63双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

目录交直流调速课程设计任务书············································11、题目：双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计···························12、设计目的··························································13、系统方案的确定····················································14、设计任务··························································15、课程设计报告的要求················································16、参考资料··························································2双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计··································31、设计分析··························································31.1双闭环调速系统的结构图········································31.2调速系统起动过程的电流和转速波形······························31.3H桥双极式逆变器的工作原理·····································31.4PWM调速系统的静特性···········································52、电路设计··························································62.1给定基准电源··················································62.2双闭环调节器电路设计··········································72.2.1电流调节器················································72.2.2转速调节器················································72.3信号产生电路·················································82.4IGBT基极驱动电路原理·········································102.5基于EXB841驱动电路设计······································102.6锯齿波信号发生电路···········································112.7转速及电流检测电路···········································122.7.1转速检测电路···············································122.7.2电流检测电路···············································123、调节器的参数整定·················································133.1电流环的设计·················································133.2转速环的设计·················································154、电路图总体设计··················································185、参考文献·························································19交直流调速课程设计任务书1、题目：双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计2、设计目的2.1对先修课程（电力电子学、自动控制原理等）的进一步理解与运用2.2运用《电力拖动控制系统》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。2.3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。3、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）→“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管能动作用，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。3.1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；3.2速度调节器和电流调节器采用PI调节器；3.3机械负载为反抗性恒转矩负载，调速范围D=2；系统飞轮矩（含电机及传动机构）3.4主电源：可以选择单相交流220V供电；变压器二次电压为67V；3.1他励直流电动机的参数：略4、设计任务4.1总体方案的确定；4.2主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；4.3系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图；4.4控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择；4.5调节器、PWM信号产生电路的设计；4.6检测及反馈电路的设计与计算；5、课程设计报告的要求：5.1不准相互抄袭或代做，一经查出，按不及格处理；5.2报告字数：不少于8000字（含图、公式、计算式等）。5.3形式要求：以《福建农林大学本科生课程设计》（工科）的规范化要求撰写。要求文字通顺、字迹工整、公式书写规范、报告书上的图表允许徒手画，但必须清晰、正确且要有图题。5.4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。6、参考资料6.1电气传动控制系统设计指导李荣生主编机械工业出版社2004.66.2新型电力电子变换技术陈国呈中国电力出版社6.3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6.4电力电子技术王兆安黄俊主编机械工业出版社2000.11.设计分析1.1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1-1双闭环调速系统的结构图1.2调速系统起动过程的电流和转速波形如图1-2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。(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程(b)理想快速起动过程图1-2调速系统起动过程的电流和转速波形1.3H桥双极式逆变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。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)H形双极式逆变器电路如图1-3所示。这时电动机M两端电压ABU的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。图1-3H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4所示。OOOOUg1Ug4Ug2Ug3UABUs-Usidid1id2tttttonTtonT图1-4H形双极式逆变器的驱动电压波形他们的关系是：1423ggggUUUU。在一个开关周期内，当0ontt时，晶体管1VT、4VT饱和导通而3VT、2VT截止，这时ABsUU。当onttT时，1VT、4VT截止，但3VT、2VT不能立即导通，电枢电流di经2VD、3VD续流，这时ABsUU。ABU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压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，2onTt，则ABU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，2onTt，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21ononondsstTttUUUTTT（1-1）如果定义占空比ontT，电压系数dsUU则在双极式可逆变换器中21（1-2）调速时，的可调范围为0～1相应的1~1。当12时，为正，电动机正转；当12时，为负，电动机反转；当12时，0，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。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。1.4PWM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dsddiURiLEdt(0)ontt（1-3）dsddiURiLEdt()onttT（1-4）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dsUU，平均电流用dI表示，平均转速/enEC，而电枢电感压降ddiLdt的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成sddeURIERICn（1-5）则机械特性方程式0sddeeeURRnInICCC（1-6）2.电路设计H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图2-1所示。PWM逆变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0C滤波，以获得恒定的直流电压sU。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，这时电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rz消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VTz。图2-1H桥式直流脉宽调速系统主电路四单元IGBT模块型号：20MT120UF主要参数如下：CERU=1200VcI=16A*CNT=100CkWPCM9.0VUsatCE05.3)(2.1给定基准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2-2所示：图2-2给定基准电源电路2.2双闭环调节器电路设计为了实现闭环控制，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，由初始条件知滤波时间常数sToi001.0，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。图2-3含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器2.2.2转速调节器转速反馈电路如图2-4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