9双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

电力拖动自动控制系统课程设计报告PWM控制双闭环可逆直流调速系统设计学院：信息工程学院学号：专业（方向）年级：学生姓名：扬州大学信息工程学院年月日目录1.课程设计任务书......................................................12．课程设计技术报告....................................................32.1方案确定.........................................................32.1.1方案选定.....................................................32.1.2桥式可逆PWM变换器工作原理...................................32.1.3系统控制电路图...............................................62.1.4双闭环直流调速系统静态分析...................................62.1.5双闭环直流调速系统稳态结构图.................................72.2硬件结构.........................................................92.2.1主电路.......................................................92.2.2泵升压限制..................................................112.3主电路参数计算及元件选择........................................122.3.1整流二极管选择..............................................122.3.2绝缘栅双极晶体管选择........................................122.4调节器参数设计和选择............................................132.4.1电流环的设计................................................132.4.2转速环的设计................................................162.4.3反馈单元....................................................182.5系统动态结构图..................................................192.6系统仿真3．心得体会...........................................................204.参考资料1、课程设计任务书1.1、题目PWM控制双闭环可逆直流调速系统设计1.2、设计目的和意义（1）、通过对电力拖动控制系统的设计，了解电力电子、自动控制原理及电力拖动自动控制系统课程所学内容，初步具备设计电力拖动自动控制系统的能力，为今后从事技术工作打下必要的基础。（2）、运用《电力拖动控制系统》的理论知识设计出满足任务书要求的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。1.3、技术数据（1）、他励直流电动机的参数：电枢电阻Ra=1.64，电枢回路总电感L=10.2mH，额定电流nomI=6A，额定电压nomU=110V。额定转速n=1000r/min，电流过载倍数λ=2。励磁电压110V，励磁电流0.4A。转动惯量0.0468kg.m2,磁场与电枢互感2.17。（2）、电枢回路总电阻R=2Ω,调速系统的最小负载电流oI=1A。（3）、主电源：可以选择单相交流220V供电；（4）、稳定指标，无静差。动态指标，%5i（5）、空载起动到额定转速时转速超调量15%n（6）、给定电压最大值为±10V。1.4、设计任务（1）总体方案的确定；（2）主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；（3）系统原理图、稳态结构图、动态结构图；（4）电流环、转速环的参数的设计；（5）根据电流环、转速环的参数构建仿真模型；（6）进行MATLAB仿真；2、课程设计技术报告2.1、方案确定2.1.1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：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。2.1.2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。ASRACRPWM¦βR1/Ce¦αUn*Ui*nId--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ABU的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。MGMOTORDCVT1VT2VD1VD2VT3VT4VD3VD4Ug1Ug2Ug3Ug4Us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。OOOOUg1Ug4Ug2Ug3UABUs-Usidid1id2tttttonTtonT图3PWM变换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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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，起着所谓“动力润滑”的作用。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。2.1.3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dsddiURiLEdt(0)ontt.dsddiURiLEdt()onttT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则机械特性方程式0sddeeeURRnInICCC2.1.4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、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2.2、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2.2.1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。图7桥式可逆PWM变换器图8为双极式控制时的输出电压和电流波形。1id相当于一般负载的情况，脉动电流的方向始终为正；2id相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。图8双极式控制时的输出电压和电流波形双极性控制可控PWM变换器的输出平均电压为sonsonsonUTtUTtTUTt)12(Ud转速反馈电路如图9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0.012sonT。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。R0/2R0/2R0/2R0/2RnRbalCnConConUi*Un*-Un图9转速反馈电路2.2.2泵升电压限制当脉宽调速系统的电动机减速或停车时,储存在电机和负载传动部分的动能将变成电能，并通过PWM变压器回馈给直流电源。一般直流电源由不可控的整流器供电，不可能回馈电能，只好对滤波电容器充电而使电源电压升高，称作“泵升电压”。如果要让电容器全部吸收回馈能量，将需要很大的电容量，或者迫使泵升电压很高而损坏元器件。在不希望使用大量电容器（在容量为几千瓦的调速系统中，电容至少要几千微法）从而大大增加调速装置的体积和重量时，可以采用由分流电阻R和开关管VT组成的泵升电压限制电路，用R来消耗掉部分动能。R的分流电路靠开个器件VT在泵升电压达到允许数值时接通。2.3、主电路参数计算和元件选择主电路参数计算包括整流二极管计