双闭环可逆直流脉宽调速系统课程设计资料

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1、交交直直流流调调速速系系统统 课课程程设设计计 学 院： 机电工程学院 学 号： 3126108025 专业（方向）年级： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 连爱庆 福建农林大学机电工程学院电气工程系 2015 年 12 月 20 日 目录目录 一一 课程设课程设计计任务任务书书11 二二 课程设计说明书课程设计说明书33 1.1.任务分析任务分析 1.1 选择 PWM 控制系统的理由. 1.2 采用转速电流双闭环的理由 1.3 直流 PWM 传动系统结构图 1.4 双闭环调速系统的结构图. 1.5 调速系统起动过程的电流和转速波形 1.6 H 桥双极式逆变器的工作原理 1.7 PWM 调

2、速系统的静特性. 2.2.主电路设计主电路设计 2.1 给定基准电源 2.2 双闭环调节器电路设计. 2.2.1 电流调节器. 2.2.2 转速调节器 2.3 控制电路的设计. 2.4 驱动电路设计. 2.5 转速及电流检测电路 2.5.1 转速检测电路 2.5.2 电流检测电路 3.3.调节器的参数整定调节器的参数整定 3.1 系统固有部分的主要参数计算. 3.2 预先选定的参数 3.3 电流环的设计 3.4 速度环的设计 4.4.转速及电流检测环节转速及电流检测环节 5.5.电路图总体设计电路图总体设计 6.6.心得及总结心得及总结 参考文献参考文献 1 一、题目：双闭环可逆直流脉宽一、题

3、目：双闭环可逆直流脉宽 PWMPWM 调速系统设计调速系统设计 二、设计目的二、设计目的 1、对先修课程（电力拖动自动控制系统、电力电子学、自动控制原理等） 的进一步理解与运用 2、运用电力拖动自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

4、）“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”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，规定外的其他参数有同学自己选定。 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；U*nm=U*im=Ucm=10V 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） GD2=1.5Nm2； 4、主电源：可以选择单相交流 380V 供电；变压器二次相电压为 52V； 5、他励直流电

5、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； 6、PWM 装置的放大系数 Ks=11；PWM 装置的延迟时间 Ts=0.4ms。 2 四、设计任务四、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、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：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

6、少于 8000 字（含图、公式、计算式等） 。 3、形式要求：必须按照福建农林大学本科生课程设计 （工科）的规范 化要求。 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允许用标号标注。 六、参考资料六、参考资料 1、电气传动控制系统设计指导 李荣生主编 机械工业出版社 2004.6 2、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，上海工业大学 陈伯时 机械工业出版社 4、电力电子技术 王兆安 黄俊主编 机械工业出版社 2000.1 3 双闭环可逆直流脉宽双闭环可逆直流脉宽 PWMPWM 调

7、速系统设计调速系统设计 1.任务分析任务分析 1.11.1 选择选择 PWMPWM 控制系统的理由控制系统的理由 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

8、。 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。 1.21.2 采用转速电流双闭环的理由采用转速电流双闭环的理由 同开环控制

9、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。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 4 系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必

10、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。 1.1.3 3 直流直流 PWMPWM 传动系统结构图传动系统结构图

11、 图 1-1系统构成原理 直流 PWM 传动系统结构图 直流 PWM 控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称，与晶闸管直流 调速系统的区别在于用直流 PWM 变换器取代了晶闸管变流装置，作为系统的功 5 率驱动器，系统构成原理如图1-1所示。其中属于脉宽调制调速系统主要由调 制波发生器 GM、脉宽调制器 UPM、逻辑延时环节 DLD 和电力晶体管基极的驱动 器 GD 和脉宽调制（PWM）变换器组成，最关键的部件为脉宽调制器 UPM。 1.41.4 双闭环调速系统的结构图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1-2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

12、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 1-2 双闭环调速系统的结构图 1.51.5 调速系统起动过程的电流和转速波形调速系统起动过程的电流和转速波形 如图1-3所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最 大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。 IdL n t Id O Idm IdL n t Id O Idm Idcr nn (a)(b) (a)带电流截止

13、负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程 6 图 1-3 调速系统起动过程的电流和转速波形 1.61.6 H H 桥双极式逆变器的工作桥双极式逆变器的工作原理原理 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。 H 形双极式逆变器电路如图1-4所示。这时电动机 M 两端电压的极性 AB U 随开关器件驱动电压的极性变化而变化。 图 1-4 H 形双极式逆变器电路 双极式逆变器的四个驱动电压波形如图1-5所示。 7 O O O O Ug1Ug4 Ug2Ug3 UAB Us -Us id

14、 id1 id2t t t t tonT tonT 图 1-5 H 形双极式逆变器的驱动电压波形 他们的关系是：。在一个开关周期内，当 1423gggg UUUU 时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。当0 on tt 1 VT 4 VT 3 VT 2 VT ABs UU 时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、 on ttT 1 VT 4 VT 3 VT 2 VT d i 2 VD 续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式 PWM 变换 3 VD ABs UU AB U 器的特征，其电压、电流波形如图 2 所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、 负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，则的平均值

15、为正，电动机正 2 on T t AB U 转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出电压为 2 on T t 零，则电动机停止。 8 双极式控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为 2 1 ononon dss tTtt UUU TTT 如果定义占空比，电压系数 on t T d s U U 则在双极式可逆变换器中 21 调速时，的可调范围为 01 相应的。当时，为正，11 1 2 电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，电动机停 1 2 1 2 0 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。 双极式控制的桥式可逆 PWM 变换器有以下优点： 1）电流一定连续。 2）可使电动机在四象限运行。 3）电