运动控制系统课程设计-双闭环可逆直流脉宽pwm调速系统设计

运动控制系统课程设计-双闭环可逆直流脉宽pwm调速系统设计

湖南工程学院课程设计课程名称运动控制系统课题名称可逆直流脉宽双闭环调速系统的设计专业班级学号姓名指导教师2011年9月13日\n湖南工程学院课程设计任务书课程名称：运动控制系统题目：可逆直流脉宽双闭环调速系统的设计专业班级：学生姓名：学号：指导老师：审批：任务书下达日期2011年09月13日课程设计完成日期2011年09月23日\n设计内容与设计要求一．设计内容：1．电路功能：1）用脉宽调制方式实现直流电机调压调速。能实现双闭环的调节和控制，能实现可逆运行。2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：主电力电子开关器件与续流管。控制电路主要环节：脉宽调制PWM电路、电压电流检测单元、调节器，驱动电路、检测与故障保护电路。3）主电路电力电子开关器件采用GTR、IGBT或MOSFET。4）系统具有完善的保护2.系统总体方案确定3.主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4.控制电路设计与分析1）检测电路设计2）功能单元电路设计3）调节控制电路参数确定二．设计要求：1．设计思路清晰，给出整体设计框图；2．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3．分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。4．绘制总电路图5．写出设计报告；\n主要设计条件1．设计依据主要参数1)输入电压：（AC）220（1+15%）、输出电压：±0~300VDC2)最大输出电压、电流根据电机功率予以选择3)要求电机能实现双向无级调速，实现无静差调速。4)电机型号布置任务时给定2.可进行实验调试或仿真调试说明书格式1．课程设计封面；2．任务书；3．说明书目录；4．设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5．单元电路设计（各单元电路图）；6．故障分析与电路改进、实验及仿真等。7．总结与体会；8．附录（完整的总电路图）；9．参考文献；10、课程设计成绩评分表\n进度安排第一周星期一:课题内容介绍和查找资料；星期二:总体电路方案确定星期三:主电路设计星期四:控制电路设计星期五:控制电路设计；第二周星期一:控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四~五:写设计报告，打印相关图纸；星期五下午:答辩及资料整理参考文献1．陈伯时．运动控制系统．机械工业出版社，20082．王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，20003．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，20004．郑琼林耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，19965．刘定建朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，19966．刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，19957.刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，19998.刘星平.运动控制系统实验指导书，校内，20099.刘星平.一种新型双闭环直流脉宽调速系统的设计与应用。电气自动化。2003.4\n目录交直流调速课程设计说明书1一、方案确定11.1方案选定11.2桥式可逆PWM变换器的工作原理21.3系统控制电路图51.4双闭环直流调速系统的静特性分析61.5双闭环直流调速系统的稳态结构图6二、硬件结构82.1主电路92.2泵升电压限制11三、主电路参数计算和元件选择123.1整流二极管的选择123.2绝缘栅双极晶体管的选择13四、调节器参数设计和选择144.1调节器工程设计方法的基本思路144.2电流环的设计144.3确定时间常数154.4选择电流调节器结构174.5选择电流调节器参数174.6检验近似条件174.7计算ACR的电阻和电容18五转速环的设计195.1确定时间常数195.2ASR结构设计195.3选择ASR参数195.4校验近似条件195.5计算ASR电阻和电容205.6检验转速超调量205.7校验过渡过程时间21六反馈单元226.1转速检测装置选择226.2电流检测单元22七系统总电路图23心得体会24\n交直流调速课程设计说明书一、方案确定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。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\n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。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。25\n图3PWM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25\n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。控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积分器）、正弦参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性鉴别器）、PWM波发生器（三相正弦波发生器、锁相环、三相波载波发生器、比较器）及与主电路相隔离的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路。25\n1.3系统控制电路图控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积分器）、正弦参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性鉴别器）、PWM波发生器（三相正弦波发生器、锁相环、三相波载波发生器、比较器）及与主电路相隔离的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路 通用型PWM变频器原理图框图25\n1.4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1.5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。25\n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25\n二、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25\n2.1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。25\n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。25\n图9转速反馈电路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。25\n三、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。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ZP10A10200~20000.5~0.76SZ14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。25\n3.2绝缘栅双极晶体管的选择最大工作电流Imax≈2Us/R=440/0.45=978(A)集电极－发射极反向击穿电压≥(2～3)Us=440～660v四、调节器参数设计和选择4.1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。25\n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。4.2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，电力晶体管集电极电阻=2.5，设==2。=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4.3确定时间常数25\n（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电动机的启动电流为启动电流与额定电流比为晶体管放大区的时间常数为电流上升时间的计算公式为式中——晶体管导通时的过饱和驱动系数，取=2则电流下降时间的计算公式为式中——晶体管截止时的负向过驱动系数，取=225\n则又最佳开关频率为开关频率f选为4.4kHz，此开关频率已能满足电流连续的要求。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4.4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25\n电流调节器选用PI型，其传递函数为4.5选择电流调节器参数要求时，应取，因此又于是4.6检验近似条件（1）要求，现。25\n（2）要求，现。（3）要求，现。可见均满足要求。4.7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。25\n五转速环的设计5.1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）5.2ASR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5.3选择ASR参数取h=5，则则5.4校验近似条件25\n（1）要求，现。（2）要求，现可见均能满足要求。5.5计算ASR电阻和电容取，则，取1440，取0.15.6检验转速超调量当h=5时，，而，因此25\n可见转速超调量满足要求。5.7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。25\n六反馈单元6.1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。6.2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。25\n七系统总电路图25\n心得体会为期10天的课程设计将要结束了。在这两周的学习中，我学到了很多，也找到了自己身上的不足。感受良多，获益匪浅。这10天中，我们小组分工合作、齐心协力，一起完成了课程设计前的准备工作（阅读课程设计相关文档）、小组讨论分工、完成系统开发的各个文档、课程设计总结报告，个人小结的任务。课程设计这样集体的任务光靠团队里的一个人或几个人是不可能完成好的，合作的原则就是要利益均沾，责任公担。在集体工作中，团结是必备因素，要团结就是要让我们在合作的过程中：真诚，自然，微笑；说礼貌用语；不斤斤计较；多讨论，少争论，会谅解对方；对他人主动打招呼；会征求同学的意见，会关心同学，会主动认错，找出共同点；会接受帮助，信守诺言，尊重别人，保持自己的特色。最后，这次课题设计能够圆满完成，应该感谢赖老师、刘老师、唐老师的细心帮助。25\n电气与信息工程系课程设计评分表项目评价优良中及格差设计方案的合理性与创造性软件设计完成情况硬件调试完成情况设计说明书与设计图纸质量答辩情况独立工作能力完成任务情况出勤情况综合评分指导教师签名：________________日期：________________注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；②此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。25