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1、湖南工程学院课 程 设 计课程名称 运动控制系统 课题名称 可逆直流脉宽双闭环调速系统的设计 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 2011年 9 月 13 日湖南工程学院课程设计任务书课程名称： 运动控制系统题 目：可逆直流脉宽双闭环调速系统的设计 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导老师： 审 批： 任务书下达日期 2011年09月13日课程设计完成日期2011年09月23日 设计内容与设计要求一 设计内容：1 电路功能：1） 用脉宽调制方式实现直流电机调压调速。能实现双闭环的调节和控制，能实现可逆运行。2） 电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：主电力电子开关器件与续流管。控制
2、电路主要环节：脉宽调制PWM电路、电压电流检测单元、调节器，驱动电路、检测与故障保护电路。3） 主电路电力电子开关器件采用GTR、IGBT或MOSFET。4） 系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4. 控制电路设计与分析1） 检测电路设计2） 功能单元电路设计3） 调节控制电路参数确定二 设计要求：1 设计思路清晰，给出整体设计框图；2 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。4 绘制总电路图5 写出设计报告； 主要设计条件1 设计依据主要参
3、数1) 输入电压：（AC）220（1+15%）、输出电压：0300VDC2) 最大输出电压、电流根据电机功率予以选择3) 要求电机能实现双向无级调速，实现无静差调速。4) 电机型号布置任务时给定 2. 可进行实验调试或仿真调试 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5 单元电路设计（各单元电路图）；6 故障分析与电路改进、实验及仿真等。7 总结与体会；8 附录（完整的总电路图）；9 参考文献；10、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周星期一:课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路方案确定 星期三:主电路设计星期四:控制电
4、路设计 星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午:答辩及资料整理 参 考 文 献1陈伯时运动控制系统机械工业出版社，2008 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20004郑琼林 耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19965刘定建 朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，19966刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19957. 刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，19998. 刘星平. 运动控制系统
5、实验指导书，校内，20099. 刘星平.一种新型双闭环直流脉宽调速系统的设计与应用。电气自动化。2003.4目 录交直流调速课程设计说明书1一、方案确定11.1方案选定11.2桥式可逆PWM变换器的工作原理21.3系统控制电路图51.4双闭环直流调速系统的静特性分析61.5双闭环直流调速系统的稳态结构图6二、硬件结构82.1 主电路92.2 泵升电压限制11三、主电路参数计算和元件选择123.1 整流二极管的选择123.2 绝缘栅双极晶体管的选择13四、调节器参数设计和选择144.1调节器工程设计方法的基本思路144.2 电流环的设计144.3确定时间常数154.4选择电流调节器结构174.5
6、选择电流调节器参数174.6检验近似条件174.7计算ACR的电阻和电容18五转速环的设计195.1确定时间常数195.2 ASR结构设计195.3 选择ASR参数195.4 校验近似条件195.5 计算ASR电阻和电容205.6 检验转速超调量205.7 校验过渡过程时间21六 反馈单元226.1 转速检测装置选择226.2 电流检测单元22七 系统总电路图23心得体会24交直流调速课程设计说明书一、方案确定1.1方案选定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
7、：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。总体方案简化图如图1所示。图1 双闭环调速系统的结构简化图 用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。 1.2桥式可逆PWM变换器
8、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。这是电动机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变换器的驱动电压波形他们的关系是：。在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。当时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，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
9、压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，则的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出电压为零，则电动机停止。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
10、作用。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）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积分器）、正弦参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性鉴别器）、PWM波发生器（三相正弦波发生器、锁相环、三相波载波发生器、比较器）及与主电路相隔离的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路。 1.3系统控制电路图控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积分器）、正弦参考信号幅值和频
11、率控制电路（绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性鉴别器）、PWM波发生器（三相正弦波发生器、锁相环、三相波载波发生器、比较器）及与主电路相隔离的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路通用型PWM变频器原理图框图 1.4双闭环直流调速系统的静特性分析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以写成则机械特性方程式 1.5双闭环直流调速系统的稳态结构图首先要画出双闭环直流系
12、统的稳态结构图如图4所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。图4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、
13、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。如图5为双闭环直流调速系统原理.图5 双闭环直流调速系统原理图二、硬件结构双闭环直流调速系统主电路中的 UPE 是直流 PWM 功率变换器。系统的特点：双闭环系统结构，实现脉冲触发、转速给定和检测。由软件实现转速、电流调节，系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路组成。如图6为双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图。图6 双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图2.1 主电路 主电路由二极管整流器 UR、PWM 逆变器 UI 和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容 C 滤波，同时兼有无功功率交换的作用。可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图7为桥式可逆PWM变换器。这时电动机M两端电压Uab的极性随开关器件驱动电压极性的变化而变化，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，本设计用的是双极性控制的可逆PWM变换器。双极性控制的桥式可逆PWM变换器有电流一定连续、可使电动机在四象限运行、电动机停止时有微振电流可消除静摩擦死区、低速平稳性好等优点。
