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1、武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计18武汉理工大学华夏学院信息工程系课 程 设 计 任 务 书课程名称: 运动控制系统 指导教师: 班级名称: 开课系、教研室: 自动控制 题目2: 直流双极式可逆PWM调速系统设计 初始条件:1.直流电机参数: PN10 KW,UN220 V,IN55 A,nN1000 r/min ,Ra0.4,直流它励励磁电压220V,电流1.6A2.进线交流电源:三相380V3.采用永磁式测速发电机,参数为:23W,110V,0.21A,1900 r/min, 要求完成的主要任务: 1.ASR及ACR电路设计2.转速反馈和电流反馈电路设计3.集成脉宽调制电路设计(如
2、3524)4.驱动电路设计(如IR2110)5.PWM主电路设计课程设计说明书应严格按统一格式打印,资料齐全,杜绝抄袭,雷同现象。满足如下要求:1可逆运行,转速和电流稳态无差,电流超调量小于5,转速超调量小于10。2. 对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证,说明系统工作原理。3. 画出单元电路图,说明工作原理,给出系统参数计算过程。4. 画出整体电路原理图,图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。 指导教师签名: 2016年11月 19 日直流双极式可逆PWM调速系统设计1 任务分析1.1 概述采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式,形成了脉宽调制变换器直流电动机调速系统,简称直流脉宽调
3、速系统或直流PWM调速系统。脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波电路,脉宽调制,是利用电力电子开关器件的导通与关断,将直流电压变成连续的脉冲序列,并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。与V-M系统相比,PWM系统在很多方面有较大的优越性:1)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)低速性能好,稳态精度高,调速范围宽,可达1:10000左右。4)若是与快速响应的电机配合,则系统频带宽,动态响应快,动态抗干扰能力强。5)功率开关器件工作在开关状态,道通损耗小,当开关频率适中时,开关损耗也不大,因而装置效率高。6)直流电流采用
4、不控整流时,电网功率因素比相控整流器高。由于有以上优点直流PWM系统应用日益广泛,特别是在中、小容量的高动态性能中,已完全取代了V-M系统。为达到更好的机械特性要求,一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。1.2 双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
5、1 双闭环调速系统的结构简化图1.3 桥式可逆PWM变换器的工作原理脉宽调制器的作用是: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。桥式可逆PWM变换器电路如图2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2桥式可逆PWM变换器电路双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图3所示。图3 PWM变换器的驱动电压及输出电压、电流波形双极式控制可逆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
6、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,起着所谓“动力润滑”的作用。1.4 PWM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
7、以写成则机械特性方程式2 电路设计桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图4所示。PWM变换器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生,并采用大电容滤波,以获得恒定的直流电压。由于电容容量较大,突加电源时相当于短路,势必产生很大的充电电流,容易损坏整流二极管,为了限制充电电流,在整流器和滤波电容之间传入电阻Rz,合上电源后,用延时开关将Rz短路,以免在运行中造成附加损耗。由于直流电源靠二极管整流器供电,不可能回馈电能,电动机制动时只好对滤波电容充电,这式电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压,用镇流电阻Rx消耗掉这些能量,在泵升电压达到允许值时接通。图4 桥式可逆直流脉宽调速系统
8、主电路2.1整流电源此电路用于产生15V电压作为转速给定电压以及基准电压,如图5所示:图5 给定及偏移电源电路2.2 双环调节器电路为了实现闭环控制,必须对被控量进行采样,然后与给定值比较,决定调节器的输出,反馈的关键是对被控量进行采样与测量。2.2.1 转速调节器转速反馈电路如图6所示,由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波,因此也需要滤波,由初始条件知滤波时间常数。根据和电流环一样的道理,在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。图6 转速反馈电路2.2.2 电流调节器由于电流检测中常常含有交流分量,为使其不影响调节器的输入,需加低通滤波。此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示
9、,由初始条件知滤波时间常数,以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延迟,在给定通道上加入同样的给定滤波环节,使二者在时间上配合恰当。图7 转速反馈电路2.3 集成脉宽调制电路PWM生成电路如图8所示,SG3524生成的PWM信号经过一个非门转为两路相反的PWM信号,为了确保上下两桥臂不会直通发生事故,中间加入电容、进行逻辑延时,后面再加上非门和与门构成的板胡电路。图8 PWM生成电路本设计采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。根据主电路中IGBT的开关频率,选择适当的、值即可确定振荡频率。由初始条件知开关频率为10kHz,可以选择,。电路中的PWM信号由集成芯片SG35
10、24产生,SG3524可为脉宽调制式推挽、桥式、单端及串联型SMPS(固定频率开关电源)提供全部控制电路系统的控制单元。由它构成的PWM型开关电源的工作频率可达100kHz,适宜构成100-500W中功率推挽输出式开关电源。SG3524采用是定频PWM电路,DIP-16型封装。由SG3524构成的基本电路如图9所示,由15脚输入+15V电压,用于产生+5V基准电压。9脚是误差放大器的输出端,在1、9引脚之间接入外部阻容元件构成PI调节器,可提高稳态精度。12、13引脚通过电阻与+15V电压源相连,供内部晶体管工作,由电流调节器输出的控制电压作为2引脚输入,通过其电压大小调节11、14引脚的输出
11、脉冲宽度,实现脉宽调制变换器的功能实现。图9 SG4532管脚构成的电路图SG3524的基准源属于常规的串联式线性直流稳压电源,它向集成块内部的斜波发生器、PWM比较器、T型触发器等以及通过16脚向外均提供+5V的工作电压和基准电压,振荡器先产生0.6V-3.5V的连续不对称锯齿波电压Vj,再变换成矩形波电压,送至触发器、或非门,并由3脚输出。振荡器频率由SG3524的6脚、7脚外接电容器CT和外接电阻器RT决定,其值为:f=1.15/RTCT。考虑到对CT的充电电流为(1.2-3.6/RT 一般为30A-2mA),因此RT的取值范围为1.8k100k,CT为0.001F0.1F,其最高振荡频
12、率为300kHz。 开关电源输出电压经取样后接至误差放大器的反相输入端,与同相端的基准电压进行比较后,产生误差电压Vr,送至PWM比较器的一个输入端,另一个则接锯齿波电压,由此可控制PWM比较器输出的脉宽调制信号。2.4 驱动电路IGBT驱动采用了集成芯片IR2110,IR2110采用14端DIP封装,引出端排列如图10所示。 图10 IR2110管脚图它的各引脚功能如下: 脚1(LO)是低端通道输出;脚2(COM)是公共端;脚3(Vss)是低端固定电源电压;脚5(Us)是高端浮置电源偏移电压;脚6(UB)是高端浮置电源电压;脚7(HO)是高端输出;脚9(VDD)是逻辑电路电源电压;脚10(H
13、IN)、脚11(SD)、脚12(LIN)均是逻辑输入;脚13(Vss)是逻辑电路地电位端外加电源电压,其值可以为0V;脚4、脚8、脚14均为空端。IGBT驱动电路如图11所示。IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS工艺制作,具有独立的高端和低端输出通道;逻辑输入与标准的CMOS输出兼容;浮置电源采用自举电路,其工作电压可达500V,du/dt=50V/ns,在15V下的静态功耗仅有1.6mW;输出的栅极驱动电压范围为1020V,逻辑电源电压范围为515V,逻辑电源地电压偏移范围为5V5V。IR2110采用CMOS施密特触发输入,两路具有滞后欠压锁定。推挽式驱动输出峰值电流2A,负载为10
14、00pF时,开关时间典型值为25ns。两路匹配传输导通延时为120ns,关断延时为94ns。IR2110的脚10可以承受2A的反向电流。 图11 IGBT驱动电路2.5转速及电流检测电路转速检测电路如图12。与电动机同轴安装一台测速发电机,从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压,与给定电压相比较后,得到转速偏差电压输送给转速调节器。测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小,还包含转速的方向,测速电路如图12所示,通过调节电位器即可改变转速反馈系数。图12 转速检测电路通过霍尔传感器测量电流的电流检测电路原理如图13所示。3 调节器的参数整定电流调节器以及转速调节器的电路结构如图13所示,由单刀双掷开关控制电机转向,滑动变阻器RP1、RP2分别调节正反转时的转速,RP3可以改变电流的限幅值,下面分别按设计要求计算电路中的各个参数。转速反馈系数电流反馈系数图13 电流调节器以及转速调节器的电路计算调节器参数之前,先根据电动机的额定参数计算电动势系数,额定状态运行时于是可得3.1 电流调节器参数的计算电流调节器按典型型系统设计,根据无净差要求,选用PI调节器。先确定电流环时间常数电流滤波时间常数PWM调压系统的滞后时间电流环小时间常数之和,按小时间常数近似处理,取调节器传递函数式中 电流调节器的比例系数; 电流调节器的超前