电力拖动自动控制系统课程设计报告PWM控制双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计.docx

电力拖动自动控制系统课程设计报告

PWM控制双闭环可逆直流
调速系统设计

学 院： 信息工程学院
学 号：
专业（方向）年级：
学 生 姓 名：

扬州大学信息工程学院
年 月 日

目录
1. 课程设计任务书 1
2．课程设计技术报告 3
2.1 方案确定 3
2.1.1 方案选定 3
2.1.2 桥式可逆PWM变换器工作原理 3
2.1.3 系统控制电路图 6
2.1.4 双闭环直流调速系统静态分析 6
2.1.5 双闭环直流调速系统稳态结构图 7
2.2 硬件结构 9
2.2.1 主电路 9
2.2.2 泵升压限制 11
2.3 主电路参数计算及元件选择 12
2.3.1 整流二极管选择 12
2.3.2 绝缘栅双极晶体管选择 12
2.4调节器参数设计和选择 13
2.4.1 电流环的设计 13
2.4.2 转速环的设计 16
2.4.3 反馈单元 18
2.5 系统动态结构图 19
2.6 系统仿真
3．心得体会 20
4. 参考资料

1、课程设计任务书
1.1、题目
PWM控制双闭环可逆直流调速系统设计
1.2、设计目的和意义
（1）、通过对电力拖动控制系统的设计，了解电力电子、自动控制原理及电力拖动自动控制系统课程所学内容，初步具备设计电力拖动自动控制系统的能力，为今后从事技术工作打下必要的基础。
（2）、运用《电力拖动控制系统》的理论知识设计出满足任务书要求的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。
1.3、技术数据
（1）、他励直流电动机的参数：电枢电阻Ra=1.64，电枢回路总电感L=10.2mH，额定电流=6A，额定电压=110V。额定转速 n=1000r/min，电流过载倍数λ=2。励磁电压110V，励磁电流0.4A。转动惯量0.0468kg.m2,磁场与电枢互感2.17。
（2）、电枢回路总电阻R=2Ω,调速系统的最小负载电流=1A。
（3）、稳定指标，无静差。
动态指标，
（5）、空载起动到额定转速时转速超调量
（6）、给定电压最大值为±10V。
1.4、设计任务
（1）总体方案的确定；
（2）主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；
（3）系统原理图、稳态结构图、动态结构图；
（4）电流环、转速环的参数的设计；
（5）根据电流环、转速环的参数构建仿真模型；
（6）进行MATLAB仿真；

2、课程设计技术报告
2.1、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。
ASR
ACR
PWM

¦β
R
1/Ce
¦α
Un*
Ui*
n
I
d
-
-

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：。在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。当时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图2所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，，则的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，，平均输出电压为零，则电动机停止。
双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为

如果定义占空比，电压系数
则在双极式可逆变换器中

调速时，的可调范围为0～1相应的。当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，，电动机停止。但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。
2.1.3 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
.

按电压平衡方程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。于是其平均值方程可以写成

则机械特性方程式

2.1.4 双闭环直流调速系统的稳态结构图
首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图4所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。

图4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。如图5为双闭环直流调速系统原理.

图5 双闭环直流调速系统原理图
2.2、硬件结构
双闭环直流调速系统主电路中的 UPE 是直流 PWM 功率变换器。系统的特点：双闭环系统结构，实现脉冲触发、转速给定和检测。由软件实现转速、电流调节，系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路组成。如图6为双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图。

图6 双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图
2.2.1 主电路
主电路由二极管整流器 UR、PWM 逆变器 UI 和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容 C 滤波，同时兼有无功功率交换的作用。
可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图7为桥式可逆PWM变换器。这时电动机M两端电压Uab的极性随开关器件驱动电压极性的变化而变化，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，本设计用的是双极性控制的可逆PWM变换器。双极性控制的桥式可逆PWM变换器有电流一定连续、可使电动机在四象限运行、电动机停止时有微振电流可消除静摩擦死区、低速平稳性好等优点。

图7 桥式可逆PWM变换器
图8为双极式控制时的输出电压和电流波形。相当于一般负载的情况，脉动电流的方向始终为正；相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。

图8 双极式控制时的输出电压和电流波形
双极性控制可控PWM变换器的输出平均电压为

转速反馈电路如图9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道理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。

图 9 转速反馈电路
2.2.2 泵升电压限制
当脉宽调速系统的电动机减速或停车时,储存在电机和负载传动部分的动能将变成电能，并通过 PWM 变压器回馈给直流电源。一般直流电源由不可控的整流器供电，不可能回馈电能，只好对滤波电容器充电而使电源电压升高，称作“泵升电压”。如果要让电容器全部吸收回馈能量，将需要很大的电容量，或者迫使泵升电压很高而损坏元器件。在不希望使用大量电容器（在容量为几千瓦的调速系统中，电容至少要几千微法）从而大大增加调速装置的体积和重量时，可以采用由分流电阻 R 和开关管 VT 组成的泵升电压限制电路，用R 来消耗掉部分动能。R 的分流电路靠开个器件 VT 在泵升电压达到允许数值时接通。
2.3、主电路参数计算和元件选择
主电路参数计算包括整流二极管计算，滤波电容计算、功率开关管 IGBT 的选择及各种保护装置的计算和选择等。
2.3.1 整流二极管的选择
根据二极管的最大整流平均 和最高反向工作电压 分别应满足：
（A）
（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（A)
额定反向峰值电压URM（V)
正向平均压降 （V)
反向平均漏电流 （mA)
散热器型号
ZP10A
10
200~2000
0.5~0.7
6
SZ14

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（3~5）T/2，且有
（V)
，即C15000uF
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 集电极－发射极反向击穿电压 ≥(2～3)=244～366v
2.4、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=6A，额定电压=110V。
调速系统的最小负载电流=1A，电源电压=122V。=1000r/min，电枢回路总电阻R=2Ω,电流过载倍数λ=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

（1）脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数与传递函数的计算

开关频率f选为4.4kHz。

于是开关周期

脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为

于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传递函数为

（2）电流滤波时间常数 取0.5ms

（3）电流环小时间常数

2.4.1.2选择电流调节器结构
根据设计要求，，而且
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

2.4.1.3选择电流调节器参数

要求时，应取，因此

又

于是

2.4.1.4检验近似条件

（1）要求，现。
（2）要求，现。
（3）要求，
现。
可见均满足要求。

2.4.1.5计算ACR的电阻和电容
取=40k，则
，取

按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为，故满足设计要求。
2.4.2转速环的设计
2.4.2.1 确定时间常数

（1）电流环等效时间常数为
（2）取转速滤波时间常数
（3）
2.4.2.2 ASR结构设计
根据稳态无静差及其他动态指标要求，按典型II型系统设计转速环，ASR选用PI调节器，其传递函数为

图11 速度环结构图
2.4.2.3 选择ASR参数
取h=5，则

则
2.4.2.4 校验近似条件

（1）要求，现。
（2）要求，
现
可见均能满足要求。
2.4.2.5 计算ASR电阻和电容
取，则
，取1440
，取0.1

2.4.2.6 检验转速超调量

当h=5时，，而，因此

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

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
测速反馈电位器阻值
此时RP2所消耗的功率为
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。
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 系统动态结构图
系统动态结构图如图12所示。
图12 系统动态结构图
图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数，为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电流显露出来。电机的启动过程中转速调节器经历了饱和、退饱和、不饱和三种状态。
2.6 系统仿真
系统空载启动并在2.5s加载情况下的仿真图如图 所示，仿真波形如图 所示。

系统正反转仿真如图15所示。

图15 电机正反转时仿真图

图16 上图电流波形，下图转速波形 图17上：给定电流，中：电流转速，下：电流调节器输出
从图16可以看出，带载启动时转速到达稳态时间比空载时长，系统从正转启动到反转运行过程中，图16表示的转速和电枢电流对转速给定Un*的响应波形。在仿真中取电流的过载倍数为2，因此电机的正转启动和制动、反转启动过程中始终保持着最大电流12A左右。在正反转转速达到额定值1000r/min后，电流绝对值下降为6A左右。图17给出了电流给定波形、电流反馈波形和电流调节器输出波形，图18为速度给定信号、速度反馈波形和速度调节器输出波形。图17中电流调节器输出信号Ucd的波动反映了电流调节器的作用，不同的电流调节器参数其Ucd的波动情况不同，Ucd的变化使变流器的脉宽随之调整，输出电压值也随之变化，使电流保持不变。

图18上：转速给定，中：转速反馈信号，下：转速调节器输出波形
3、心得体会
4、参考资料
（1）、电力拖动自动控制系统 陈伯时 机械工业出版社 2006.5
（2）、电力电子技术（第4版） 王兆安 黄俊 机械工业出版社 2008.4
（3）、电力电子、电机控制系统的建模和仿真 洪乃刚 机械工业出版社 2010.2