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1、交直流调速课程设计任务书一、题目双闭环可逆直流脉宽 PWM 调速系统设计二、设计目的1、对先修课程（电力电子学、自动控制原理等）的进一步理解与运用2、运用电力拖动控制系统的理论知识设计出可行的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。也可以制作硬件电路。3、同时能够加强同学们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。达到综合提高学生工程设计与动手能力的目的。三、系统方案的确定自动控制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能（动、静）电机参数主电路控制方案”（系统方案的确定）“系统设计仿真研究参数整定直到理论实现要求硬件设计制版、焊接、调试”
2、等过程，其中系统方案的确定至关重要。为了发挥同学们的主观能动作用，且避免方案及结果雷同，在选定系统方案时，规定外的其他参数由同学自己选定。1、主电路采用二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT 构成 H 型双极式控制可逆 PWM 变换器；2、速度调节器和电流调节器采用 PI 调节器；3、机械负载为反抗性恒转矩负载，系统飞轮矩（含电机及传动机构）4、主电源：可以选择三相交流 380V 供电；5、他励直流电动机的参数：见习题集【4-19】（P96）=1000r/min，电枢回路总电阻 R=2,电流过载倍数 =2。四、设计任务a）总体方案的确定；b）主电路原理及波形分析、元件选择
3、、参数计算；c）系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图；d）控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择；e）调节器、PWM 信号产生电路的设计；f）检测及反馈电路的设计与计算；五、课程设计报告的要求1、不准相互抄袭或代做，一经查出，按不及格处理。2、报告字数：不少于 8000 字（含图、公式、计算式等）。3、形式要求：以福建农林大学本科生课程设计（工科）的规范化要求撰写。要求文字通顺、字迹工整、公式书写规范、报告书上的图表允许徒手画，但必须清晰、正确且要有图题。4、必须画出系统总图，总图不准徒手画，电路图应清洁、正确、规范。未进行具体设计的功能块允许用框图表示，且功能块之间的连线
4、允许用标号标注。六、参考资料1、电气传动控制系统设计指导 李荣生 机械工业出版社 2004.62、新型电力电子变换技术 陈国呈 中国电力出版社3、电力拖动自动控制系统 陈伯时 机械工业出版社4、电力电子技术 王兆安 黄俊 机械工业出版社 2000.1 交直流调速课程设计说明书一、 系统方案的确定1.直流电动机：型号：H力矩：4.9N.m电枢电阻：1.64 电枢回路总电感：10.2mH额定转数：1000rpm额定电流：1.64A额定电压：110v2. 选择 PWM 控制系统的理由脉宽调制器 UPW 采用美国硅通用公司（Silicon General）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功
5、能全、通用性强的单片集成 PWM 控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。PWM 系统在很多方面具有较大的优越性 ：1） PWM 调速系统主电路线路简单，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，稳速精度高，调速范围广，可达到 1：10000 左右。4） 如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。5） 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。 6） 直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 变
6、频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中，PWM调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。3. 采 用 转 速 电 流 双 闭 环 的 理 由同 开 环 控 制 系 统 相 比 ， 闭 环 控 制 具 有 一 系 列 优 点 。 在 反 馈 控 制 系 统 中 ，不 管 出 于 什 么 原 因 （ 外 部 扰 动 或 系 统 内 部 变 化 ） ， 只 要 被 控 制 量 偏 离 规 定 值 ，就 会 产 生 相 应 的
7、控 制 作 用 去 消 除 偏 差 。 因 此 ， 它 具 有 抑 制 干 扰 的 能 力 ， 对 元件 特 性 变 化 不 敏 感 ， 并 能 改 善 系 统 的 响 应 特 性 。 由 于 闭 环 系 统 的 这 些 优 点因 此 选 用 闭 环 系 统 。单 闭 环 速 度 反 馈 调 速 系 统 ， 采 用 PI 控 制 器 时 ， 可 以 保 证 系 统 稳 态 速 度误 差 为 零 。 但 是 如 果 对 系 统 的 动 态 性 能 要 求 较 高 ， 如 果 要 求 快 速 起 制 动 ， 突加 负 载 动 态 速 降 小 等 ， 单 闭 环 系 统 就 难 以 满 足 要 求
8、。 这 主 要 是 因 为 在 单 闭 环系 统 中 不 能 完 全 按 照 要 求 来 控 制 动 态 过 程 的 电 流 或 转 矩 。 另 外 ， 单 闭 环 调 速系 统 的 动 态 抗 干 扰 性 较 差 ， 当 电 网 电 压 波 动 时 ， 必 须 待 转 速 发 生 变 化 后 ， 调节 作 用 才 能 产 生 ， 因 此 动 态 误 差 较 大 。在 要 求 较 高 的 调 速 系 统 中 ， 一 般 有 两 个 基 本 要 求 ： 一 是 能 够 快 速 启 动 制动 ； 二 是 能 够 快 速 克 服 负 载 、 电 网 等 干 扰 。 通 过 分 析 发 现 ， 如 果
9、 要 求 快 速 起动 ， 必 须 使 直 流 电 动 机 在 起 动 过 程 中 输 出 最 大 的 恒 定 允 许 电 磁 转 矩 ， 即 最 大的 恒 定 允 许 电 枢 电 流 ， 当 电 枢 电 流 保 持 最 大 允 许 值 时 ， 电 动 机 以 恒 加 速 度 升速 至 给 定 转 速 ， 然 后 电 枢 电 流 立 即 降 至 负 载 电 流 值 。 如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。二、 主电路2.1 PWM 变换器介绍脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换
10、器，简称 PWM 变换器。PWM 变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。下面分别对各种形式的 PWM 变换器做一下简单的介绍和分析。不可逆 PWM 变换器分为无制动作用和有制动作用两种。图 2-1（a）所示为无制动作用的简单不可逆 PWM 变换器主电路原理图，其开关器件采用全控型的电力电子器件。电源电压 一般由交流电网经不可控整流电路提供。电容 C 的sU作用是滤波，二极管 VD 在电力晶体管 VT 关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。图 2-1 简单的不可逆 PWM 变换器电路（a）原理图 （b）电压和电流波型电力晶体管 VT 的基极由频率
11、为 f，其脉冲宽度可调的脉冲电压 驱动。bU在一个开关周期 T 内，当 时， 为正，VT 饱和导通，电源电压通过ont0bUVT 加到电动机电枢两端；当 时， 为负，VT 截止，电枢失去电源，T经二极管 VD 续流。电动机电枢两端的平均电压为 ssondUTt式中， PWM 电压的占空比，又称负载电压系数。 的变TtUond5化范围在 01 之间，改变， 即可以实现对电动机转速的调节。图 2-1（b）绘出了稳态时电动机电枢的脉冲端电压 、平均电压 和电枢dudu电流 的波型。由图可见，电流是 脉动的，其平均值等于负载电流di di（ 负载转矩， 直流电动机在额定磁通下的转矩电流mLlCTI/L
12、mC比）。由于 VT 在一个周期内具有开关两种状态，电路电压平衡方程式也分为两阶段，即在 期间 在 期间 ont0EdtiLRiU5 TtonEdtiLRi式中，R，L电动机电枢回路的总电阻和总电感； E电动机的反电动势。PWM 调速系统的开关频率都较高，至少是 14kHz，因此电流的脉动幅值不会很大，再影响到转速 n 和反电动势 E 的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视 n 和 E 为恒值。这种简单不可逆 PWM 电路中电动机的电枢电流 不能反向，因此系统没有制Di动作用，只能做单向限运行，这种电路又称为“受限式”不可逆 PWM 电路。这种 PWM 调速系统，空载或轻载下可能出现电流断续现
13、象，系统的静、动态性能均差。图 2-2（a）所示为具有制动作用的不可逆 PWM 变换电路，该电路设置了两个电力晶体管 VT1 和 VT2，形成两者交替开关的电路，提供了反向电流的通路。这种电路组成的 PWM 调速系统可在第 I、II 两个象限中运行。diVT1 和 VT2 的基极驱动信号电压大小相等，极性相反，即 。当2bU电动机工作在电动状态时，在一个周期内平均电流就为正值，电流 分为两段di变化。在 期间， 为正，VT1 饱和导通； 为负，VT2 截止。此时，电源ont01bU2bU电压 加到电动机电枢两端，电流 沿图中的回路流通。在 期间，5 di Tton和 改变极性，VT1 截止，原
14、方向的电流 沿回路 2 经二极管 VD2 续流，1bU2 di在 VD2 两端产生的压降给 VT2 施加反压，使 VT2 不可能导通。因此，电动机工作在电动状态时，一般情况下实际上是电力晶体管 VT1 和续流二极管 VD2交替导通，而 VT2 则始终不导通，其电压、电流波型如图 2-2（b）所示，与图2-1 没有 VT2 的情况完全一样。如果电动机在电动运行中要降低转速，可将控制电压减小，使 的正脉冲1bU变窄，负脉冲变宽，从而使电动机电枢两端的平均电压 降低。但是由于惯性，d电动机的转速 n 和反电动势 E 来不及立刻变化，因而出现 的情况。这时E电力晶体管 VT2 能在电动机制动中起作用。在 期间，VT2 在正的Tton和反电动势 E 的作用下饱和导通，由 E 产生的反向电流 沿回路 3 通2bUdUdi过 VT2 流通，产生能耗制动，一部分能量消耗在回路电阻上，一部分转化为磁场能存储在回路电感中，直到 t=T 为止。在 （也就是 ）期间，ontTont0因 变负，VT2 截止， 只能沿回路
