雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)

1、雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工業(yè)等工業(yè)部門(mén)中得到廣泛應(yīng)用。直流時(shí)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可以分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。本文主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，一直在傳動(dòng)領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。本文對(duì)雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究，從直流調(diào)整系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了閉環(huán)直流PWM調(diào)整系統(tǒng)的模型。 一、 雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)分析雙閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)的傳

2、動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖： 直流PWM控制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別在于用直流PWM變換器取代了晶閘管變流裝置，作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)構(gòu)成原理圖如下所示：直流PWM傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中屬于脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)主要由調(diào)制波發(fā)生器GM、脈寬調(diào)制器UPM、邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD和電力晶體管基極的驅(qū)動(dòng)器GD和脈寬調(diào)制（PWM）變換器組成。最關(guān)鍵的部件為脈寬調(diào)制器。模擬式脈寬調(diào)制器本質(zhì)為電壓-脈沖變換裝置，它是由一個(gè)運(yùn)算放大器和幾個(gè)輸入信號(hào)構(gòu)成電壓比較器。去處放大器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，在電流調(diào)節(jié)器的輸出控制信號(hào)U的控制下，產(chǎn)生一個(gè)等幅、寬度受U控制的方波脈沖序列，為PWM變頻器提供所需

3、的脈沖信號(hào)。脈寬調(diào)制器按所加輸入端調(diào)制信號(hào)不同，可分為鋸齒波脈寬、三角波脈寬調(diào)制器。目前就用較多脈寬調(diào)制信號(hào)由數(shù)字方法來(lái)產(chǎn)生，如專用集成PWM控制電路及單片微機(jī)所構(gòu)成的脈寬調(diào)制器。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 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(jì)要求。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2所示，這時(shí)，啟動(dòng)電

4、流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b) (a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程 (b)理想快速起動(dòng)過(guò)程圖2 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形H橋式可逆PWM變換器的工作原理：PWM控制的示意圖如圖3所示:可控開(kāi)關(guān)S以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開(kāi)，當(dāng)S接通時(shí)，供電電源Us通過(guò)開(kāi)關(guān)S施加到電動(dòng)機(jī)兩端，電源向電機(jī)提供能量，電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能：當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，中斷了供電電源Us向電動(dòng)機(jī)電流繼續(xù)流通。圖3：PWM控制示意圖這樣，電動(dòng)機(jī)得到的電壓平均值Uas為：Uas=ton

5、·Us/T=aUs在系統(tǒng)主電路部分，采用的是大功率GTR為開(kāi)關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。圖中，四只GTR分為兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為另一組。同一組中的兩只GTR同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷。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(jī)轉(zhuǎn)速。圖4：H橋式可逆PWM變換器正向運(yùn)行（如圖a）所示:第1階段，在0tton期間，Ub1、Ub4為正，VT1、VT4導(dǎo)通，Ub2、Ub3為負(fù)，VT2、VT3截止，電流id沿回路1流

6、通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=+Us；第2階段，在tontT期間，Ub1、Ub4為負(fù)，VT1、VT4截止，VD2、VD3續(xù)流，并使VT2、VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=-Us; 反向運(yùn)行（如圖b）所示：第1階段，在0tton期間，Ub2、Ub3為負(fù)，VT2、VT3截止，VD1、VD4續(xù)流，并使VT1、VT4截止，電流-id沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=+Us;第2階段，在tontT期間，Ub2、Ub3為正，VT2、VT3導(dǎo)通，Ub1、Ub4為負(fù)，使VT1、VT4保持截止，電流-id沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB=-Us。雙極式控制的橋式可逆PWM變換

7、器的優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機(jī)在四象運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1：20000左右；（5）低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。a.正向電動(dòng)運(yùn)行波行b.反向電動(dòng)運(yùn)行波形 雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為：主電路設(shè)計(jì)：H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖5所示。PWM逆變器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓由于電容量較大，突加電源時(shí)相當(dāng)短路，勢(shì)必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電

8、阻R0（或電抗），合上電源以后，延時(shí)用開(kāi)關(guān)將R0短路，以免在運(yùn)行中造成附加損耗。濾波電容器往往在PWM裝置的體積和重量中占有不小的份額，因此電容量的選擇是PWM裝置設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。但對(duì)于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rb消耗掉這些能量，在泵升電壓達(dá)到允許值時(shí)接通VT5。圖5：橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖三、 元件的選擇與參數(shù)的計(jì)算直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械裝置系統(tǒng)。主要?jiǎng)訖C(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)為：UN=

9、48V，IN=3.7A，nN=200r/min,Rd=6.5，電樞回路總電阻R=8,電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)Tt=5ms,機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=200ms,電源電壓Us=60V，給定值和ASR、ACR的輸出限幅值均為10V,電流反饋系統(tǒng)=1.33V/A，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.05V·min/r，電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比Ce=0.18V·min/r。調(diào)速范圍D=2；系統(tǒng)飛輪矩（含電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）GD²=100Nm²主電源：可以選擇單相交流220V供電，變壓器二次電壓為67V；PWM裝置的放大系數(shù)Ks=4.8；PWM裝置的延遲時(shí)間Ts=0.4ms。技術(shù)指標(biāo)和要求：電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)可逆

10、運(yùn)行。要求穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts0.1s，電流超調(diào)量i%5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量i%10%。電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算按典型型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型的，其傳遞函數(shù)為要求得具體參數(shù)，則需要知道及，為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇 則可得到電流環(huán)放大系數(shù)，要求<5%即可取=0.5有，則可得到 其中，=0.005s，選取時(shí)間常數(shù),則有；;Ks=4.8，=1.33則可求得則有電流環(huán)傳遞函數(shù)為： 此時(shí)電流超調(diào)量=4.3%，小于5%，符合系統(tǒng)要求。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算由公式（1-22）可知轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，又由

11、式（1-21）及（1-23）可求得 選取，已知Ton=0.01s，則可得由公式（1-24）及（1-25）可求轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益K及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的比例系數(shù)，其中 其中Tm=0.2s；Ce=0.18 ；=0.05則可求得，則求得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 在退飽和的情況下，計(jì)算轉(zhuǎn)速超調(diào)有在h=5時(shí)有=81.2%；=2；=0.2s； =0.0208s；=0.18；空載啟動(dòng)時(shí)有；即可求得由此可見(jiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于要求的10%，信號(hào)產(chǎn)生電路脈寬調(diào)制器用于生產(chǎn)控制PWM變換器的功率器件通斷的PWM信號(hào)。常用種類有模擬式、數(shù)字式和專用集成電路。這里選用美國(guó)德克薩斯儀器公司TL494專用集成電路作為雙端輸出型脈寬

12、調(diào)制器，其載波為鋸齒波信號(hào)，振蕩頻率f=1.1/(RTCT),其中RT和CT取值范圍；RT=5100K，CT=0.0010.1F。1、2腳和15、16腳分別為兩個(gè)比較器輸入端；3腳為相位控制端；4腳為死區(qū)控制端；5、6腳為振蕩器的C、R輸入端；8、9腳和11、10腳分別為兩個(gè)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)晶體管的集電極和發(fā)射極，通過(guò)它們的發(fā)出脈沖可以控制變換器開(kāi)關(guān)管的交替導(dǎo)通與截止；13腳為輸出狀態(tài)控制端，當(dāng)13腳為高電平時(shí)，兩個(gè)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)晶體管交替導(dǎo)通，用于控制變換器的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，13腳為低電平時(shí)，兩個(gè)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)晶體驅(qū)動(dòng)晶體管同時(shí)導(dǎo)通或截止，此時(shí)只能控制變換器的一個(gè)開(kāi)關(guān)管；14腳是控制器內(nèi)部輸出的+5V基準(zhǔn)參考電壓；

13、12腳為控制器的電源輸入端。GTR驅(qū)動(dòng)電路原理：GTR驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)的作用是使GTR可靠的開(kāi)通與關(guān)斷，設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)考慮采用基極優(yōu)化驅(qū)動(dòng)方案。所謂優(yōu)化驅(qū)動(dòng)，就是以理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形去控制GTR的開(kāi)關(guān)過(guò)程。在GTR的基極上多串幾個(gè)電位抬高二極管可以使GTR工作在放大狀態(tài)，進(jìn)一步改善儲(chǔ)存時(shí)間。GTR工作原理圖輔助回路設(shè)計(jì)：電源設(shè)計(jì)：此電路用于產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，其主要特點(diǎn)如下：輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，電源變壓器充分利用，效率高。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩側(cè)并聯(lián)電容器；或在整流電路輸出端與負(fù)載間串聯(lián)電感L，以及由電容、電感

14、組合而成的各種復(fù)式濾波電路。轉(zhuǎn)速給定電路設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)速給定電路主要由滑動(dòng)變阻器即可獲得相應(yīng)大小的給定信號(hào)。轉(zhuǎn)速給定電路可以產(chǎn)生幅值可調(diào)和極性可變的階躍給定電壓或可平滑調(diào)節(jié)的給定電壓。其電路原理如圖：轉(zhuǎn)速檢測(cè)設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。四、心得體會(huì)脈沖寬度調(diào)制PWM，就是指保持開(kāi)關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間t對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)等領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的控制方式。在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，我參考了一些資料，通過(guò)對(duì)這些設(shè)計(jì)方案來(lái)開(kāi)拓自己的思路。課程設(shè)計(jì)在很大程度上實(shí)現(xiàn)的動(dòng)手與動(dòng)腦，理論