H型双极式PWM直流调速系统设计

1控制系统课程设计设计题目：H型双极式PWM直流调速系统设计学生姓名：王峰学号：200515221108专业班级：05自动化1班学部：信息科学与技术部指导教师：梁秀满2008年11月28日2河北理工大学本科生课程设计成绩总评表学部：信息科学与技术部班级：05自动化1班学生姓名王峰设计总成绩设计题目H型双极式PWM直流调速系统设计说明书评定成绩答辩成绩答辩时需要设计人回答的问题注：设计总成绩=说明书评定成绩（60%）＋答辩成绩（40%）3设计任务书(一)性能指标要求：稳态指标：系统无静差动态指标：%5i；空载起动到额定转速时%10n。(二)给定电机及系统参数：PN=220W,UN=48V,IN=3.7A,2，nN=200r/min，Ra=6.5Ω电枢回路总电阻R=8Ω电枢回路总电感L=120mH电机飞轮惯量GD2=1.29Nm2(三)设计步骤及说明书要求：1画出系统结构图，并简要说明工作原理。2根据给定电机参数，设计整流变压器，并计算变压器容量及副边电压值;选择整流二极管及开关管的参数，并确定过流、过压保护元件参数。3分析PWM变换器，脉宽调制器（UPW）及逻辑延时（DLD）工作原理。4设计ACR、ASR并满足给定性能指标要求。5完成说明书，对构成系统的各环节分析时，应先画出本环节原理图，对照分析。6打印说明书（A4），打印电气原理图（A4）。4目录一引言···············································1二系统构成和原理···································1三PWM主电路设计····································3四电流调节器和转速调节器的设计····················44.1电流调节器ACR的设计·································44.2转速调节器ASR设计····································44.2.1电流环等效闭环传递函数····························74.2.2转速调节器结构的选择······························84.2.3时间常数的确定····································84.2.4转速调节器参数的选择······························84.2.5校验近似条件······································84.2.6校核转速超调量····································84.2.7转速调节器的实现··································9五基于SG3525为核心构成的控制电路··················95.1SG3525芯片的内部结构及工作原理························95.2逻辑延时环节···········································10六驱动电路设计········································11七电流反馈和转速反馈电路设计························127.1电流反馈电路设计·······································127.2转速反馈电路设计········································13八结束语·················································13九参考文献···············································15十总电路图……………………………………………………1651引言直流电动机由于有着广泛的起制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，且直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟，因而目前应用广泛。直流电机在一定范围内无极平滑调速系统来说，以调节电枢电压的方式最好。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。脉宽调速实质上是调压调速方式中的一种，它采用全控型电力电子器件组成的直流脉冲调制型的调速系统已发展成熟，用途越来越广，与传统的V-M系统相比，在很多方面有很大的优越性。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：（1）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；（5）低速时，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。双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。2系统构成和原理直流双极式可逆PWM调速系统的组成见附录1。图中可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET所构成的H型结构形式，它由四个功率MOSFET管和四个续流二极管组成的双极式PWM可逆变换器，根据脉冲占空比的不同，在直流电机上可得到+或-的直流电压。PWM变换器的作用是：用PWM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系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。TG是与直流电动机连动的测速发电机，经过速度变换器FBS后可获得一反映转速变化的速度反馈信号，此信号接入速度调节器ASR的反馈输入端，G为电压给定器，可提供正、负电压，电压大小可以调节。SG3525为脉宽调制器。R1、C1、VD1、R2、C2、VD2构成逻辑延时环节。二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，正常情况下，交流输入为380V，经过整流后变为220V直流电，电阻R1为起动限流电阻,在VT1和VT4的源极回路中，串接两个取样电阻，其上的电压分别反映流过VT2、VT4的电流,经过差分放大输出一反映电流大小的电压，可作为双闭环系统的电流反馈信号，接到电流调节器ACR的输入端。回路中的电阻R2有两个作用。第一，可以用来观察波形,其上的电压波6形反映了主回路的电流波形。第二，作为过流保护用。当R2的电压超过整定值后，过流保护电路动作，关闭脉冲，从而保护功率MOSFET管。3PWM主电路设计按电路能否始终保持电流连续分为受限式和非受限式两种，而按输出电压极性是否单一又分为单极性和双极性两种类型。图1中装置系统结构图采用的是H型变换器。采用恰当的控制方式可让其工作于双极性非受限式的状态下。功率开关管VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电压Ug1=Ug4；VT2和VT3同时动作，其驱动电压Ug2=Ug3=-Ug1。经分析易知，不论电流路径如何，只要VT1和VT4上加的是正向的控制信号，电机电枢两端电压UAB=Us（Us指电容两端电压），只要VT2和VT3两端加的是正向的控制信号，电机电枢两端电压UAB=-Us。设VT1开关周期为T，一个周期内VT1上所加正向控制信号的时间是ton，则电机电枢的平均电压为：sonsonsondUTtUTtTUTtU}1)/2{()/()/(，若令1)/2(Tton。当为正值时电机正转，当为负值时电机反转。当为零时电枢两端平均电压为零，电机不转。虽然电机不动，电枢两端的瞬时电压和瞬时电流都不是零，而是交变的。这个交变电流平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗。但它的好处是使电机带有高频的微振，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、负反向时的静磨擦死区，使电机低速时有较好的动静态特性。电枢电压极性在每个周期内都是变化的，但是开关管的频率做得很高，电机运行时由于惯性其转速瞬间不会变化，再加上电枢电感对电流有滤波作用，所以电机转速可以认为是稳定的。但是这里的稳态，指的是电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，电枢电流实际上是周期变化的，只能算是准稳态。脉宽调速系统在准稳态下的机械特性是其平均转速与平均转矩（电流）的关系。图1PWM调速主电路7-IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+ET0is+11T0is+1ASR1T0ns+1T0ns+1U*nn4电流调节器和转速调节器的设计设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。双闭环调速系统的动态结构如图2所示，由于电流检测信号中常含有交流分量须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。图2双闭环调速系统的动态结构图图中Toi为电流反馈滤波时间常数；Ton为转速反馈滤波时间常数。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton的给定滤波环节。4.1电流调节器ACR的设计设置电流调节器是为了充分的利用电机允许的过载能力，在系统暂态过程中，始终保持电流为允许的最大值，使系统尽可能用最大的加速度启动，制动，缩短调节时间，保证系统具有良好的快速响应的性能。当到达稳态时，又让电流立即降低下来。本系统中的电流调节器采用PI调节器，这是因为PI调节器的比例部分可以提高系统的快速性，积分部分可以消除电流静差，是系统具有良好的动、静态品质。电流调节器处于双闭环的内环中，此内环是一个随动系统，在转速调节过程中，电流调节器的给定值随8着转速调节器的输出值改变而改变。由于运放的饱和原因，转速调节器的输出值不能无限制的增长，所以当电机过载甚至堵转时，就可以通过调节转速调节器的输出限幅值来限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能够自动回复正常。此外电流环对电网电压起及时抗扰作用。主要参数的确定：根据初始数据，可得出：rVnRIUCNNNemin/1197.02005.67.348转速反馈系数rVnUNNmin/05.0200/10/ASR限幅值VUim10*，电流反馈系数AVIN/35.1)7.3*2/(10/10电力电子变换器放大系数30SK电枢回路电磁时间常数sTl03.0电力拖动系统机电时间常数sCeCmRGDTm15.0)375/(2电流滤波时间常数oiT。三相桥式电路每个波头的时间是ms33.3，为了基本滤平波头，应有msToi33.3)2~1(，因此取smsToi003.03。整流装置滞后时间常数sT。三相桥式电路的平均失控时间00167.0sTs。电流环小时间常数iTΣ。按小时间常数近似处理，取sTTToisi00467.0Σ。电流调节器结构的选择电流环的重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。在一般情况下，当控制对象的两个时间常数之比1042.6ilTT时，典型I型系统的抗扰恢复时间还是可以接受的，因此一般多按典型I型系统来设计电流环。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应该采用PI调节器，其传递函数可以写成：ssKsWiiiACR1)(（4-1）式中：iK为电流调节器的比例系数；i为电流调节器的超前时间常数。电流调节器参数的选择电流调节器的参数包括iK和i的选择。电流调节器超前时间常数：sTli03.0