直流双闭环调速系统(课程设计)[1]

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1、目录第一章 摘要 1第二章 直流调速系统的方案设计 22.1设计技术指标要求 22.2 现行方案的讨论与比较 22.3 选择PWM控制调速系统的理由 32.4 采用转速、电流双闭环的理由 3第三章 PWM控制直流调速系统主电路设计 43.1 主电路结构设计 43.1.1 PWM变换器介绍 43.1.2 泵升电路 93.2 参数设计 103.2.1 IGBT管的参数 103.2.2 缓冲电路参数 103.2.3 泵升电路参数 11第四章 参数计算 124.1 电流调节器的设计 124.2 速度调节器设计 13课程设计总结 16参考文献 17直流电动机双闭环调速系统的设计摘要 在电气时代的今天，电

2、动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。本文基于PWM的双闭环直流调速系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。首先描述了变频器的发展历程，提出了PWM调速方法的优势，指出了未来PWM调速方法的发展前景，点出了研究PWM调速方法的意义。应用于直流电机的调速方式很多，其中以PWM变频调速方式应用最为广泛，

3、而PWM变频器中，H型PWM变频器性能尤为突出，作为本次设计的基础理论，本文将对PWM的理论进行详细论述。在此基础上，本文将做出SG3525单片机控制的H型PWM变频调速系统的整体设计，然后对各个部分分别进行论证，力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。 关键词：直流调速 ；双闭环 ；PWM ；SG3525 ；直流电机第二章 直流调速系统的方案设计2.1 设计技术指标要求1.直流电动机：型号：DJ15功率：485W电枢电压：220V电枢电流：1.2A额定转数：1600rpm2.调速范围：1：12003.起动时超调量：电流超调量:；转速超调量: 2.2 现行方案的讨论与比较直流电动机的调速方法

4、有三种：（1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。（2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。（3）改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空

5、载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。（2）静止可控整流器。用静止的可控

6、整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。2.3 选择PWM控制系统的理由脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（Silicon General）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。PWM系统在很多方面具有较大的优越性 ：1）PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。3

7、）低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：10000左右。4）如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。5）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。 6）直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中，PWM调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。 2.4 采用转速电流双闭环的理由

8、同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后

9、，调节作用才能产生，因此动态误差较大。在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。 第三章 PWM控制直流调速系统主电路设计3.1 主电路结构设计3.1.1 PWM变换器介绍脉宽调速系统的

10、主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。PWM变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。下面分别对各种形式的PWM变换器做一下简单的介绍和分析。不可逆PWM变换器分为无制动作用和有制动作用两种。图2-1（a）所示为无制动作用的简单不可逆PWM变换器主电路原理图，其开关器件采用全控型的电力电子器件。电源电压一般由交流电网经不可控整流电路提供。电容C的作用是滤波，二极管VD在电力晶体管VT关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。图2-1 简单的不可逆PWM变换器电路（a）原理图 （b）电压和电流波型电力晶体管VT的基极由频率为f，其脉冲宽度可调的

11、脉冲电压驱动。在一个开关周期T内，当时，为正，VT饱和导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；当时，为负，VT截止，电枢失去电源，经二极管VD续流。电动机电枢两端的平均电压为 式中，PWM电压的占空比，又称负载电压系数。的变化范围在01之间，改变，即可以实现对电动机转速的调节。 图2-1（b）绘出了稳态时电动机电枢的脉冲端电压、平均电压和电枢电流的波型。由图可见，电流是脉动的，其平均值等于负载电流（负载转矩， 直流电动机在额定磁通下的转矩电流比）。由于VT在一个周期内具有开关两种状态，电路电压平衡方程式也分为两阶段，即在期间 在期间 式中，R，L电动机电枢回路的总电阻和总电感；E电动机的反电

12、动势。PWM调速系统的开关频率都较高，至少是14kHz，因此电流的脉动幅值不会很大，再影响到转速n和反电动势E的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视n和E为恒值。这种简单不可逆PWM电路中电动机的电枢电流不能反向，因此系统没有制动作用，只能做单向限运行，这种电路又称为“受限式”不可逆PWM电路。这种PWM调速系统，空载或轻载下可能出现电流断续现象，系统的静、动态性能均差。图2-2（a）所示为具有制动作用的不可逆PWM变换电路，该电路设置了两个电力晶体管VT1和VT2，形成两者交替开关的电路，提供了反向电流的通路。这种电路组成的PWM调速系统可在第I、II两个象限中运行。VT1和VT2的基极驱动

13、信号电压大小相等，极性相反，即。当电动机工作在电动状态时，在一个周期内平均电流就为正值，电流分为两段变化。在期间，为正，VT1饱和导通；为负，VT2截止。此时，电源电压加到电动机电枢两端，电流沿图中的回路流通。在期间，和改变极性，VT1截止，原方向的电流沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使VT2不可能导通。因此，电动机工作在电动状态时，一般情况下实际上是电力晶体管VT1和续流二极管VD2交替导通，而VT2则始终不导通，其电压、电流波型如图2-2（b）所示，与图2-1没有VT2的情况完全一样。如果电动机在电动运行中要降低转速，可将控制电压减小，使的正脉冲变窄，负

14、脉冲变宽，从而使电动机电枢两端的平均电压降低。但是由于惯性，电动机的转速n和反电动势E来不及立刻变化，因而出现的情况。这时电力晶体管VT2能在电动机制动中起作用。在期间，VT2在正的和反电动势E的作用下饱和导通，由E产生的反向电流沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，一部分能量消耗在回路电阻上，一部分转化为磁场能存储在回路电感中，直到t=T为止。在（也就是）期间，因变负，VT2截止，只能沿回路4经二极管VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上产生的压降使VT1承受反压而不能导通。在整个制动状态中，VT2和VD1轮流导通，VT1始终截止，此时电动机处于发电状态，电压和电流波型图2-2（c）。反

15、向电流的制动作用使电动机转速下降，直到新的稳态。图2-2 具有制动作用的不可逆PWM变换电路这种电路构成的调速系统还存在一种特殊情况，即在电动机的轻载电动状态中，负载电流很小，在VT1关断后（即期间）沿回路2径VD2的续流电流很快衰减到零，如在图2-2（d）中的期间的时刻。这时VD2两端的压降也降为零，而此时由于为正，使VT2得以导通，反电动势E经VT2沿回路3流过反向电流，产生局部时间的能耗制动作用。到了期间，VT2关断，又沿回路4经VD1续流，到时衰减到零，VT1在作用下因不存在而反压而导通，电枢电流再次改变方向为沿回路经VT1流通。在一个开关周期内，VT1、VD1、VT2、VD1四个电力

16、电子开关器件轮流导通，其电流波形示图2-2（d）。综上所述，具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的调速系统，电动机电枢回路中的电流始终是连续的；而且，由于电流可以反向，系统可以实现二象限运行，有较好的静、动态性能。可逆PWM变换器主电路的结构形式有T型和H型两种，其基本电路如图2-3所示，图中（a）为T型PWM变换器电路，（b）为H型PWM变换器电路。 图2-3 可逆PWM变换器电路 （a）T型 （b）H型 T型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于50V的电动机的可控电压源；但是T型电路需要正负对称的双极性直流电源，

17、电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为H型电路的一半。H型电路是实际上广泛应用的可逆PWM变换器电路，它由四个可控电力电子器件（以下以电力晶体管为例）和四个续流二极管组成的桥式电路，这种电路只需要单极性电源，所需电力电子器件的耐压相对较低，但是构成调速系统的电动机电枢两端浮地。H型变换器电路在控制方式上分为双极式、单极式和受限单极式三种，本次设计我们选择双极式H型可逆PWM变换器。主电路如图2-5所示。图2-5 H桥主电路3.1.2 泵升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变成电能，并通过P

18、WM变换器回馈给直流电源。当直流电源功率二极管整流器供电时，不能将这部分能量回馈给电网，只能对整流器输出端的滤波电容器充电而使电源电压升高，称作“泵升电压”。过高的泵升电压会损坏元器件，因此必须采取预防措施，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2-6所示。 图2-6 泵升电压限制电路当滤波电容器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。这种办法简单实用，但能量有损失，且会使分流电阻R发热，因此对于功率较大的系统，为了提高效率，可以在分流电路中接入逆变，把一部分能量回馈到电网中去。但

19、这样系统就比较复杂了，我们就不选择这种方式了。3.2 参数设计3.2.1 IGBT管的参数IGBT（Insulated Gate Bipolor Transistor）叫做绝缘栅极双极晶体管。这种器件具有MOS门极的高速开关性能和双极动作的高耐压、大电流容量的两种特点。其开关速度可达1mS，额定电流密度100A/cm2，电压驱动，自身损耗小。其符号和波形图如图2-6所示。设计中选的IGBT管的型号是IRGPC50U,它的参数如下：管子类型：NMOS场效应管极限电压Vm：600V极限电流Im：27 A耗散功率P：200 W 额定电压U：220V额定电流I：1.2A图2-7 IGBT信号及波形图3

20、.2.2 缓冲电路参数如图2-3(b)所示，H桥电路中采用了缓冲电路，由电阻和电容组成。 IGBT的缓冲电路功能侧重于开关过程中过电压的吸收与抑制，这是由于IGBT的工作频率可以高达30-50kHz；因此很小的电路电感就可能引起颇大的，从而产生过电压，危及IGBT的安全。逆变器中IGBT开通时出现尖峰电流，其原因是由于在刚导通的IGBT负载电流上叠加了桥臂中互补管上反并联的续流二极管的反向恢复电流，所以在此二极管恢复阻断前，刚导通的IGBT上形成逆变桥臂的瞬时贯穿短路，使出现尖峰，为此需要串入抑流电感，即串联缓冲电路，或放大IGBT的容量。缓冲电路参数：经实验得出缓冲电路电阻R=10K；电容。

21、3.2.3 泵升电路参数 如图2-6所示，泵升电路由一个电容量大的电解电容、一个电阻和一个VT组成。泵升电路中电解电容选取C=2000；电压U=450V；VT选取IRGPC50U 型号的IGBT管；电阻选取R=20。第四章 参数计算4.1电流调节器的设计按所用运算放大器取=20K，电枢回路总电阻R=20ACR积分时间常数， 电流环开环增益：要求时应取因此 于是，ACR的比例系数为 计算控制器的电阻电容值 ,取50K 如图5-1所示，为电流调节器的结构图。图4-1电流调节器的结构图4.2速度调节器设计在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节。为此，需求出它的等效传递

22、函数： 近似条件: 用电流环的等效环节代替电流闭环后，整个转速调节系统的动态结构图如4-8（a）所示。把给定滤波和反馈滤波环节等效地移到环内，同时将给定信号改为U*n(s)/；再把时间常数为Ton和2Ti的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为Tn的惯性环节，且Tn=Ton+2TI,，则转速环结构图可转化成图4-8（b）。图4-8 转速环的动态结构图要把转速环校正成典型型系统，ASR也应采用PI调节器，其传递函数为 式中 Kn转速调节器的比例系数; n转速调节器的超前时间常数。 转速调节环选用典型型系统的原因：1). 系统在负载扰动作用下，动态速降要小。2). ST饱和时，速度环退饱和超

23、调量不大。 3). 速度环基本上是恒值系统。参数计算：按所用运算放大器取=20K 电流反馈系数：=0.5v/A 转速反馈系数：=0.007vmin/r =0.132vmin/r =0.18s 电枢回路总电阻R=20 =0.0234s 0.01s转速控制器的积分时间常数 一般选h=5 根据公式 经计算得出= 2.17 ； 转速控制器电阻电容值取50K如图6-2所示，为转速调节器的结构图。图4-2 转速调节器的结构图课程设计总结通过两周的课程设计，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。通过这次课程设计，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研

24、究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，这也算是这次设计给我的一点小小的感悟。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系。这大大激发了我学习书本知识的兴趣。再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的的工作，还应该考虑到实际情况。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。参考文献1 电力电子技术、电力拖动自动控制系统2 夏得砛，翁贻方.自动控制理论第2版机械工业出版社，20073 陈伯时电力拖动自动

25、控制系统第2版机械工业出版社，20034 王兆安，黄俊电力电子技术第4版机械工业出版社，20075 杨兴姚电动机调速的原理及系统北京水利电力出版社，20036 刘军孟祥忠电力拖动自动控制系统机械工业出版社，20077 王华强. 直流电机调速系统的工程设计方法的探讨. 荆门职业技术学院学报. 20028 吴守箴，藏英杰.电气传动的脉宽调制控制技术M .机械工业出版社，19959 William L.Brogan, Ph.D. Modern Control TheoryNewJersey：Prentice-Hall，Inc.198510 Leonhard W.Control of Electrical Drives.Springer-Verlag，Inc.200111 Kuo B.C.Automatic Control Systems.Prentice-Hall, Inc.200212 工控相关网站