1、精選優質文檔-傾情為你奉上課程設計任務書學生姓名： 專業班級： 指導教師： 工作單位： 自動化學院 題 目: 脈寬調制雙閉環調速系統的設計 初始條件：uN=48V，Ia=3.7A，Nn=2000r/min，電樞電阻Ra=6.5，電樞回路總電阻R=8，電磁時間常數TL=5ms，電源電壓為60V。穩態無靜差。要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及 其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1. 系統原理圖設計；2. 調速系統電路設計；3. 過程分析,參數設計計算與校驗；4. 根據開通時間和開關頻率計算調速范圍。5. 按規范格式撰寫設計報告（參考文獻不少于5篇）打印時間安排：(10天)6月2日-6

2、月3日查閱資料6月4日-6月7日方案設計6月8日-6月10日饌寫程設計報告 6月11日提交報告，答辯指導教師簽名： 2014年 6月1日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日摘要 變壓調速是直流調速系統的主要調速方法，系統的硬件結構至少包含了兩個部分：能夠調節直流電動機電樞電壓的直流電源盒產生被調轉速的直流電動機。隨著電力電子技術的發展，可控直流電源主要有兩大類，第一類是相控整流，它把交流電源直接轉換成可控的直流電源；第二類是直流脈寬變換器，它先用不可控整流把交流電變換成直流，然后用PWM脈寬調制方式輸出的直流電壓。當用可控直流電源盒直流電動機組成一個直流調速系統時，它們所表現出來的性能指標和

3、人們的期望值總是存在差距的，解決此問題的方法是設計具有轉速反饋控制的直流調速系統。由于只帶有轉速反饋的控制系統的控制對象是轉速，沒有控制電流，該系統需要實施限流保護。此外增加電流反饋 能提高系統的動態和穩態性能指標。關鍵字：變壓調速 轉速反饋 電流反饋 目錄 888專心-專注-專業1直流調速系統可用的可控直流電源1.1晶閘管整流器電動機系統晶閘管整流器，通過調節觸發裝置GT的控制電壓來移動觸發脈沖的相位，改變可控整流器平均輸出直流電壓，從而實現直流電動機的平滑調速。晶閘管可控整流器的功率放大倍數在以上，門極電流可以直接用電子控制；響應時間是毫秒級，具有快速的控制作用；運行損耗小，效率高；這些優

4、點使V-M系統后的了優越的性能。但晶閘管整流器運行中存在一些問題，主要表現在：1） 晶閘管一般是單向導電元件，不允許電流反向，這給電動機實現可逆運行造成困難；2）對過電壓。過電流等十分敏感，只要一超過允許值都可能在很短的時間內損壞元件；3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發，它對交流電源是一個感性負載，吸取滯后無功功率，因此功率因素很低，如果它在電網中容量大，將造成“電力公害”； 4）晶閘管整流裝置的輸出電壓時脈動的，而且脈動數總是有限的。1.2直流PWM變換器電動機系統自從全控型電力電子器件問世以后，就出現了采用脈沖寬度調制的高頻開關控制方式，形成了脈寬調制變換器-直流電動機調速系統，簡稱直

5、流脈寬調速系統，或直流PWM調速系統。與V-M系統相比，直流PWM調速系統在很多方面有較大的優越性：1）PWM調速系統主電路線路簡單，需用的功率器件少；2）開關頻率高，電流容易連續，諧波少，電機損耗及發熱都較小；3）低速性能好，穩速精度高，調速范圍廣，可達1：10000左右；4）如果可以與快速響應的電動機配合，則系統頻帶寬，動態響應快，動態抗擾能力強；5）功率開關器件工作在開關狀態，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因為裝置效率高；6）直流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流器高。由于有上述優點，直流PWM調速系統的應用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態性能系統中，已經完全取

6、代了該系統。2 轉速電流反饋控制的直流調速系統2.1轉速電流雙閉環優點同開環控制系統相比，閉環控制具有一系列優點。在反饋控制系統中，不管出于什么原因（外部擾動或系統內部變化），只要被控制量偏離規定值，就會產生相應的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統的響應特性。由于閉環系統的這些優點因此選用閉環系統。單閉環速度反饋調速系統，采用PI控制器時，可以保證系統穩態速度誤差為零。但是如果對系統的動態性能要求較高，如果要求快速起制動，突加負載動態速降小等，單閉環系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環系統中不能完全按照要求來控制動態過程的電流或轉矩。另外，單

7、閉環調速系統的動態抗干擾性較差，當電網電壓波動時，必須待轉速發生變化后，調節作用才能產生，因此動態誤差較大。在要求較高的調速系統中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動；二是能夠快速克服負載、電網等干擾。通過分析發現，如果要求快速起動，必須使直流電動機在起動過程中輸出最大的恒定允許電磁轉矩，即最大的恒定允許電樞電流，當電樞電流保持最大允許值時，電動機以恒加速度升速至給定轉速，然后電樞電流立即降至負載電流值。如果要求快速克服電網的干擾，必須對電樞電流進行調節。以上兩點都涉及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉速、電流雙閉環調速系統。2.2轉速、電流反饋控制直流調速系統

8、的組成轉速反饋控制直流調速系統用PI調節器實現轉速穩態無靜差，消除負載轉矩擾動對穩態轉速的影響，并用電流截止負反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現過電流現象。但轉速單閉環系統并不能充分按照理想要求控制電流(或電磁轉矩)的動態過程。對于經常正、反轉的調速系統，如龍門刨床、可逆軋鋼機等，縮短起、制動過程的時間是提高生產效率的因素。為此，在啟動（或制動）過渡過程中，希望始終保持電流（電磁轉矩）為允許的最大值。當到達穩態轉矩是平衡，從而迅速轉入穩態運行。這類理想的啟動（制動）過程示與圖2-1，啟動電流呈矩形波，轉矩按線性增長。這是在最大電流（轉矩）受限制時調速系統所能獲得的最快的啟動（制動）過程。(a)帶

9、電流截止負反饋的單閉環調速系統起動過程 (b)理想快速起動過程 圖2 -1調速系統起動過程的電流和轉速波形實際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實現在允許條件下的最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。問題是，應該在啟動過程中只有電流負反饋，沒有轉速負反饋，在達到穩態轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再讓電流負反饋發揮作用。怎樣才能做到這種既存在轉速和電流兩種負反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？只用一個調節器顯然是不

10、可能的，采用轉速和電流兩個調節器應該能行，問題是在系統中如何連接。為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節轉速和電流。二者之間實行嵌套（或稱串級）連接，如圖2-2所示。把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環結構上，電流環在里面，稱為內環；轉速環在外面，稱為外環。這就形成了轉速、電流反饋控制直流調速系統。為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用PI調節器。 圖2-2 轉速、電流反饋控制直流調速系統原理圖2.3 調節器的作用 轉速調節器和電流調速器在雙閉環直流調速系

11、統中的作用可歸納如下：2.3.1轉速調節器的作用1）轉速調節器是調速系統的主導調節器，它使轉速很快地跟隨給定電壓變化，穩態時可減少轉速誤差，如果采用PI調節器，則可實現無靜差。2）對負載變化器抗擾作用。3）其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。2.3.1 電流調節器的作用1）作為內環的調節器，在轉速外環的調節過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨器給定電壓的變化。2）對電網電壓的波動期及時抗擾的作用。3）在轉速動態過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態過程。4）當電動機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，器快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統立即自動恢復正常。3 直流PWM可逆調速系

12、統3.1 直流PWM傳動系統結構圖直流PWM控制系統是直流脈寬調制式調速控制系統的簡稱，與晶閘管直流調速系統的區別在于用直流PWM變換器取代了晶閘管變流裝置，作為系統的功率驅動器，系統構成原理如圖1-1所示。其中屬于脈寬調制調速系統主要由調制波發生器GM、脈寬調制器UPM、邏輯延時環節DLD和電力晶體管基極的驅動器GD和脈寬調制（PWM）變換器組成，最關鍵的部件為脈寬調制器。圖3-1 直流PWM傳動系統結構圖 3.2 H橋雙極式逆變器的工作原理脈寬調制器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調節電機轉速。可逆PWM變

13、換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路如圖3-2所示。這時電動機M兩端電壓的極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化。圖3-2 H形雙極式逆變器電路 a.正向電動運行波行b.反向電動運行波形圖3-3 H形雙極式逆變器的驅動電壓電流波形它們的關系是：在一個開關周期內，當晶體管飽和導通而截止，這時在一個周期內正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖3-3所示。電動機的正反轉體現在驅動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機正轉，當正脈沖較窄時，則反轉；如果正負脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動機停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為

14、（3-1）如果定義占空比，電壓系數則在雙極式可逆變換器中 （3-2）調速時，的可調范圍為01相應的。當時，為正，電動機正轉；當時，為負，電動機反轉；當時，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值等于零，不產生平均轉矩，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停止時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區，起著所謂“動力潤滑”的作用。正向運行時見（圖3-3a）：第1階段，在0tton期間，Ub1、Ub4為正，VT1、VT4導通，Ub2、Ub3為負，VT2、VT3截止，電流id沿回路1流

15、通，電動機M兩端電壓UAB=+Us；第2階段，在tontT期間，Ub1、Ub4為負，VT1、VT4截止，VD2、VD3續流，并使VT2、VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動機M兩端電壓UAB=-Us;反向運行時見（圖3-3b）：第1階段，在0tton期間，Ub2、Ub3為負，VT2、VT3截止，VD1、VD4續流，并使VT1、VT4截止，電流-id沿回路4流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us;第2階段，在tontT期間，Ub2、Ub3為正，VT2、VT3導通，Ub1、Ub4為負，使VT1、VT4保持截止，電流-id沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB=-Us。雙極式控制的橋式可逆PWM變

16、換器的優點：1）電流一定連續。2）可使電動機在四象限運行。3）電動機停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區。4）低速平穩性好，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中，四個開關管器件可能處于開關狀態，開關損耗大，而且在切換時可能發生上、下橋臂直通的事故。為防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間設置邏輯延時。3.3 PWM調速系統的靜特性由于采用了脈寬調制，電流波形都是連續的，因而機械特性關系式比較簡單，電壓平衡方程如下 按電壓平衡方程求一個周期內的平均值，即可導出機械特性方程式，電樞兩端在一個周期內的電壓都是，平均電流用表示，平均轉速，而電樞電

17、感壓降的平均值在穩態時應為零。于是其平均值方程可以寫成則機械特性方程式4 主電路方案和控制系統主電路選用直流脈寬調速系統，控制系統選用轉速、電流雙閉環控制方案。主電路采用25JPF40電力二極管不可控整流，逆變器采用帶續流二極管的功率開關管IGBT構成H型雙極式控制可逆PWM變換器。其中屬于脈寬調速系統特有的部分主要是UPM、邏輯延時環節DLD、全控型絕緣柵雙極性晶體管驅動器GD和PWM變換器。系統中設置了電流檢測環節、電流調節器以及轉速檢測環節、轉速調節器，構成了電流環和轉速環，前者通過電流元件的反饋作用穩定電流，后者通過轉速檢測元件的反饋作用保持轉速穩定，最終消除轉速偏差，從而使系統達到調

18、節電流和轉速的目的。該系統起動時，轉速外環飽和不起作用，電流內環起主要作用，調節起動電流保持最大值，使轉速線性變化，迅速達到給定值；穩態運行時，轉速負反饋外環起主要作用，使轉速隨轉速給定電壓的變化而變化，電流內環跟隨轉速外環調節電機的電樞電流以平衡負載電流。H橋式可逆直流脈寬調速系統主電路的如圖4-1所示。PWM逆變器的直流電源由交流電網經不控的二極管整流器產生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓由于電容量較大，突加電源時相當短路，勢必產生很大的充電電流，容易損壞整流二極管。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電阻R0（或電抗），合上電源以后，延時用開關將R0短路，以免在運行中

19、造成附加損耗。濾波電容器往往在PWM裝置的體積和重量中占有不小的份額，因此電容量的選擇是PWM裝置設計中的重要問題。但對于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當電機制動時吸收運行系統動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮流電阻Rb消耗掉這些能量，在泵升電壓達到允許值時接通VT5。圖4-1：橋式可逆直流脈寬調速系統主電路的原理圖4.1 PWM變換器的選用PWM變換器有可逆和不可逆兩類。可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種。由于題目要求須事先電動機可逆運行，故本設

20、計選用帶續流的絕緣柵雙極晶體管IGBT構成H型雙極性控制PWM變換器。其中，電源電壓Us選用不可控電力二極管25JPF40整流提供，并采用大電容C進行濾波。功率管開關管應承受2Us的電壓，為此選用FGA25N120AN絕緣柵雙極晶體管IGBT并接在功率開關管兩端二級管用在IGBT關斷時為電樞回路提供釋放電感儲能的續流。FGA25N的參數：Vce=200V，Ic=15A。選用10CTF30型電力二極管，If=10A，Urm=300V。采用單相交流220V供電，變壓器二次電壓為67V，橋式整流二極管最大反向電壓大于電源的幅值的2倍，最大整流電流按2倍額定電流考慮。選25JPF40，If=25A，U

21、rm=400V。整流橋輸出端所并接的電容作用濾除整流后的電壓紋波，并在負載變化時保持電壓平穩。另外，當脈寬調速系統的電動機減速或停車時，貯存在電動機和負載轉動部分的動能將由電容器吸收，所以所用的電容較大，這里選用4000uf，電壓按大于2倍電壓選擇。4.2 傳感器以及測速發電機的選用由于題目要求需要對電流進行采樣，故此這里我們選用霍爾電流傳感器HNC-025A，HNC-025A傳感器所能測量的額定電流為 5A、6A、8A、 12A、25A，當原邊導線經過電流傳感器時，原邊電流 IP會產生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯氣隙周圍，內置在磁芯氣隙中的霍爾電片可產生和原邊磁力線成正比的，大小僅為幾毫伏的

22、感應電壓，通過后續電子電路可把這個微小的信號轉變成副邊電流 IS，并存在以下關系式：IS* NS= IP*NP。在外環中，我們需要有速度的反饋，這里我們選用永磁式ZYS231/110型作為測速機，實驗數據：Ptn=23.1W，Utn=110V，Itn=0.21A，Ntn=1900r/min。4.3 驅動電路選用驅動電路的作用是將控制電路輸出的PWM信號放大至足以保證IGBT可靠導通或關斷的程度。同時具有實現主電路與控制電路相隔離、故障后自動保護及延時等功能。這里我們選用上海馬克電氣公司的AST96X 系列的MAST5-2C-U12型IGBT驅動板 ，AST96X 為單路光電耦合隔離帶短路、欠壓

23、和過壓保護功能的 IGBT 驅動模塊； MAST 系列為 1 7 路、帶隔離電源的 IGBT 驅動板，易于使用，對供電電源要求低，適用 600V 1700V 的各種不同類型 IGBT 驅動；兩者均提供 電流源或電壓源電阻兩種驅動方式，具有單電源供電、輸入電壓范圍寬、內置正負電壓發生器以及電壓濾波器、內置短路保護電路、內置驅動欠壓和過壓保護電路、內置 VCE 檢測的快恢復高壓二極管、內置光電耦合器以傳輸驅動保護故障信號、內置柵極過壓箝位元件等特點。MAST5-2C-U12是為控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC 之中，使外圍器件成本降低，整機可靠性提

24、高。該產品為大規模集成基極驅動電路，可對IGBT實現較理想的基極電流優化驅動和自身保護。4.4 調節器的選擇根據題目要求我們嘗試用P調節器進行動態校正，但是存在靜差，PI調節器可以進一步提高穩態性能，達到消除穩態速差的地步。在單閉環調速系統中，電網電壓擾動的作用點離被調量較遠，調節作用受到多個環節的延滯，因此單閉環調速系統抵抗電壓擾動的性能要差一些。雙閉環系統中，由于增設了電流內環，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器，并且這里我們采用PI調節器。4.5 脈寬調制器選用脈寬調制器用于產

25、生控制PWM變換器的功率器件通斷的PWM信號。常用種類有：模擬式、數字式和專用集成電路。這里選用美國德克薩斯儀器公司TL494專用集成電路作為雙端輸出型脈寬調制器，其載波為鋸齒波信號，振蕩頻率，其中和取值范圍：，。 雙閉環調節器的設計5.1 電流環的設計（1）確定常數時間常數1）整流裝置滯后時間常數常數2）電流濾波時間常數3）電流環小時間常數之和（2）選著電流調節器結構1）根據設計要求，并保證穩態電流無差，可按典型I型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節器，其傳遞函數為 (5-1)檢查對電源電壓的抗擾性能：，滿足典型I型系統動態抗擾性能，各項指標都是可以接受的

26、。（3） 計算電流調節器參數電流調節器超前時間常數：。電流環開環增益：要求時，應取，因此 (5-2)于是，ACR的比例系數為 (5-3)（4） 校驗近似條件電流環截止頻率：1) 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件 滿足近似條件2） 校驗忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件 滿足近似條件3） 校驗電流環小時間常數近似處理條件滿足近似條件（5） 計算調節器電阻和電容按所用運算放大器取，則各電阻和電容值計算如 取 取 取 （6） 按照上述參數，電流環可以達到的動態指標為，故滿足設計要求。5.2轉速環的設計（1）確定時間常數1） 電流環等效時間常數為。2） 轉速濾波時間常數。3） 轉速環小時間常數

27、。按小時間常數近似處理，取。（2） 選擇轉速調節器結構按設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數為 (5-4)（3） 計算轉速調節器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數為由轉速環開環增益 (5-5)于是，可求得ASR的比例系數為 (5-6)（4） 校驗近似條件由轉速環截止頻率為 (5-7)1) 電流環傳遞函數簡化條件 滿足簡化條件2) 轉速環小時間常數近似處理條件 滿足近似條件（5） 計算調節器電阻和電容 取，則 取 取 取 （6）校核轉速超調量當時，查表可知，不能滿足設計要求。實際上在校驗中是按照線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統煩人前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。5.3轉速超調量校驗(1)超調量的計算當時，而,因此 可見轉速超調量滿足要求。