【正文】 電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 PWM 控制雙閉環(huán)可逆直流 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 信息 工程學(xué)院 學(xué) 號： 專業(yè)（方向）年級： 學(xué) 生 姓 名： 揚(yáng)州 大學(xué) 信息 工程學(xué)院 年 月 日 目錄 1. 課程 設(shè)計(jì)任務(wù)書 ...................................................... 1 2． 課程 設(shè)計(jì) 技術(shù)報(bào)告 .................................................... 3 方案確定 ......................................................... 3 方案選定 ..................................................... 3 橋式可逆 PWM 變換器工作原理 ................................... 3 系統(tǒng)控 制電路圖 ............................................... 6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)分析 ................................... 6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ................................. 7 硬件結(jié)構(gòu) ......................................................... 9 主電路 ....................................................... 9 泵升壓限制 .................................................. 11 主電路參數(shù)計(jì) 算及元件選擇 ........................................ 12 整流二極管選擇 .............................................. 12 絕緣柵雙極晶體管選擇 ........................................ 12 調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 ............................................ 13 電流環(huán)的設(shè)計(jì) ................................................ 13 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì) ................................................ 16 反饋單元 .................................................... 18 系統(tǒng) 動態(tài)結(jié)構(gòu) 圖 .................................................. 19 系統(tǒng)仿真 3．心得體會 ........................................................... 20 4. 參考資料 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 、題目 PWM 控制雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 、設(shè)計(jì)目的 和意義 （ 1） 、 通過對電力拖動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，了解 電力電子、 自動控制原理 及電力拖動 自動控制系統(tǒng)課程所學(xué)內(nèi)容，初步具備設(shè)計(jì)電力拖動自動控制系統(tǒng)的能力，為今后從事技 術(shù)工作打下必要的基礎(chǔ)。 （ 2） 、運(yùn)用《電力拖動控制系統(tǒng)》的理論知識設(shè)計(jì)出 滿足任務(wù)書要求 的直流調(diào)速系統(tǒng)，通過建模、仿真驗(yàn)證理論分析的正確性。 、 技術(shù)數(shù)據(jù) （ 1） 、 他勵直流電動機(jī)的參數(shù)： 電樞電阻 Ra=? ，電樞回路總電感L=，額定電流 nomI =6A，額定電壓 nomU =110V。額定 轉(zhuǎn)速 n=1000r/min，電流過載倍數(shù)λ =2。勵磁電壓 110V，勵磁 電流 。轉(zhuǎn)動慣量 ,磁場與電樞互感 。 （ 2） 、 電樞回路總電阻 R=2Ω ,調(diào)速系統(tǒng)的最小負(fù)載電流 oI =1A。 （ 3） 、 主電源：可以選擇 單 相交流 220V 供電； （ 4）、 穩(wěn)定指標(biāo)，無靜差。 動態(tài)指標(biāo)， %5??i （ 5）、 空載起動到額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量 15%n? ? （ 6）、 給定電壓最大值為 177。 10V。 、設(shè)計(jì)任務(wù) （ 1）總體方案的確定； （ 2）主電路原理及波形分析、元件選擇、參數(shù)計(jì)算； （ 3） 系統(tǒng)原理圖、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖； （ 4） 電流環(huán)、轉(zhuǎn)速 環(huán) 的 參數(shù)的 設(shè)計(jì) ； （ 5） 根據(jù)電流環(huán)、轉(zhuǎn)速 環(huán) 的參數(shù) 構(gòu)建仿真模型 ； （ 6） 進(jìn)行 MATLAB 仿真 ； 課程設(shè)計(jì) 技術(shù)報(bào)告 、 方案確定 方案選定 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 PWM裝置。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào) 制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 總體方案簡化圖如圖 1 所示。 圖 1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 簡化圖 用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時(shí)也兼顧了啟動時(shí)啟動電流的動態(tài)過程。在啟動過程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流 使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。 橋式可逆 PWM 變換器的工作原理 脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 ASR ACR PWM 166。β R 1/Ce 166。α Un* Ui* n I d 橋式可逆 PWM 變換器電路如圖 2 所示。這是電動機(jī) M 兩端電壓 ABU 的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓的極性變化而變化。 MGM O T O R D CV T 1V T 2VD1VD2V T 3V T 4VD3VD4U g1U g2U g3U g4Us 圖 2 橋式可逆 PWM 變換器電路 雙極式控制可逆 PWM 變換器的四個驅(qū)動電壓波形如圖 3 所示。 OOOOU g1 U g4U g2 U g3U ABUsU sidid1id2 ttttton Tton T 圖 3 PWM 變換器的驅(qū)動電壓波形 他們的關(guān)系是： 1 4 2 3g g g gU U U U? ? ? ? ?。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) 0 ontt?? 時(shí)，晶體管 1VT 、 4VT 飽和導(dǎo)通而 3VT 、 2VT 截止，這時(shí) AB sUU? 。當(dāng) ont t T?? 時(shí)， 1VT 、4VT 截止，但 3VT 、 2VT 不能立即導(dǎo)通，電樞電流 di 經(jīng) 2VD 、 3VD 續(xù)流，這時(shí)AB sUU?? 。 ABU 在一個周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式 PWM 變換器的特征，其電壓、電流波形如圖 2 所示。電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，2on Tt ?，則 ABU 的平均值為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，2on Tt ?，平均輸出電壓為零，則電動機(jī)停止。 雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為 2 1o n o n o nd s st T t tU U UT T T? ??? ? ? ????? 如果定義占空比 ontT?? ，電壓系數(shù) dsUU?? 則在雙極式可逆變換器中 21???? 調(diào)速時(shí)， ? 的可調(diào)范圍為 0～ 1 相應(yīng)的 1~ 1??? ? 。當(dāng) 12?? 時(shí)， ? 為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) 12?? 時(shí)， ? 為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng) 12?? 時(shí)， 0?? ，電動機(jī)停止。但電動機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零， 而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電動機(jī)停止時(shí)仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)，起著所謂 “動力潤滑 ”的作用。 雙極式 控制的橋式可逆 PWM 變換器有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）電流一定連續(xù)。 2）可使電動機(jī)在四象限運(yùn)行。 3）電動機(jī)停止時(shí)有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。 4）低速平穩(wěn)性好，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析 由于采用了脈寬調(diào)制，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡單，電壓平衡方程如下 dsd diU Ri L Edt? ? ? (0 )ontt?? . dsd diU Ri L Edt? ? ? ()ont t T?? 按電壓平衡方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式，電樞兩端在一個周期內(nèi)的電壓都是 dsUU?? ，平均電流用 dI 表示，平均轉(zhuǎn)速 / en E C? ，而電樞電感壓降 ddiLdt 的平均值在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫成 s d d eU R I E R I C n? ? ? ? ? 則機(jī)械特性方程式 0s dde e eU RRn I n IC C C?? ? ? ? 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 4所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和 —— 輸出達(dá)到限幅值；不飽和 —— 輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是為零。 圖 4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 為了獲得近似理想的過度過程，并克服幾個信號綜合于一個調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。所以本文選擇方案二作為設(shè)計(jì)的最終方案。如圖 5 為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理 . 圖 5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 、硬件結(jié)構(gòu) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路中的 UPE 是直流 PWM 功率變換器。系統(tǒng)的特點(diǎn)：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測。由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào) 節(jié)，系統(tǒng)由主電路、檢測電路、控制電路、給定電路、顯示電路組成。如圖 6為雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。 圖 6 雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 主電路 主電路由二極管整流器 UR、 PWM 逆變器 UI 和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容 C 濾波，同時(shí)兼有無功功率交換的作用。 可逆 PWM 變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱 H形）電路，如圖 7 為橋式可逆 PWM 變換器。這時(shí)電動機(jī) M兩端電壓 Uab 的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓極性的變化而變化，其控制方 式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，本設(shè)計(jì)用的是雙極性控制的可逆 PWM 變換器。雙極性控制的橋式可逆 PWM 變換器有電流一定連續(xù)、可使電動機(jī)在四象限運(yùn)行、電動機(jī)停止時(shí)有微振電流可消除靜摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)。 圖 7 橋式可逆 PWM變換器 圖 8 為雙極式控制時(shí)的輸出電壓和電流波形。 1id 相當(dāng)于一般負(fù)載的情況，脈動電流的方向始終為正； 2id 相當(dāng)于輕載情況，電流可在正負(fù)方向之間脈動，但平均值仍為正，等于負(fù)載電流。 圖 8 雙極式控制時(shí)的輸出電壓和電流波形 雙極性控制可控 PWM 變換器的輸出平均電壓為 sonsonson UTtUT tTUTt )12(U d ????? 轉(zhuǎn)速反饋電路如圖 9 所示，由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時(shí)間常數(shù) ? 。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時(shí)間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。 R 0 / 2R 0 / 2R 0 / 2R 0