PWM直流双闭环调速系统设计.doc

运动控制系统大作业直流PWM双闭环调速系统，基本数据如下：（1） 直流电机：额定功率185W，额定电枢电压220VDC，额定电枢电流1.25A，励磁电压220VDC，励磁电流0.16A，额定转速1500rpm，额定转矩12000gcm，允许过载倍数1.2；（2） PWM变换器：占空比15%-85%；（3） 时间常数：电磁时间常数10ms,机电时间常数87ms；（4） 控制器的最大输入/输出电压均不超过3V设计要求：（1） 静态指标,转速/电流无静差；（2） 动态指标，电流超调不超过5%；空载启动到额定转速时的转速超调不超过10%。请完成转速调节器、电流调节器的设计、理论仿真和调试。1.双闭环调速系统的结构图 直流双闭环调速系统的结构图如图所示，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。双闭环调速系统的结构图2.电路设计H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图所示。PWM逆变器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容滤波，以获得恒定的直流电压。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，这时电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rz消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VTz。H桥式直流脉宽调速系统主电路四单元IGBT模块型号：20MT120UF 主要参数如下：=1200V =16A =100 2.1给定基准电源此电路用于产生15V电压作为转速给定电压以及基准电压，如图所示：给定基准电源电路2.2 双闭环调节器电路设计为了实现闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较，决定调节器的输出，反馈的关键是对被控量进行采样与测量。2.2.1 电流调节器由于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。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，以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。图2-3 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器2.2.2 转速调节器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。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。3.调节器的参数整定本设计为双闭环直流调速系统电路基本数据如下1)电磁时间常数；2)机电时间常数；3)触发整流环节的允许过载倍数=1.2； 设计指标：1)静态指标：无静差；2)动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量。计算反馈关键参数： Ct=T/Ia=0.9408Ce=Ct/9.55=0.0985V.min/rnN=(UN-IN*R)/Ce R=57.78= Unm/nN=0.002V/(r/min)=Uim/Idm=2V/A3.1电流环的设计1）确定时间常数PWM装置滞后时间常数：Ts=0.0017s。电流滤波时间常数:。T=0.0017+0.002=0.0037s (和一般都比小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)。2）选择电流调节器结构可按典型型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的，其传递函数为 式中 电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数。3）选择电流调节器的参数ACR超前时间常数；改电流环开环时间增益:要求，故应取，因此 于是，ACR的比例系数为: 4）校验近似条件电流环截止频率: （1）晶闸管装置传递函数近似条件： 即 满足近似条件；（2）忽略反电动势对电流环影响的条件： 即 满足近似条件；（3）小时间常数近似处理条件： 即 满足近似条件。5）计算调节器电阻和电容 调节器输入电阻为，各电阻和电容值计算如下 取 ，取 ，取 3.2 转速环的设计1）确定时间常数（1）电流环等效时间常数 （2）转速滤波时间常数 （3）转速环小时间常数近似处理 2）选择转速调节器结构按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型型系统选用设计PI调节器，其传递函数为 3）选择调节器的参数根据跟随性和抗干扰性能都较好的原则取，则ASR超前时间常数为 转速开环增益： ASR的比例系数： 4）近似校验转速截止频率为： （1）电流环传递函数简化条件： 现在 满足简化条件。（2）小时间常数近似处理条件： 现在 满足近似条件。5）计算调节器电阻和电容调节器输入电阻 ，则，取125 ，取0.5 ，取0.5 6）检验转速超调量当h=5时，查表得，=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于这是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，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。设理想空载起动时，负载系数z=0。 当h=5时， 而 因此 满足设计要求。