另一路懸空，增大給定，測量零速封鎖單元輸出端3：給定的絕對值大于0.26V左右時，封鎖端3輸出-15V；減小給定，給定的絕

30、對值小于0.17V左右時，封鎖端3輸出+15V。把給定加到另一路進(jìn)行同樣的操作。4.2.2 轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器、電流反饋調(diào)節(jié)器的整定把電機(jī)、220V直流電源接入系統(tǒng)，系統(tǒng)接成開環(huán)。把正給定接入脈寬發(fā)生單元，調(diào)節(jié)給定，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1600rpm，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器中的RP1，使3端輸出的電壓為-4V。加大負(fù)載，使電機(jī)的電樞電流穩(wěn)定在1.3A，調(diào)節(jié)電流反饋調(diào)節(jié)器，使電流反饋調(diào)節(jié)器3端輸出的電壓為+4V。4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.3.1 開環(huán)機(jī)械特性測試把電機(jī)、直流電源，接入系統(tǒng)，電動機(jī)、發(fā)電機(jī)加額定勵磁。緩慢增加給定電壓Ug,使電機(jī)升速,調(diào)節(jié)給定電壓Ug和負(fù)載Rg使電動機(jī)(DJ15)的電樞電流Id=1.1A

31、,轉(zhuǎn)速達(dá)到1200rpm。在測試過程中逐步增大負(fù)載電阻Rg的阻值（即減小負(fù)載）就可測出該系統(tǒng)的開環(huán)外特性n=f（I2），將其記入下面的表格：n(rpm)120011761153113611231108108011481032I(A)0.30.40.50.60.70.81.01.31.5然后將電機(jī)反轉(zhuǎn)，增加給定Ug（負(fù)給定）使電機(jī)反向升速，調(diào)節(jié)給定電壓Ug和負(fù)載Rg使電動機(jī)(DJ15)的電樞電流Id=1.1A,轉(zhuǎn)速分別達(dá)到-1200rpm。在測試過程中逐步增大負(fù)載電阻Rg的阻值（即減小負(fù)載）就可測出該系統(tǒng)的開環(huán)外特性n=f（I2），將其記入下面的表格：n(rpm)1200117511501130

32、11251105108511501030I(A)0.30.40.50.60.70.81.01.31.5 圖4.1 開環(huán)機(jī)械特性曲線4.3.2 閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)試及閉環(huán)靜特性測定直流電壓輸入為300V的情況下，發(fā)電機(jī)輸出首先空載，從零開始逐漸調(diào)大給定電壓Ug，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速接近1200rpm，然后在發(fā)電機(jī)的電樞繞組接入負(fù)載電阻Rg，逐漸增大電動機(jī)負(fù)載（即減小負(fù)載的電阻值），直至電動機(jī)的電樞電流Id=1.1A，即可測出系統(tǒng)靜態(tài)特性，測定n=f（Id）并記錄于下表中：Id(A)0.30.40.50.60.70.80.91.01.1n(rpm)120812081208120712091210121412161

33、215改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，重復(fù)上述的步驟：n(rpm)0.30.40.50.60.70.80.91.01.1n(rpm)120011971193119312001203120512101215再降低給定電壓Ug，再測試800rpm的靜態(tài)特性曲線，記錄于下表中：Id(A)0.20.30.40.50.60.70.80.91.0n(rpm)800801801801800800799799802圖4.2 閉環(huán)系統(tǒng)特性曲線5 總結(jié)通過這次設(shè)計，我基本上掌握了直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。具體的說，第一，了解了調(diào)速的發(fā)展史的同時，進(jìn)一步了解了交流調(diào)速系統(tǒng)所蘊(yùn)涵的發(fā)展?jié)摿?，掌握了這一方面未來的發(fā)展動態(tài)；第二，雙閉環(huán)

34、直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、動態(tài)特性；第三，ASR、ACR（速度、電流調(diào)節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)在結(jié)構(gòu)上的選取，包括其參數(shù)的計算；第四，直流電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立，參數(shù)的計算；第六，PWM脈寬調(diào)制系統(tǒng)的基本原理，組成，并分析了橋式可逆PWM的工作狀態(tài)及電壓、電流的波形；第七，運(yùn)用MATLAB仿真系統(tǒng)對所建立的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行的仿真，與此同時，進(jìn)一步熟悉了MATLAB的相關(guān)功能，掌握了其使用方法?？傊谠O(shè)計過程中，我不僅學(xué)到了以前從未接觸過的新知識，而且學(xué)會了獨(dú)立的去發(fā)現(xiàn)，面對，分析，解決新問題的能力，不僅學(xué)到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。參考文獻(xiàn)1 夏得砛,翁

35、貽方.自動控制理論第2版機(jī)械工業(yè)出版社，20072 陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)第2版機(jī)械工業(yè)出版社，20033 王兆安，黃俊電力電子技術(shù)第4版機(jī)械工業(yè)出版社，20074 楊興姚電動機(jī)調(diào)速的原理及系統(tǒng)北京水利電力出版社，20035 劉軍孟祥忠電力拖動自動控制系統(tǒng)機(jī)械工業(yè)出版社，20076 王華強(qiáng). 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法的探討. 荊門職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報. 20027 吳守箴，藏英杰.電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術(shù)M .機(jī)械工業(yè)出版社，1995附錄AA.1 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測定A.1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、測定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)主電路電阻R；2、測定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)主電路電磁時間常數(shù)Td；3、測定直流電動機(jī)電勢常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CM；4、測定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)TM；5、測定晶閘管觸發(fā)及整流裝置特性Ud=f (Uct)；6、測定測速發(fā)電機(jī)特性UTG=f (n)。A.1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成和工作原理本