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1、武汉理1:大学课程设计1目录.3.3446.7.18.8.8.9.9.10.10.11.12.13.14.14.14.15.15.15.16.16.17.18.191课题分析1.1 11.2 直流双闭环调速系统.1.3 单极式PWM变换器原理1.4 脉宽调制系统静特性.1.5 PWM调速系统性能指标1 . 5. 1静态性能2 .5.2动态性能2电路设计2.1 主电路设计2.2 双闭环调节器设计.2. 2. 1 ASR 设计3. 2. 2 ACR 设计2.3驱动电路3调节器的参数整定4. 1 ACR参数计算4.2 ASR参数计算4.3 参数的校验4.3.1 电流参数的校验.4.3.2 转速参数的
2、校验.4.3.3 3. 3校验超调量4仿真结果5. 1转速输出4.2电流输出5结果分析结束语参考文献附录摘要对PWM转速电流双闭环调速系统进行了研究，以PWM电力电子变换器产生连续 可调 的直流电源，驱动直流电动机的转速连续可调；选择调节器结构，进行参数计算和近似校 验.并对系统的稳定性、稳态性能和动态性能进行分析，给出其仿真波形。机械特性上通 过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械 特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。工业上PWM控制调速系统已经被广泛地应用，其优点还是日益突现，而带有双闭环 的调速系统更是受到广泛欢迎。在本次
3、设计中，为了使调速达到高精度、高准度的要求， 我使用了电流调节器和转速调节器，以此来组成双闭环，电流环为内环，转速环为外环。 这样的设计能够达到任务要求的静态指标和动态指标。通过对转速电流双闭环直流调速系 统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深 了解的同时能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能, 使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。在电力拖动系统中，调节电枢电压的直流调速是应用最广泛的一种调速方法。本文设 计了一个基于PWM控制的直流调速系统，本系统采用了电流转速双闭环控制，并且设计了 完善的保护措施，既保障了系统的可
4、靠运行，乂使系统具有较高的动、静态性能。PWM控 制技术是一中广泛应用于控制领域的技术，其原理是利用冲量相等而形状相通的窄脉冲加 在具有惯的环节时候，效果基本相通。直流系统调速是由功率晶闸管、移相控制电路、转 速电流双闭环调速电路、积分电路、电流反馈电路、以及缺相和过流保护电路，通常指人 为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。关键词：单极式PWM双闭环无静差可逆直流单极式PWM调速系统设计与仿真1课题分析1概述脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器，脉宽调制，是利用电力电 子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列采用脉冲宽度调制的高频 开关控制方式
5、，形成脉宽调制变换器一直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统或直 流PWM调速系统。相较于V-M调速系统，PWM系统在许多方面有优越性，主电路线路 简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小; 低速性能好，稳态精度高，调速范围宽；若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动 态响应快，动态抗干扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率 适中时.，开关损耗也不大，因而装置效率高。直流电流采用不控整流时，电网功率因素比 相控整流器高。直流脉宽调制系统应用越来越广泛，已经基本取代了晶闸管调速系统，在中、小容量, 并要求高动态性能的电机调速系统中尤
6、为突出。在各类电机调速系统中,由于直流电机具有良好的起动、制动和大范围内实现平滑调 速的性能，直流调压调速技术已广泛运用于工业、航天领域的各个方面.而脉宽调制(PWM) 控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制 方式，最常用的PWM直流调压调速技术具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损 耗低等特点据此，我们可设计一个直流单极式可逆PWM双闭环直流调速系统。1.2 直流双闭环调速系统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， 达到设计的要求。直
7、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吊 级联结，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武汉理1:大学课程设计装置。系统总体的结构图如下图1所示。图1直流双闭环调速系统的结构图1.3 单极式PWM变换器原理脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。直流电动机 PWM控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，乂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PWM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PW
8、M周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。可逆PWM 变换器的输出电压极性是随控制电压极性变化而变化的，因而可组成可逆的直流调速系 统。常见的可逆PWM变换器主电路有H型和T型，本设计采用H型桥式可逆变换器。单 极式可逆PWM变换器电路如图2所示。单极式可逆PWM变换器的驱动脉冲：US =-Ug2, VT1和VT2交替导通（和双极式一样）麴3、改成因电机的转向而施加不同的直流控 制信号。电机正转时，使以3恒为负，四恒为正，则VT3截止而VT4常通。如图3所示，电机反转时，则诙3恒为正，而四,恒为负，使VT3常通而VT4截止。 当控制电压为正即当电机正向电动时，在一个开关周期中有：图2可逆
9、PWM变换器当0W佃时，四1和Ugj为正，晶体管VT1和VT4饱和导通；四？和方3为负，VT2 和VT3截止。这时U = %。当口丁时，UgI变负，VT1和VT3截止,VT4导通；Ug?变正，但VT2仍不通，正向电流沿VD2和VT4续流。这时.二。图3单极式PWM变换器的驱动信号波形由图可得，单极式变换器的输出平均电压是力=畀，可以定义占空比?=号，电压系数片今那么在单极式可逆变换器中Y = P在调速时，夕的可调范围应为。1,而相应的y的范围也应为01。此电路无高频微 振，启动较慢，其低速性能不如双极性的好。单极式变换器的开关损耗要比双极式小， 装置的可靠性提高了。单极式变换器的电力晶体管VT
10、3和VT4两者之中总有一个是常通 的，而另一个是截止的，运行中不用频繁地交替导通。1.4 脉宽调制系统静特性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，平均电流用 表示，平均转速，而电枢电感压降的平均值在稳态时应为零。因为采 用了脉宽调制，电流波形均是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下Ua* + E .（导通时间） atua+E （关断时间） at易得其平均值方程如下y5=R + E = RId +那么可得其机械特性方程式如下： R f _ R 1.5 PWM调速系统性能指标1.5.1 静态性能（1）调速范围电动机在额定负载运行时，提供的最
11、高转速 max与最低转速 mm之比，称为调速范围,用符号D表示，一般以电动机的额定转速ILV作为最高转速，若额定负载下的转速降落为 心，则可得调速范围与静差率之间的关系为:（式 1.2）D =A72.V（l-5）（2）静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落与理 想空载转速之比。当值一定，如果对静差率要求越高，即要求s值愈小时，系统能够允 许的调速范围也愈小，一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的 转速可调范围。S = 2_X 100% =2二乜 X100%1.5.2 动态性能控制系统的动态性能指标包括两项，对给定信号的跟随性能指标和对扰动
12、输入信号的 抗扰性能指标，设置调节器目的是改善系统的静态和动态性能指标。1 .跟随性能指标上升时间在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值心所 经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。超调量在阶跃响应过程中，超过以后，输出量有可能继续增加，到峰值时间 时达到最大值Ca，然后回落。Ca超过稳态值的的百分数称作超调量，超调量反映系 统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。调节时间调节时间乂称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。理论上 要到，=8才稳定，为了在线性系统阶跃响应曲线上表示调节时间，认定稳态值的5% （或 取2%）的范围作为允许
13、误差带，以输出量达到并不再超过该误差带所需的时间定义为调 节时间。显然，调节时间既反映了系统的快速性，也包含着它的稳定性。2 .抗扰性能指标常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间，系统中扰动量的作用点通常不同于给定 量的作用点，因而系统的抗扰动态性能指标也异于跟随动态性能指标。动态降落Cw，系统稳定运行时，突加一定数值的扰动（如额定负载扰动）后引起 转速的最大降落值ACnux叫做动态降落。18武汉理1:大学课程设计恢复时间“，从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值Co2之差 进入某基准量的5% （或2%）范围之内所需的时间，定义为恢复时间”，其中以称 为抗扰指标中输出量的基准值
14、。一般而言，调速系统的动态指标应以抗扰性能为主。但在实际系统中，对于各种动 态指标的要求情况各异，必须根据生产机械的具体要求来设计。2电路设计2.1 主电路设计为了实现直流调速系统快速起制动，突加负教动态速降小，在系统中能够随心所欲地 控制电流和转矩的动态过程。合上电源后，用延时开关将Rz短路，以免在运行中造成附 加损耗。势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，可逆直流脉宽调速系统主电路 的如图4所示。变换器的直流电源由二极管整流器产生，并采用大电容滤波，以获得恒 定的直流电压，U,由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只 好对滤波电容充电，这式电容器两端电压升高称作
15、“泵升电压”。图4 PWM调速系统主电路2.2 双闭环调节器设计按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外环扩展。在 双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，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。主回路对转速进行调节，副回路对电流进行调节。为了实现 闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较。2.2.1 ASR 设计为实现转速无静差，设计系统成典型H型系统，转速调节器ASR采用PI调节器，根 据和电流环一样的原理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。转速反 馈电路如图7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
16、需要滤波， 111初始条件知滤波时间常数Q =0.012s o图5 Pl型ASR2.2.2 ACR 设计为使在突加控制作用时电流没有太大的超调，电流环以跟随性能为主，稳态无静差， 将电流内环校正成典型I型系统，电流调节器ACR采用PI调节器。电流检测中常常含有 交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。，为了平衡反馈通路中的滤波环 节带来的延迟作用，电流调节器和转速调节器的输入都加入了同等时间常数的滤波环节. 此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数7； =0.002s,以 滤平电流检测信号为准。18图6 Pl型电流调节器23驱动电路一般而言，IGBT驱动可选用
17、芯片IR2110, IR2110采用DIP封装，有14个引出端, 排列如下图7所示。NC匚2HOVdd匚JUBHIN匚nusSD匚口 NcLIN匚JVccVss匚ZLcomNC匚ZLLO图7 IR2110引脚图芯片各引脚功能如下：脚1(LO)是低端通道输出，脚2 (COM)是公共端，脚3 (Vss)是低端固定电源电压，脚5 (Us)是高端浮置电源偏移电压，脚6(Ub)是高端浮置 电源电压；脚7 (HO)是高端输出，脚9 (VDD)是逻辑电路电源电压，脚10 (HIN)、脚 11 (SD)、脚12 (LIN)均是逻辑输入，脚13 (Vss)是逻辑电路地电位端外加电源电压， 其值可以为0V,脚4、
18、脚8、脚14均为空端。IR2110具有独立的高端和低端输出通道；浮置电源采用自举电路，其工作电压可达 500V, du/dt=50V/ns,在15V下的静态功耗仅有L6mW。IGBT驱动电路如图8所示。 输出的栅极驱动电压范围为1020V,逻辑电源电压范围为515V,逻辑电源地电压偏移 范围为一5V+5V。IR2110采用CMOS施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。推挽式驱动输出峰值电流N2A,负载为lOOOpF时,开关时间典型值为25ns。两路匹配传输导通延时为120ns,关断延时为94ns0图8 IGBT驱动电路3调节器的参数整定单刀双掷开关控制电机转向，滑动变阻器RPK RP2分别调节
19、正反转时的转速，RP3可以改变电流的限幅值，下面分别进行各个参数的计算。可得转速反馈系数a = - = )= 0.01V minnN 1000电流反馈系数10=0.12 V/A在计算调节器参数前，先根据额定参数计算电动机电动势系数，额定状态运行时有易得C.=g/=220 一 55x0.2 = 9 V . nin nz1000在此设定所有运算放大器的ROMOk。，电枢回路电磁时间常数为T：=0. 03s, T =0. 18s, 并设定电力电子变换器的内阻为Rr“二0.8Q。所以可得超前时间常数八二工二0.03s,回路总 电阻为R=0. 8+0. 2=1 Q o设定PWM控制电路的放大系数为K=4
20、0o电流允许过载倍数入=1. 5。 给定电压设为10Vo3.1 ACR参数计算分析可得电流滤波时间常数Toi=0. 002s,通过查阅相关资料可得PWM调压系统的滞后时间Ts=0.0001s,电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，实际系统不允许电枢 电流有太大的超调，而且要求系统电流无静差，为此，电流环应一跟随性能为主，可选用 典型I型系统。好二=7； + Q = 0. 0001 + 0. 002 = 0. 0021s 可取传递函数为：因要求5 v5%,对电流开环增益，应取（7yl =0.5,于是0.50.5K = 238.15TZi 0.0021 s于是电流调节器的比例系数:Krt.R
21、0. 03 x 140 x 0. 12一-二=238. 1 x = 1.49据此比例系数可得，取运放的RoFOkQ,各电阻和电容值:& = K,R0 =1.49 x 40 = 59.6m ,取 60KQC 二=5= 0.5x10-5F= 0.5 0.9谊07瓢002 - -Rq 40x10003. 2 ASR参数计算确定时间常数，电流环等效时间常数27yj=O.OO42s。转速滤波时间常数，根据测 速发电机的纹波情况取& =0.。15;对于转速环小时间常数7yli,按小时间常数尽速处理取T n =2T +Ton = 0.042 + 0.01 =0。142s 2根据设计要求，转速环应该设计为典型
22、II型系统，调节器也应采用PI型，其传递函 数为%（s）= K 亡1却s为使跟随性和抗干扰性能都较好，可取力=5。那么ASR超前时间常数=5x0.0142 = 0.071s转速环开环增益=2x25x0.0142-=595J2则ASR的比例系数为K _(a + 1)97； _ 6x0.12x0.209x0.18 二国1 2haRTZn 2x5xlx0.01x0.0142,由运放q=40!可得，各电阻和电容值计算如下:Rn=KnRQ =19.1x40 = 764m,取 750k CCn=L=(X()71 = 0.094尸，取 O.luF& 750 x1000con =4Tw/?o =(4x0.01
23、/40)xl03 =1/F,取 luF3. 3参数的校验3.1.1 电流参数的校验首先校验近似条件，电流环截止频率5=K/=238.Ls，t,然后校验PWM调压系统传 递函数的近似条件是否满足。37；由于一=3333.33 Q，故满足近似条件。37； 3x0.0001校验忽略反电动势近似条件% 3正。这里3倍=3 =272 ,明显满足条件。3 7口 3 V0.000lx0.002根据上述参数，电流环满足动态设II指标要求和近似条件。3.1.2 转速参数的校验首先校验近似条件，转速环截止频率4 = 595.12x0071 =42.25。这里校验电流环传递函数简化条件是否满足“ 阳，满足近似条件。
24、 5x0.0021校验小时.间常数近似处理条件4,明显满足条件。3.1.3 校验退饱和转速超调量突加阶跃给定时.，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重 新计算超调量，在h=5时，查表可知，3 n=37. 6%,不能满足设计要求。实际上这是按线 性系统计算的。55 x 1则 q =z）也殳=2x81.2%x 1.5x21x = 5.06% 10%。Chn Tm10000.18由此可得，系统各项性能指标都能满足设计要求，可行且实用，可使系统达到快速、 准确和稳定。4仿真结果4.1转速输出图9转速输出4.2电流输出图10输出电流波形5结果分析转速调节器，转速调节器是调速系统的
25、主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压 Un*的变化，稳态时可减小转速误差，采用PI调节器课实现无静差。对负载变化起抗扰作 用。其输出幅值决定电动机允许的最大电流。电流调节器，作为内环调节器，在转速外环调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随 其给定电压Ui*变化。对电网电压的波动起及时抗扰作用。在转速动态过程中，保证获得 电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的 最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常，这样有利于系 统的可靠运行。双环调速系统原理分析，ASR根据转速给定Un*和转速反馈Un的偏差进行调节，其输 出作为电流给定Ui*
26、,对于直流电动机，控制电枢电流对应控制电磁转矩，因而可以控制 转速。ACR根据电流给定Ui*和电流反馈Ui的偏差进行调节，输出作为UPE的控制信号Uc, 进而调节UPE的输出，即电机的电枢电压。结束语通过本次课程设计，我的课题设计能力有了提高，对MATLAB仿真也有了更多经验。 随着科技不断发展进步，电力拖动控制系统也同我们的生产生活息息相关，在我们的生产 机械中扮演着十分重要的角色。按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、 恒流升速阶段和转速调节阶段。从起动时间上看，1【阶段恒流升速是主要的阶段，因此双 闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱
27、和非线性控制方法，达到“准 时间最优控制”。实验结果表明经过该设计系统改进，与其为单闭环系统相比：机械特性 偏硬，快速起制动，突加负载动态速将小。功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时 开关损耗也不大， 因而装置效率较高，直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。为使系统 的稳态性能更好，该系统采用无静差调节，即转速调节器采用比例积分调节器，使系统保 证恒速运行，以保证满足更严格的生产要求。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术等领域最 广泛应用的控制方式。在这个过程中我认真查阅了大量资料和工具书增长了我的知识，开 阔了我的视野。不过我看得更多的还是教材，万变不离其宗，对任何一个设计其基本原理 最终都可以在书本上找到答案。参考文献1黄家善等.电力电子技术.北京.机械工业出版社，2007.2王离九.电力拖动自动控制系统.武汉.华中理工大学出版社，2005.3陈伯时.运动控制系统.北京.机械工业出版社，2003.4曾毅.现代运动控制系统工程.北京.机械工业出版社，2006.5周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真.北京.中国电力出版社，2007附录1 MATLAB仿真图Constant0尊12电路连接图3 PI转速调节器4 PI电流调节器5单极式脉宽调制电路