直流双闭环调速系统设计

双闭环直流调速系统设计电气与控制工程已知参数：某转速电流双闭环直流调速系统的已知参数为：（1）电动机参数： Pnom 3kW ，U nom 220V ,Inom 17.5A, nnom 1500r / min ， Ra 1.2 ，GD 2 0.4kg.m2；（2）功率放大器：放大倍数 Ks 25 ，Rrec 0.3 ，Ts 0.001s；（3）其它参数：电枢回路总电感 L 60mH ,最大允许电流 I db1 2I nom ，ASR 和 ACR 的输出限幅值均为 5V , 最大转速给定电压 U nom 5V , 电流反馈滤波时 间常数为 Toi 0.001S ，转速反馈滤波时间常数为 Ton 0.005s。设计指标：电流超调量 i 5%, 转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量10% , 过度过程时间 ts 0.5s、电流调节器设计(一)参数计算(1) 确定时间常数 Ts 0.001s电流滤波时间常数Toi 0.001s电流环小时间常数之和 T i Ts T&0.002s电磁时间常数T丄竺60.04sR 1.2 0.3(2) 选择电流调节器结构根据设计要求i 5%，并保证稳态电流无差，按典型 I型系统设计，采用PI型电流调节器。其传递函数形式如:WACR(S)Q iS 1)iS(3) 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i T 0.04s电流环开环增益：要求5%，按表3-1，应取K|T i 0.5，因此Ki0.50.5s0.002250s-1电流反馈系数为I dL52 17.50.14v于是，ACM比例系数为KiK| iRaKs250 0.04 1.225 0.14电流调节器传递函数为WACR(S)Ki( iS 1)3.4(0.02S 1)0.02S(4) 校验近似条件电流环截止频率：ci Ki 250s11)校验晶闸管整流装置换地函数的近似条件13TSI-1-1s 333.3s 3 0.00ci满足近似条件2)校验电流环小时间常数近似处理条件S-130.001 0.001-1333.3s1ci满足近似条件(5) 计算调节器电阻和电容 根据运算放大器的电路原理，选 Ro 40 K Q,各电阻和电容值计算如下R KiRo 3.43 40kQ 137.2kQCiiRi0.0440 10Coi4ToiRo4 0.04340 100.4 F按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为4.3% 5% 满足设计要求含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器（二）仿真模型（三）仿真结果5045103520151051)0Time offset00二、转速调节器设计（一）参数计算i（1）确定时间常数2T i 2 0.002s 0.004sKii转速滤波时间常数Ton 0.005s转速环小时间常数Tn0.004 0.0050.009s（2）选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为WASR(S)K( nS 1)nS(3) 计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h 5，则ASR的超前时间常数为n hT n 5 0.009s 0.045s转速环开环增益为Kn JA厂6护2 1481s-22h2T n22 52 0.0092ASR的比例系数为Kn(h 1)CeTm2h2T n26 °14 °.0132.72 25 0.0092其中,Unno0.003V min/r1500CeIdRn220-17.5 1.215000.133V min /rGD2gd2r375Cm4 1.5375 30 Ce0.0130.4kg m2 4N m2转速调节器传递函数为WasR(S)K n nS1)nS2.7(0.045S 1)0.045S(4) 检验近似条件转速环截止频率为cnKn n 1481 0.045 66.65s-11)电流环传递函数简化条件1 Ki3 T i12503 , 0.002117.9cn满足近似条件2）转速环小时间常数近似处理条件1Ki12503 Ton3 . 0.00574.5cn满足近似条件3）计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器取40 K Q,则RnKnR02.7 40KQ 108KQ 取 100KQCn0.04530.45 F 取 0.5 FRn 100 103Con血 4 0.005 5 f 取 5 fR040 103（二）仿真模型（三）仿真结果口 X昌旨qQM盹ESIH曰 乍三、系统硬件设计（一）原理图（二）整流电路整流电路是电力电子电路中出现最早的一种， 它将交流电变为直流电。本设 计采用三相桥式全控整流电路，其原理图如图所示，阴极连接在一起的3个晶闸 管（VT1、VT3 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的 3个晶闸管（VT4 VT6 VT2）称为共阳极组。这种整流电路的输出电压一周期脉动 6次，每次脉动的波 形完全相同，故该电路为6脉动整流电路。（三）PWM换器脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM换器。直流电动机PWM空制系统分为不可逆和可逆系统。不可逆系统是指电动机只能单向旋 转；可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转。对于可逆系统，又可以分为单极性驱动和双极性驱动两种方式。单极性驱动是指在一个PWI周期里，作用在电 枢两端的脉冲电压是单一极性的； 双极性驱动是指在一个PWI周期里，作用在电 枢两端的脉冲电压是正负交替的。本设计采用双极性驱动可逆PW陝换器。如图是H型双极性可逆PWM换器原理图。它包含有4个IGBT管和4个续 流二极管。4个IGBT管分成两组，VT1, VT4为一组；VT2, VT3为另一组。同一 组的IGBT管同时导通或截止，不同组的IGBT管的导通与截止是不相同的。（四）泵升限制电路当脉宽调速系统的电动机转速由高变低时（减速或者停车），储存在电动机 和负载转动部分的动能将会变成电能，并通过双极式可逆PWM变换器回送给直流电源。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回送电能，电机制动时只好给滤波电容充电，从而使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。过高的泵升电压会损坏元器件，所以必须采取预防措施，防止过高的泵升电压出现。可以采用 由分流电阻R和开关元件（电力电子器件）VT组成的泵升电压限制电路，如图 所示。当滤波电容器C两端的电压超过规定的泵升电压允许数值时，VT导通，将回馈能量的一部分消耗在分流电阻 R上。在本设计中泵升电路电解电容选取 C=2200y F;电压U=450V VT选取IRGPC50U型号的IGBT管；电阻选取R=20Q。（五）按键电路独立式按键电路如图所示，这种独立式按键电路所需器件比较少、 软件编程 结构比较简单，在此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻的接入保证 了冷按键断开时，I/O 口线上有确定的高电平。通过软件编程实现如下功能：当 按下1键时，电动机启动；当按下2键时，电动机正转；当按下3键时，电动机 反转；当按下4键时，电动机停止；当按下5键时，电动机加速；当按下6键时, 电动机减速。四、直流调速原理双闭环直流调速系统稳态结构双闭环直流调速系统的动态结构直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发 器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成。两个调节器均采用带 限幅作用的PI调节器。转速调节器 ASR的输出限幅电压Um*决定了电流给定的 最大值，电流调节器ACM输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出 电压Udm。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除 非有反向的输入信号使调节器退保和。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态。由于调速系统的主要被控量是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环 以保证电动机的转速准确跟随给定电压 ，把由电流负反馈组成的环作为内环 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入， 再用电流调节器的输出去控制电力 电子变换器upe这就形成了转速、电流双闭环调速系统。通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动脉冲的相位，即可改变平均整流 电压Ud，从而实现平滑调速。四、系统软件设计（一）主程序开始系统初始化按键处理、f刷新显示数据通信（二）子程序的初始化设计初始化子程序框图（二）中断服务子程序设计中断服务子程序包括故障检测、PWM成、状态检测和数字 PI调节等，这些都是实时性比较强的功能。当相应的中断源提出申请，CPU就可以实时响应。转速调节中断服务子程序框图如图 4-3所示。在转速调节中断服务子程序中，首 先应保护现场，然后再由输入量计算实际的转速，完成转速PI调节，最后进行转速检测环节，为下面的调节提前做好准备。为了使被中断的上级程序正确稳定 地恢复运行，在中断返回前应该先恢复现场。保护现场读入转速给定转速调节中断服务子程序框图电流调节中断服务子程序框图如图所示， 主要完成的任务有： 电流 PI 调节、 PWM 信号生成、启动 A/D 转换、恢复现场等