直流双极式可逆PWM调速系统设计

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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武汉理工大学华夏学院信息工程系课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书课程名称：运动控制系统指导教师：班级名称：开课系、教研室： 自动控制题目题目 2:2:直流双极式可逆 PWM 调速系统设计初始条件：初始条件：1.直流电机参数： PN10 KW，UN220 V，IN55 A，nN1000 r/2.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要求完成的主要任务: :3.集成脉宽调制电路设计如 35244.驱动电路设计如 IR2110课程设计说明书应严格按统一格式打印，

2、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。 2016 2016 年年 1111 月月 19 19 日日10指导教师签名：指导教师签名：武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计直流双极式可逆 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到达变压的目的。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假设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

4、采用不控整流时，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。为到达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。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1武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计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

5、可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，到达设计要求。IdRUn*ASR-Ui*-ACRPWMKs1/Cen图 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 两端电压性变化而变化。UAB的极性随开关器件驱动电压的极图 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。2武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计Ug1Ug4tOt

6、onUg3TUg2tOUABUstOtonT-Usidid1id2tO图 3PWM 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Ud如果定义占空比tonT ton 2tonUs1UsTTTUton，电压系数d，则在双极式可逆变换器中UsT 21调速时，的可调范围为 01 相应的 1 1。当时，为负，电动机反转；当11时，为正，电动机正转；当221时， 0，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，2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

7、处，在电动机停止时仍然有高频微震3武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计电流，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Us Rid LUs Rid Ldid E(0t ton).dtdid E(tont T)dt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UdUs，平均电流用Id表示，平均转速n E /Ce，而电枢电感压降L应为零。于是其平均值方程可以写成did的平均值在稳态时dtUs RId E RIdCe

8、n则机械特性方程式RRn Id n0IdCeCeCeUs4武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计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C6滤波，以获得恒定的直流电压Us。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

9、制泵升电压，用镇流电阻 Rx 消耗掉这些能量，在泵升电压到达允许值时接通VT5。VT1VD1VD3VT3RzC6RxVD5VD7VD9VT2VD2MVD4VT4VT5ABCVD6VD8VD10限压图 4 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路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：LM7815INOUTGND+15VC310uFC5104Un*RPnT118V220V18V4C12200u F1BRIDGE123C22200u FINGNDOUTC410uFC6104-15VLM7915图 5 给定及偏移电源电路5武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计双环调节器

10、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Ton 0.012s。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。RnUn*R0/2R0/2Ui*ConR0/2R0/2RbalConCn-Un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，由初始条件知

11、滤波时间常数Toi 0.002s，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。6武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计RiR0/2CoiR0/2CiUi*Uc-UiR0/2CoiR0/2Rbal图 7 转速反馈电路集成脉宽调制电路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C1、C2进行逻辑延时，后面再加上非门和与门构成的板胡电路。Vss误差输入IN-IN+R4R5&C2&C3R6PWM2PWM1RTVrefR3CT

12、OSCC1SG3524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Rt、Ct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Rt12k，Ct 0.01uF。电路中的 PWM 信号由集成芯片 SG3524 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7武汉理工大学华夏学院

13、运动控制系统课程设计路,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 引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。+15V16153R212131114Uc1Uc21Uc2R1SG35249 6 7 8 4 5 10RtC1Ct图 9 SG4532 管脚构成的电路图SG

14、3524 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、 70.1F,其最高振荡频率为 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。驱动电路IGBT

15、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。8武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计图 10IR2110管脚图它的各引脚功能如下：脚 1LO是低端通道输出；脚 2COM是公共端；脚 3Vss是低端固定电源电压；脚 5Us是高端浮置电源偏移电压；脚 6(UB)是高端浮置电源电压；脚 7HO是高端输出；脚 9VDD是逻辑电路电源电压；脚 10HIN 、脚 11SD 、脚 12LIN均是逻辑输入；脚 13Vss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

16、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 1000pF 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。

17、9武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计PWM1PWM2PWM1PWM2IR2110SD LINHINCOMLOVs HO VbR10C4IR2110VssVssLIN SDCOMVb HO VsLOC5HINVD10VD11R9R11R12Ug2Ug1Ug3Ug4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Un，与给定电压Un相比较后，得到转速偏差电压Un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。

18、*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。10武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计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10V /nN 0.01V min/r电流反馈系数10V /1.5IN 0.121V / A+15VRnCnR1RP1RP2-15VRo/2Ro/2Ro/2ConRo/2ConRP3-+Rbal1Ro/2Ro/2Ro/2CoiRo/2Coi-+R

19、bal2RiCiR2误差输出转速反馈电流反馈图 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UN INRaCenN于是可得CeUN INRa220550.4 0.198V min/ rnN10003.1 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Toi 0.002s11武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计PWM 调压系统的滞后时间Ts 0.0001s电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取TiTsToi 0.0021s调节器传递函数WACR(s)

20、 Kiis1is式中Ki电流调节器的比例系数；i电流调节器的超前时间常数。ACR 超前时间常数iTl 0.03s电流开环增益:因要求i5%，故应取KITi 0.5，因此KI0.50.5 238.1s1Ti0.0021于是 ACR 的比例系数为Ki KI计算电流调节器的电路参数iRa0.030.4 238.1 0.59Ks0.12140调节器原理图如图 13 所示按所用运算放大器，取Ro 40k各电阻和电容值计算如下：Ri KiRo 0.5940 23.60kCii/ Ri (0.03/ 23.60)103 0.13FCoi 4Toi/ Ro (40.002/ 40)103 0.20F3.2 转

21、速调节器参数的计算首先确定转速环时间常数电流环等效时间常数2Ti 0.0042s12武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计转速滤波时间常数Ton，根据测速发电机的纹波情况取Ton 0.01s；转速环小时间常数Tn，按小时间常数尽速处理取Tn 2TiTon 0.042 0.01 0.0142s根据设计要求，转速环应该设计为典型型系统，调节器也采用PI 型，其传递函数为WASR(s) Kn根据跟随性和抗干扰性能都较好的原则取h 5则 ASR 超前时间常数ns1nsn hT转速环开环增益n 50.0142 0.071sKNh16 595.122h2T2n2250.01422于是 ASR 的比例系数

22、为Kn(h1)CeTm60.1210.1980.1 25.32hRaTn250.010.40.0142调节器原理图如图 13 所示，按所用运算放大器，取Ro 40k各电阻和电容值计算如下：Rn KnRo 23.540 1012kCnn/ Rn (0.071/1012) 103 0.07FCon 4Ton/ Ro (40.01/ 40)1031F参数的校验3.3.1 电流参数的校验校验近似条件：电流环截止频率ci KI 238.1s131武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计校验 PWM 调压系统传递函数的近似条件是否满足ci1。3Ts因为11 3333.33ci，所以满足近似条件。3Ts30

23、.0001校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足ci31。TmTl现在3113 44.72ci，满足近似条件。TmTl0.150.0311。3TsToi校验小时间常数近似处理是否满足条件ci现在1111 745.36s1ci，满足近似条件。3TsToi30.00010.002按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。3.3.2 转速参数的校验校验近似条件：转速环截止频率cn KNn595.120.071 42.25s1校验电流环传递函数简化条件是否满足cn1。5Tn现在11 95.24s1cn，满足简化条件。5Ti50.0021校验小时间常数近似处理是否满足cn11。32To

24、nTi现在111151.43cn，满足近似条件。32TonTi320.010.002114武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计校验退饱和转速超调量当 h=5 时，查表得，n=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于这是按线性系统计算的，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：PN10 KW，UN220 V，IN55 A，nN1000 r/min，Ra0.4，直流它励励磁电压220V，电流1.6A；PWM 装置放大系数 Ks=40；时间常数Tm=0.1s，Tl=0.03s；永磁式测速

25、发电机参数为：23W，110V，0.21A，1900 r/min，Cmax% 81.2%；而nN INRa/Ce550.4/0.1812.22r / min，因此当h 5时，CKb CmaxnNTn12.220.0142n% %2(Z)81.2%21.5 0.42% 5%CnT10000.1NmKb均满足设计要求。系统的整体电路结构见附录。15武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计4 总结当今，自动化控制系统己经在各行各业得到了广泛的应用和发展， 而直流双极式可逆PWM 调速系统制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。 本设计主要研究直流双极式可逆PWM 调速系统，它主要由三部分组成

26、，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点， 一直在传动领域占有统治地位。这次课程设计历时两周， 在整整两个个星期的日子里， 可以说得是苦多于甜， 但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以稳固了以前所学过的知识， 而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。 经过这次课程设计我感受颇多。 在正式进行设计之前， 我参考了一些网上的资料， 通过对这些设计方案来开拓自己的思路，最后终于有了自己的思路。课程设计不仅是对前面所学电力电子技术电机拖动和运动控制理论的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。 通过这次课程

27、设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺， 自己要学习的东西还太多。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。通过这次课设， 我总结了以 N 沟道增强型场效应管为核心， 基于 H 桥 PWM 控制的驱动控制电路，对于直流电机的正反转控制及速度调节具有良好的工作性能。 直流电机驱动控制电路运行稳定可靠， 电机速度调节响应快。能够满意真际工程应用的要求， 有很好的应用后景。 这也算是课设给我的一点小小的感悟。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了

28、知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。16武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计参考文献1 王兆安等.电力电子技术. 北京.机械工业出版社，2000.2 周渊深.交直流调速系统与 MATLAB 仿真.北京.中国电力出版社，20073 陈伯时.运动控制系统. 北京.机械工业出版社，2003.4 黄家善等.电力电子技术. 北京.机械工业出版社，2007.5 孙立志.PWM 与数字化电动机控制技术应用.北京.中国电力出版社，2008.6 倪海东，蒋玉萍.高频开关电源集成控制器.北京：机械工业出版社，2004.7 戴焯. 传感器原理与应用.北京：北京理工大学出版社，20108 张国成. PWM 变频调速技术.北京：科学出版社，19989 李发海 . 电机拖动与基础.北京：清华大学出版社，200510 谭建成. 电机控制专用集成电路.北京：机械工业出版社，199817武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计18