直流单极式PWM调速系统(刘慧)

武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书1目录1任务分析.....................................................................................................................11.1概述........................................................................................................................11.2直流双闭环调速系统的结构图.......................................................................11.3单极式可逆PWM变换器的工作原理...........................................................21.4PWM调速系统的静特性....................................................................................42电路设计.......................................................................................................................52.1给定及偏移电源....................................................................................................52.2双环调节器电路...................................................................................................62.2.1转速调节器.......................................................................................................62.2.2电流调节器.......................................................................................................62.3信号产生电路........................................................................................................72.4驱动电路.................................................................................................................82.5转速及电流检测电路............................................................................................102.5.1转速检测电路....................................................................................................102.5.2电流传感器.........................................................................................................103调节器的参数整定........................................................................................................113.1电流调节器参数的计算.........................................................................................113.2转速调节器的参数整定..........................................................................................123.3参数的校验...............................................................................................................133.3.1电流参数的校验.................................................................................................133.3.2转速参数的校验..................................................................................................143.3.3校验退饱和转速超调量.....................................................................................144心得体会..........................................................................................................................15参考文献...........................................................................................................................16附录....................................................................................................................................17武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书2直流单极式PWM调速系统设计1任务分析本文所论述的是“直流单极式PWM调速系统”。采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成脉宽调制变换器—直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统或直流PWM调速系统。脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器，脉宽调制，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。[1]与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：1）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）低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，抗干扰能力强。5）功率开关器件的开关状态，导通损耗小，开关频率适中时，装置效率高。6）直流电流采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。由于有以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能中，已完全取代了V-M系统。由于双极式PWM变换器在工作过程中，4个电力晶体管都处于开关状态，开关损耗相比来说较大，而且容易发生上下两管直通的事故。降低了装置的可靠性，为了克服这一缺点，对于静动态性能要求低一些的系统可采用单极式PWM变换器，其主电路不变，不同的仅仅在于驱动脉冲信号。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。综上所述，我们可根据任务要求设计一个直流单极式PWM双闭环调速系统。1.2方案确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级联结，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武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书3PWM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，达到设计的要求。总体方案的结构简化图如图1所示。图1直流双闭环调速系统的结构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。1.3单极式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，从而改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。可逆PWM变换器的输出电压极性是随控制电压极性变化而变化的，因而可组成可逆的直流调速系统。常见的可逆PWM变换器主电路有H型和T型，本设计采用H型桥式可逆变换器。[4]ASRACRPWMKs1/CeRUn*+Un-Ui*Ui-UcUdoIdRIdn+武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书4单极式可逆PWM变换器电路如图2所示。它和双极式一样，由4个电力晶体管构成，不同之处仅在于电力晶体管的基极驱动信号不同。电动机M的极性随控制电压极性的变化而变化。VD2VD1VD3VD4励磁MOTORDC+-VT2VT1Ug1VT3Ug3VT4Ug4Ug2MUd图2桥式可逆PWM变换器电路单极式可逆PWM变换器的驱动脉冲：21UgUg，VT1和VT2交替导通（和双极式一样）3Ug、4Ug改成因电机的转向而施加不同的直流控制信号。电机正转时，使3Ug恒为负，4Ug恒为正，则VT3截止而VT4常通。电机反转时，则3Ug恒为正,而4Ug恒为负，使VT3常通而VT4截止。下面分析当控制电压为正即当电机正向电动时，在一个开关周期内：0ontt时，1Ug和4Ug为正，晶体管VT1和VT4饱和导通;2Ug和3Ug为负，VT2和VT3截止。这时sABUU。当onttT时，1Ug变负，VT1和VT3截止,VT4导通；2Ug变正，但VT2仍不通，正向电流沿VD2和VT4续流。这时0ABU。武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书5图3单极式可逆PWM变换器的驱动电压电流波形单极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为sondUTtU（1）如果定义占空比ontT，电压系数dsUU。则在单极式可逆变换器中。调速时，的可调范围为0～1相应的的范围也为0～1。由于单极式PWM变换器的电力晶体管VT3和VT4两者之中总有一个是常通的，而另一个是截止的，运行中不用频繁地交替导通。因此，单极式变换器的开关损耗要比双极式小，装置的可靠性有所提高。但此电路无高频微振，启动较慢，其低速性能不如双极性的好。1.4PWM调速系统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，ttttontTT4Ug1UgABUdi0000武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书6电压平衡方程如下EdtdiLRiUddS