双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统的设计说明.docx

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=1.64Q，电枢回路总电感L=10.2mH，额定电流I =6A，额定电压U =110V额定转速nom nomn=1000r/min,电流过载倍数入=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2.172) 、电枢回路总电阻R=2Q,调速系统的最小负载电流Io = 1A3) 、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，8 < 5%i(5) 、空载起动到额定转速时转速超调量 8 <15%n(6) 、给定电压最大值为±10V1.4、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u的极性随AB开关器件驱动电压的极性变化而变化图 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Ug」OttonT—rUg2'11t■O >图3 PWM变换器的驱动电压波形他们的关系是：U二U =-U =-U。

在一个开关周期内，当0 < t < t时， g1 g 4 g 2 g3 on晶体管VT、VT饱和导通而VT、VT截止，这时U二U当t < t < T时，VT、1 4 3 2 AB s on 1VT截止，但VT、VT不能立即导通，电枢电流/经VD、VD续流，这时4 3 2 d 2 3U二一UU在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其 AB s AB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，t >-，则U的平均值为正，电动机正转，当正脉冲on 2 AB较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，t二-，平均输出电压为零，则电动机停on 2止双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为T-t如果定义占空比p = -on， 电压系数丫 = Ud-则在双极式可逆变换器中Y =2P-1调速时，P的可调范围为0〜1相应的丫=-1〜+1当p >丄时，Y为正，电动机211正转；当p <时，丫为负，电动机反转；当p二-时，丫二0，电动机停止但22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U = Ri + + E (0 < t < t ).s d dt ondiU — Ri + L ——d + E (t < t < T)s d dt on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U二YU ,平均电流用I表示，平均转速n二E/C ,而电d s d e枢电感压降Ldid的平均值在稳态时应为零于是其平均值方程可以写成dty U 二 RI + E = RI + Cns d d e则机械特性方程式Y U R Rn = 丄 一 I = n - IC C d 0 Cde e e2.1.4 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MVT2VT4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i相当于一般负载的情况,d1脉动电流的方向始终为正； i 相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动 d2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T 0・012s根据和电流环一样的on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算，滤波电容计算、功率开关管 IGBT 的选择及各种保护装置的计算和选择等2.3.1 整流二极管的选择根据二极管的最大整流平均 I 和最高反向工作电压 U 分别应满足 fRI > l.lxI 十2 沁 l.lx6/2 二 3.3 (A)f o(AV )U > l.lx、.2 X U 二 l.lx、.2 X110 二 171 (V)R 2选用大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：额定正向平额定反向峰正向平均压反向平均漏型号均电流I值电压电流I散热器型号f降 u （V）R（A）URM（V）F（mA）ZP1OA10200~20000.5~0.76SZ14在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容c值，使RC> (3~5)T/2,且有U 二 0.9 x 110 x 0.95 二 94 (V)d max2 x C > 1.5。