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1、转速电流双闭环H形双极式PWM直流 调速系统的设计题 目：习题2 17设计姓 名：许云东学 号： 20110103020任课教师：段志梅1设计要求32. 设计分析4(1) 双闭环调速系统结构图4(2) .双闭环直流调速控制系统原理图5(3) 双闭环调速系统的动态结构框图53. 转速环参数的设计： 5(1) 确定时间常数:5(2) 选择转速调节器结构6(3) 计算转速调节器参数：6(4) 校验近似条件： 6(5) 计算调节器电阻和电容： 7(6) 验证空载起动到额定转速时的超调量：74. 电流环参数的设计： 8(1) 确定时间常数8(2) 选择电流调节器的结构8(3) 计算电流调节器参数8(4)
2、 校验近似条件9(5) 计算调节器的电阻电容：95直流双闭环系统的完整硬件实现原理图如下：106原理图上实现所要求的直流调速系统的原理如下：107原理图上每个元件选定的依据及其分析：11(1) 转速调节器11(2) 电流调节器11(3) SG3524 芯片11(4) H型双极式可逆PWM桥式电路12(5) ，三相整流变压器、晶闸管整流调速装置12(6) 转速检测电路12总结12参考文献13关键字： PWM;调速系统;摘要：伺服系统对数控技术、自动化、电气工程及其自动化、机电一体化等专 业是一门很重要的专业技术课。伺服系统的作用是联系数控装置与被控设备的中 间环节，起着传递指令信息和反馈设备运行
3、状态信息的桥梁作用。在当代工业上 PWM控制调速系统已经被广泛地应用，其优点还是日益突现，而带有双闭环的调 速系统更是受到广泛欢迎。在本次设计中，为了使调速达到高精度、高准度的要 求，我使用了电流调节器和转速调节器，以此来组成双闭环，电流环为内环，转 速环为外环。这样的设计能够达到任务要求的静态指标和动态指标。特别是把此 两环校正为典型I型和典型II型后的性能指标更是达到了要求。本次设计中的电 流调节器和电压调节器都是使用PI调节器，PI调节器是由运放和各种电子元器 件组成的，由于本次设计时间有限所以就没有把相应的参数给调出来了。电流调节器；直流调速；双闭环；双极式；SG3524；1设计要求有
4、一转速、电流双闭环控制的H形双极式PWM直流调速系统已知电动机参数 为：PN=200W,UN=48V,IN=3.7A,N=200r、min，电枢电阻 Ra=6.5Q，电枢回路总 电阻=8Q，允许电流过载倍数=2，电势系数Ce=0.12V.min/r,电磁时间常数 Tl=0.15s,机电时间常数Tm=0.2s,电流反馈滤波时间常数Toi=0.001s,转速反 馈滤波时间常数Ton=0.005s，调节器输入输出电压U*nm二U*im=Ucm=10V，调节器 输入电阻R0=40KQ。已计算出电力晶体管D202的开关频率f=lkHz，PWM环节的 放大倍数Ks=4.8.试对该系统进行动态参数设计，设计
5、指标：稳态无静差，电流超调量o =5%；i空载启动到额定转速时的转速超调量o=20%；过渡过程时间t =0.1s。ns2. 设计分析(1) 双闭环调速系统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级连 接，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双因坏调速系统结构图(2) 双闭环直流调速控制系统原理图(3) 双闭环调速系统的动态结构框图3. 转速环参数的设
6、计:(1) 确定时间常数:1) 电流环等效时间常数丄Ki1二 2T = 0.004 s KI2) 转速滤波时间常数Ton由已知条件知T =0.005son3) 转速环小时间常数Ty 乙nTv 二 2TV + T = 0.009s 乙 nV ion(2) 选择转速调节器结构由于设计要求无静差，且要求设计为典II系统，转速调节必须含有积分环 节;故转速调节器ASR选择PI调节器，其传递函数为T S + 1W(s) K -ASRn(3) 计算转速调节器参数:按跟随和抗扰性能都较好的原则,取h=5，则ASR的超前时间常数为:t = hTy = 5 x 0.009 = 0.045sn 乙nh亠12x 2
7、5 x 0.0092 -1481.55-2=巴=0.05nnom所以转速环开环增益：K N 2h2TvV n转速反馈系数a :由U*二an 可知:nmnom于是，可以算出ASR的比例系数为：(h + 1)pC6x1.35 x 0.12x 0.2 r ,K eTm = 5.4n2hRaTV10 x 0.05 x 8 x 0.009V n(4) 校验近似条件:转速环截止频率：二 K t 二 1481.5 x 0.045 二 66.7s-1cnN n11) 校验电流环传递函数简化条件：O cn 5Tv乙i11二二100s -1，满足简化条件。5TV5 x 0.002cn乙i2)校验小时间常数近似处理
8、条件： cn Ocn，满足条件。乙i on(5) 计算调节器电阻和电容:已知R=40KQ，各电阻和电容值计算如下：0=K R = 5.4 x 40 = 216K0，可近似取 220KQn 0T= nRnCon_4T=onR0=需x106 M=计，取0创F2XW3x 106 円=O20 肝取 020 卩 F(6) 验证空载起动到额定转速时的超调量:当h=5时，查表得，=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于这是按n线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该 按ASR退饱和的情况重新计算超调量。设理想空载起动时，负载系数z=0,已知直流电机参数：P =0.2 KW
9、, Unomnom=48 V, I =3.7 A, N =200 r/min, Ra=6.5Q , R=8Q ； PWM装置放大系数nomnomK=4.8；时间常数 T=0.2s, T=0.015s；SmlACi当 h = 5 时，max % = 812% ；而 An = dnomCnom CKbemaxR 3.7 x 80.12=246.7 r min，又因为 8 % = ( max %) 2(九Z) nom L nnCn *Tbm246 70 009因此 8 % = 81. 2% x 2x 2x 一二x 9 = 18.0% 20%，满足空载起动到额 n2000.2定转速时的超调量的设计要求
10、。4. 电流环参数的设计:(1) 确定时间常数1)整流装置滞后时间常数T。s因为 f=1khz，所以T =0.001ss2) 电流滤波时间常数T。oi由题中已知条件知T =0.001soi3)电流环小时间常数之和T。Ty = T + T =0.001+0.001=0.002s乙 i oi s(2) 选择电流调节器的结构根据设计要求8 5%，并保证稳态电流无静差，因此可按典I系统设计电i流调节器ACR。电流调节器ACR选用PI调节器，其传递函数如下式:W(s)= KACRi p si(3) 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：p = T = 0.015s,i i电流环开环增益：要求8 O
11、ci满足近似条件。2)校验忽略反电动势对电流环影响的条件: 1 - 13 = 3-= 54.7 s -1 oci满足近似条件。1 1 1 ： 1 =.3 弋 TT 3 10.001 x0.001s oi(5) 计算调节器的电阻电容:已知R = 40KQ，各电阻和电容值计算如下：0R = KR = 4.63x40KQ = 185.2KG， 近似取 R = 185KG ii 0iC =T- = 0.015 x106 pF = 0.08WF，取0.08卩Fi R185x103iC = 4Toi = 4 x 0.001 x106 pF = 0.1pF。取 0.1pF oi R40 x10305. 直流
12、双闭环系统的完整硬件实现原理图 如下：I 16. 原理图上实现所要求的直流调速系统的 原理如下：主电路系统是由10V直流电源，转速调节器ASR,电流调节器ACR, SG3524 芯片，H型双极式可逆PWM桥式电路，三相整流变压器、晶闸管整流调速装置、 测速发电机和霍尔电流互感器组成。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，然 后通过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。与此同 时，由测速发电机检测电机的实时转速，并用霍尔电流互感器对电
13、枢电流进行实 时跟踪，以达到设计要求。7. 原理图上每个元件选定的依据及其分析：（1）转速调节器对于一个控制系统而言，最关键的是控制器的设计，控制器设计的好坏关系 到控制系统性能的优劣。控制器要求实时性强，通用性强，具有较强的智能，在 满足性能指标的前提下应尽可能的简单。转速反馈电路各个参数在已经算出，并标注在图中。这里选用PI控制器， 因为设计要求无静差，且要求设计为典II系统，转速调节必须含有积分环节， 同时，PI控制器还能在满足设计要求的前提下，尽可能的提高系统的稳定性。（2）电流调节器电流反馈电路各个参数在已算出，并标注在图中。由于要求5i 5%，并 保证稳态电流无静差，所以电流调节器也选择PI调节器。（3）SG3524 芯片采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。它的主要作用 是用它来产生系统所需要的PWM信号。根据主电路中IGBT的开关频率，选择适当的R ,C值即可确定振荡频率。由t t初始条件知开
