關于雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調速系統(tǒng)設計

-.z.-----優(yōu)質資料目錄交直流調速課程設計任務書············································11、題目：雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調速系統(tǒng)設計···························12、設計目的··························································13、系統(tǒng)方案確實定····················································14、設計任務··························································15、課程設計報告的要求················································16、參考資料··························································2雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調速系統(tǒng)設計··································31、設計分析··························································31.1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的構造圖········································31.2調速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形······························31.3H橋雙極式逆變器的工作原理·····································31.4PWM調速系統(tǒng)的靜特性···········································52、電路設計··························································62.1給定基準電源··················································62.2雙閉環(huán)調節(jié)器電路設計··········································72.2.1電流調節(jié)器················································72.2.2轉速調節(jié)器················································72.3信號產(chǎn)生電路·················································82.4IGBT基極驅動電路原理·········································102.5基于E*B841驅動電路設計······································102.6鋸齒波信號發(fā)生電路···········································112.7轉速及電流檢測電路···········································122.7.1轉速檢測電路···············································122.7.2電流檢測電路···············································123、調節(jié)器的參數(shù)整定·················································133.1電流環(huán)的設計·················································133.2轉速環(huán)的設計·················································154、電路圖總體設計··················································185、參考文獻·························································19交直流調速課程設計任務書1、題目：雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調速系統(tǒng)設計2、設計目的2.1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2.2運用"電力拖動控制系統(tǒng)"的理論知識設計出可行的直流調速系統(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。2.3同時能夠加強同學們對一些常用單元電路的設計、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。到達綜合提高學生工程設計與動手能力的目的。3、系統(tǒng)方案確實定自動控制系統(tǒng)的設計一般要經(jīng)歷從"機械負載的調速性能〔動、靜〕→電機參數(shù)→主電路→控制方案〞〔系統(tǒng)方案確實定〕→"系統(tǒng)設計→仿真研究→參數(shù)整定→直到理論實現(xiàn)要求→硬件設計→制版、焊接、調試〞等過程，其中系統(tǒng)方案確實定至關重要。為了發(fā)揮同學們的主管能動作用，且防止方案及結果雷同，在選定系統(tǒng)方案時，規(guī)定外的其他參數(shù)有同學自己選定。3.1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管IGBT構成H型雙極式控制可逆PWM變換器；3.2速度調節(jié)器和電流調節(jié)器采用PI調節(jié)器；3.3機械負載為對抗性恒轉矩負載，調速*圍D=2；系統(tǒng)飛輪矩〔含電機及傳動機構〕3.4主電源：可以選擇單相交流220V供電；變壓器二次電壓為67V；3.1他勵直流電動機的參數(shù)：略4、設計任務4.1總體方案確實定；4.2主電路原理及波形分析、元件選擇、參數(shù)計算；4.3系統(tǒng)原理圖、穩(wěn)態(tài)構造圖、動態(tài)構造圖、主要硬件構造圖；4.4控制電路設計、原理分析、主要元件、參數(shù)的選擇；4.5調節(jié)器、PWM信號產(chǎn)生電路的設計；4.6檢測及反應電路的設計與計算；5、課程設計報告的要求：5.1不準相互抄襲或代做，一經(jīng)查出，按不及格處理；5.2報告字數(shù)：不少于8000字〔含圖、公式、計算式等〕。5.3形式要求：以"**農(nóng)林大學本科生課程設計"〔工科〕的規(guī)*化要求撰寫。要求文字通順、字跡工整、公式書寫規(guī)*、報告書上的圖表允許徒手畫，但必須清晰、正確且要有圖題。5.4必須畫出系統(tǒng)總圖，總圖不準徒手畫，電路圖應清潔、正確、規(guī)*。未進展具體設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。6、參考資料6.1電氣傳動控制系統(tǒng)設計指導李榮生主編機械工業(yè)2004.66.2新型電力電子變換技術陳國呈中國電力6.3電力拖動自動控制系統(tǒng)，**工業(yè)大學陳伯時機械工業(yè)6.4電力電子技術王兆安黃俊主編機械工業(yè)2000.11.設計分析1.1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的構造圖直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的構造圖如圖1所示，轉速調節(jié)器與電流調節(jié)器串極聯(lián)結，轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調制變換器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、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，以調節(jié)電機轉速，到達設計要求。圖1-1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的構造圖1.2調速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形如圖1-2所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流〔轉矩〕受限的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。IIdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負反應的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動過程(b)理想快速起動過程圖1-2調速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形1.3H橋雙極式逆變器的工作原理脈寬調制器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調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，以調節(jié)電機轉速。H形雙極式逆變器電路如圖1-3所示。這時電動機M兩端電壓的極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化。圖1-3H形雙極式逆變器電路雙極式逆變器的四個驅動電壓波形如圖4所示。圖1-4H形雙極式逆變器的驅動電壓波形他們的關系是：。在一個開關周期內，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。在一個周期內正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。電動機的正反轉表達在驅動電壓正、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，當正脈沖較窄時，則反轉；如果正負脈沖相等，，平均輸出電壓為零，則電動機停頓。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為〔1-1〕如果定義占空比，電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中〔1-2〕調速時，的可調*圍為0～1相應的。當時，為正，電動機正轉；當時，為負，電動機反轉；當時，，電動機停頓。但電動機停頓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，在電動機停頓時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區(qū)。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〕電動機停頓時有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4〕低速平穩(wěn)性好，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。1.4PWM調速系統(tǒng)的靜特性由于采用了脈寬調制，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關系式比擬簡單，電壓平衡方程如下〔1-3〕〔1-4〕按電壓平衡方程求一個周期內的平均值，即可導出機械特性方程式，電樞兩端在一個周期內的電壓都是，平均電流用表示，平均轉速，而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時應為零。于是其平均值方程可以寫成〔1-5〕則機械特性方程式〔1-6〕2.電路設計H橋式可逆直流脈寬調速系統(tǒng)主電路的如圖2-1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。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機制動時只好對濾波電容充電，這時電容器兩端電壓升高稱作"泵升電壓〞。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rz消耗掉這些能量，在泵升電壓到達允許值時接通VTz。圖2-1H橋式直流脈寬調速系統(tǒng)主電路四單元IGBT模塊型號：20MT120UF主要參數(shù)如下：=1200V=16A=1002.1給定基準電源此電路用于產(chǎn)生±15V電壓作為轉速給定電壓以及基準電壓，如圖2-2所示：圖2-2給定基準電源電路2.2雙閉環(huán)調節(jié)器電路設計為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控量進展采樣，然后與給定值比擬，決定調節(jié)器的輸出，反應的關鍵是對被控量進展采樣與測量。2.2.1電流調節(jié)器由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時間常數(shù)，以濾平電流檢測信號為準。為了平衡反應信號的延遲，在給定通道上參加同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時間上配合恰當。圖2-3含給定濾波與反應濾波的PI型電流調節(jié)器2.2.2轉速調節(jié)器轉速反應電路如圖2-4所示，由測速發(fā)電機得到的轉速反應電壓含有換向紋波，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)一樣的原理，在轉速給定通道上也參加一樣時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖2-4含給定濾波與反應濾波的PI型電轉速調節(jié)器2.3信號產(chǎn)生電路本設計采用集成脈寬調制器SG3524作為脈沖信號發(fā)生的核心元件。根據(jù)主電路中IGBT的開關頻率，選擇適當?shù)?、值即可確定振蕩頻率。電路中的PWM信號由集成芯片SG3524產(chǎn)生，SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。由SG3524構成的根本電路如圖2-5所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產(chǎn)生+5V基準電壓。在6、7引腳之間接入外部阻容元件構成PI調節(jié)器，可提高穩(wěn)態(tài)精度。12、13引腳通過電阻與+15V電壓源相連，供內部晶體管工作，由電流調節(jié)器輸出的控制電壓作為2引腳輸入，通過其電壓大小調節(jié)12、13引腳的輸出脈沖寬度，實現(xiàn)脈寬調制變換器的功能實現(xiàn)。圖2-5SG3524管腳圖圖2-6SG3524引腳接線圖圖2-7SG3524內部框圖主要參數(shù)：輸入電壓Uima*：40V輸出電流：500mA好散功率：1W2.4IGBT基極驅動電路原理工作原理如圖2-8所示圖2-8E*B841內部構造圖E*B841系列驅動器的各引腳功能如下：腳1：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；腳2：電源〔＋20V〕；腳3：驅動輸出；腳4：用于連接外部電容器，以防止過流保護電路誤動作〔大多數(shù)場合不需要該電容器〕；腳5：過流保護輸出；腳6：集電極電壓監(jiān)視；腳7、8：不接；腳9：電源；腳10、11：不接；腳14、15：驅動信號輸入〔-，＋〕；2.5基于E*B841驅動電路設計驅動電路中V5起保護作用，防止E*B841的6腳承受過電壓，通過VD1檢測是否過電流，接VZ3的目的是為了改變E*B模塊過流保護起控點，以降低過高的保護閥值從而解決過流保護閥值太高的問題。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2防止柵極和射極出現(xiàn)過電壓，Rge是防止IGBT誤導通。針對E*B841存在保護盲區(qū)的問題，可如圖12所示將E*B841的6腳的超快速恢復二極管VDI換為導通壓降大一點的超快速恢復二極管或反向串聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管，也可采取對每個脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時間，防止IGBT過窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對E*B841軟關斷保護不可靠的問題，可以在E*B841的5腳和4腳間接一個可變電阻，4腳和地之間接一個電容，都是用來調節(jié)關斷時間，保證軟關斷的可靠性。針對負偏壓缺乏的問題，可以考慮提高負偏壓。一般采用的負偏壓是-5V，可以采用-8V的負偏壓(當然負偏壓的選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制)，輸人信號被接到15腳，E*B841正常工作驅動IGBT.圖2-9E*B841驅動IGBT設計圖主要參數(shù)：電源電壓：20V最大輸出功率：47mA最高工作頻率：10kHz2.6鋸齒波信號發(fā)生電路鋸齒波信號發(fā)生器SG的輸出信號Us與控制信號在PWM轉換器〔SG3524〕中進展比擬，PWM輸出幅度恒定、寬度變化的方波脈沖序列，即PWM波。SG電路可有UJT或者PUT構成。UJT鋸齒波信號發(fā)生器根本電路如圖2-10所示圖2-10鋸齒波信號發(fā)生電路2.7轉速及電流檢測電路2.7.1轉速檢測電路轉速檢測電路如圖2-11所示。與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機，從而引出與被調量轉速成正比的負反應電壓，與給定電壓相比擬后，得到轉速偏差電壓輸送給轉速調節(jié)器。測速發(fā)電機的輸出電壓不僅表示轉速的大小，還包含轉速的方向，測速電路如圖15所示，通過調節(jié)電位器即可改變轉速反應系數(shù)。圖2-11轉速檢測電路2.7.2電流檢測電路通過霍爾傳感器測量電流的電流檢測電路原理如圖2-12所示。圖2-12

閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理霍爾電流傳感器的構造如圖13所示。用一環(huán)形導磁材料作成磁芯，套在被測電流流過的導線上，將導線中電流感生的磁場聚集起來，在磁芯上開一氣隙，內置一個霍爾線性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導線中流通的電流。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點：1〕可以同時測量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流；2〕副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV～12kV；3〕電流測量*圍寬，可測量額定1mA～50kA電流；4〕跟蹤速度di/dt>50A/μs；5〕線性度優(yōu)于0.1％IN；6〕響應時間<1μs；7〕頻率響應0～100kHz。3.調節(jié)器的參數(shù)整定本設計為雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路根本數(shù)據(jù)如下：1)PWM裝置放大系數(shù)；2)電樞回路總電阻；3)電磁時間常數(shù)；4)機電時間常數(shù)；5)調節(jié)器輸入電阻；6)觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的允許過載倍數(shù)λ=1；設計指標：1)靜態(tài)指標：無靜差；2)動態(tài)指標：電流超調量；空載起動到額定轉速時的轉速超調量。計算反應關鍵參數(shù)：〔3-1〕〔3-2〕3.1電流環(huán)的設計1〕確定時間常數(shù)PWM裝置滯后時間常數(shù)：。電流濾波時間常數(shù):。(和一般都比小得多,可以當作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié))。2〕選擇電流調節(jié)器構造根據(jù)設計要求：，而且〔3-3〕可按典型Ⅰ型設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,所以把電流調節(jié)器設計成PI型的，其傳遞函數(shù)為〔3-4〕式中——電流調節(jié)器的比例系數(shù)；——電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。3〕選擇電流調節(jié)器的參數(shù)ACR超前時間常數(shù)；電流環(huán)開環(huán)時間增益:要求，故應取，因此〔3-5〕于是，ACR的比例系數(shù)為:〔3-6〕4〕校驗近似條件電流環(huán)截止頻率:〔3-7〕〔1〕晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：〔3-8〕即〔3-9〕滿足近似條件；〔2〕忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：〔3-10〕即〔3-11〕滿足近似條件；〔3〕小時間常數(shù)近似處理條件：〔3-12〕即〔3-13〕滿足近似條件。5〕計