双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

施史；t #上事FUJIAN AGRICULTURE AND FORESTRY UNIVERSITY双闭环可逆直流脉宽WM调速系统设计学院：机电工程学院学号：专业（方向）年级：学生姓名：福建农林大学机电工程学院电气工程系2011年 1月7日目录一. 设计任务书1二. 设计说明书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系统总电路图19三. 心得体会20交直流调速课程设计任务书一、题目双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计二、设计目的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、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。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。三、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）f电机 参数f主电路f控制方案”（系统方案的确定）一“系统设计f仿真研究参数 整定f直到理论实现要求f硬件设计f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观能动作用，且避免方案及结果雷同， 在选定系统方案时，规定外的其他参数由同学自己选定。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；2、速度调节器和电流调节器采用PI调节器；3、机械负载为反抗性恒转矩负载，系统飞轮矩（含电机及传动机构）4、主 电源：可以选择三相交流380V供电；5、他励直流电动机的参数：见习题集【4-19】（P96） =1000r/min，电枢回 路总电阻R=2 Q ,电流过载倍数入=2。四、设计任务a）总体方案的确定；b）主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；c）系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图；d）控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择；e）调节器、PWM信号产生电路的设计；f）检测及反馈电路的设计与计算；五、课程设计报告的要求1、不准相互抄袭或代做，一经查出，按不及格处理。2、报告字数：不少于8000字（含图、公式、计算式等）。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。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。六、参考资料1、电气传动控制系统设计指导李荣生机械工业出版社2004.62、新型电力电子变换技术陈国呈中国电力出版社3、电力拖动自动控制系统陈伯时机械工业出版社4、电力电子技术王兆安黄俊机械工业出版社2000.1交直流调速课程设计说明书一、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。Id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UB的极性随 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。图3 PWM变换器的驱动电压波形他们的关系是：U广U 4 =-U 2 =-U 3。在一个开关周期内，当0 t tn时，晶体管VT、VT饱和导通而VT、VT截止，这时U = U。当t t 1时，Y为正，电动机 211正转；当P 1时，Y为负，电动机反转；当p= 1时，y=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。控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积分器）、正弦 参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性 鉴别器）、PWM波发生器（三相正弦波发生器、锁相环、三相波载波发生器、比 较器）及与主电路相隔离的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路。2.1.3系统控制电路图控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积分器）、正弦 参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性 鉴别器）、PWM波发生器（三相正弦波发生器、锁相环、三相波载波发生器、比 较器）及与主电路相隔离的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路陞变融函散友雀均对位松分器1K竟器.f JA.二相升彭波监一十器询邛坏(Pl L)KJ.山儿 _一Zu-索数二而袂发生器AW-tA麟 iAVY)通用型PWM变频器原理图框图2.1.4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diU = R + L-d + E(0 t to).diU = Rid + L- + E(t t 1.1x/(郡广 2 牝 1.1x 6/2 = 3.3(A)Ur 1.1x很xU2 = 1.1xj2x 110 = 171(V)选用大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示:型号额定正向平均电流If(A)额定反向峰 值电压URM (V)正向平均压 降 uf (V)反向平均漏电流IR(mA)散热器型号ZP10A1020020000.50.76SZ14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(35) T/2，且有气=0.9x 110x0.95 = 94(V)2 x C 1.5 x 0.02，即C 15000uF故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400V，标称容量为 22000uF。2.3.2绝缘栅双极晶体管的选择最大工作电流 Imax2Us/R=440/0.45=978(A)集电极一发射极反向击穿电压(BVceo)(BVceo)N(23)Us=440660v四、调节器参数设计和选择调节器工程设计方法的基本思路先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。再选 择调节器的参数，以满足动态性能指标。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：先从电流环人手，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。2.4.1电流环的设计H型单极式PWM变换器供电的直流调速系统，采用宽调速直流电动机。额定力矩为4.9N - m，电枢电阻Ra=1.64。，电枢回路总电感L=10.2mH，额定 电流I =6A，额定电压U =110V。调速系统的最小负载电流T：=A，电源电压Us=122V，电力晶体管集电极电阻Rc=2.5。，设K 1 = K2=2。二：.=1000r/min，电枢回路总电阻R=2Q,电流过载倍数 入二2。如图10为电流环结构图图10电流环结构图2.4.1.1确定时间常数C _ U 广 R I110 -1.64 x 6e nN1000=0.W min/ rGD 2 R1.5 x 2 x兀T m 375CC375 x 0.12 x 30=0.08sT=农 10.2 x10-3 =0.005si R(1)脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数弓咖与传递函数的计算电动机的启动电流为I = U =竺 A = 61A s R 2启动电流与额定电流比为a =4 = = 10.167I 6晶体管放大区的时间常数为二一 sT =s = 0.159 日 sce 2 兀 f 3 2 x 3.14 x 106电流上升时间tr的计算公式为ktr = ce n k 1 - 0.95晶体管导通时的过饱和驱动系数，取k 1=2则式中k 1t = T In 一k一 = 0.159ln 一2一 目s = 0.103日s r cek1 - 0.952 - 0.95电流下降时间f的计算公式为t = T In 1 + k2 f ce 0.05 + k 2晶体管截止时的负向过驱动系数，取k 2=2式中k2t = T ln 1 + k2 = 0.159ln 1 + 2 目s = 0.061日s f c 0.05 + k20.05 + 2又T = Rms = 5.1ms = 0.0051s最佳开关频率为10.167Hz = 4434.8Hz 0.00512(0.103 + 0.061)x10-6，尸 0.332V T 2(tr+tf)开关频率f选为4.4kHz，此开关频率已能满足电流连续的要求。于是开关周期Tpwm = f R -23ms脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为K = U =凹=11PWM u *10于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传递函数为0.00023s +1WPWM (S )=卢岩 1111pwMs(2)电流滤波时间常数 T 取0.5ms(3)电流环小时间常数 T E i = Tpwm + Toi = 0.23ms + 0.5ms = 0.73ms2.4.1.2选择电流调节器结构根据设计要求，-i% V 5%，而且 T /T & = 5.1/0.73 = 6.99 10因此可以按典型I型系统设计电流调节器选用PI型，其传递函数为吧方(s)* = KT .s +1IT.sI2.4.1.3选择电流调节器参数t 尸丁产 0.0051s要求o i % V 5% 时，应取 KT j = 0.5，因此K= ，5 s-1 = 684.93s-1 T j 0.00073U *M = 0.833V / A 2 x 6于是0.833 x11K =k 工= 684.93x0.0051 x2 =0.76 j 邛KPWM气=K = 684.93s-1(1)(2)(3)要求11要求%o .Pwm 3 x0.00023c3s-1 = 130.89s-1 o .3 0.00023 x 0.0005o可见均满足要求。2.4.1.5计算ACR的电阻和电容取 R0 =40k Q，则R. = KR 0 = 0.76 x 40 = 30.4RQ，取 R. = 30kQc.M0.005130000x106 目 F = 0.17 目 FCoi4T4 x 0.000540 x103x106 日 F = 0.05日 F按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为 i = 4.3% o现 55 x 0.00073cn（2）ocn 要求1 O 现 3 2TT3Y2 x 0.00073 x 0.005cn可见均能满足要求。2.4.2.5计算ASR电阻和电容取 %= 40kQ，则Rn = K R = 35.92 x 40kQ = 1436.8kQ，取 1440 kQConTnRn0.0323x 106 日 F = 0.022 日 F1440x103，取 0. F4TonR0茗端5 x 10中F=sFQ % = (Cmx) - 2(X- z)兽-M n Cn Tmax % = 81.2%An = =r = 133.1 匚.当 h=5 时，C，而 N C 0.09016，mm，因此q % = 81.2% x 2 X10.167 x1331 x 0.00646 = 14.8% 20% n10000.103可见转速超调量满足要求。2.4.2.7校验过渡过程时间空载起动到额定转速的过渡过程时间T= T +T = 3 = 0.09016 x 0.103 x 1000 = 0.39s v 0.5s s 12RXIN2 x 2 x 6可见能满足设计要求。2.4.3反馈单元2.4.3.1转速检测装置选择选测速发电机永磁式ZYS231/110型，额定数据为P=23.1W，U=110V，I=0.21A， n=1900r/min。测速反馈电位器RP2的选择考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，这样，测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小。测速发电机工作最高电压 U = ntn = 1000 x 110 = 57.89VTMnTN1900测速反馈电位器阻值R = TMRP120% ITN57.89 = 1378Q0.2 x 0.21此时RP2所消耗的功率为Py。颓 x 20%、= 57.89x 0.2x 0.21 = 2.4W为了使电位器温度不要很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故选RP2为 4W，取 2000 Q。2.4.3.2电流检测单元本系统要求电流检测不但要反映电枢电流的大小而且还要反映电流极性，所以选 用霍尔电流传感器。2.5系统总电路图LSUFnnzz芸Emhju 0S-ksxs.nnrssss.A3 10 7 51 llcsfi-3 s pll e-H玉匚二二E&iJF心MSJ o7nLk uLulLLnr=IEnM* - 一nJh心得体会一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培 养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计 过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合 作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职 业工作前一个必不少的过程.”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深 体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈 开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础.通过这次交直流调速课程设计，本人在多方面都有所提高。通过这次交直流调速 课程设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次交直流调速 设计从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了交直流调速等课程所学的 内容，掌握交直流调速课程设计方法和步骤，同时各科相关的课程都有了全面的 复习，独立思考的能力也有了提高。在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力， 体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足 和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的XXX老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学 习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；交直流 调速课程设计每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的 态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的 友谊。由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教， 我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。