运动控制系统――直流双极式可逆PWM调速系统设计

目录1任务分析.............................................................................................................................21.1概述...............................................................................................................................21.2双闭环调速系统的结构图...........................................................................................21.3桥式可逆PWM变换器的工作原理...............................................................................21.4PWM调速系统的静特性...........................................................................................42电路设计.............................................................................................................................62.1给定及偏移电源...........................................................................................................62.2双环调节器电路...........................................................................................................72.2.1电流调节器................................................................................................................72.2.2转速调节器................................................................................................................72.3信号产生电路...............................................................................................................82.4驱动电路.....................................................................................................................102.5转速及电流检测电路.................................................................................................113调节器的参数整定...........................................................................................................123.1电流调节器参数的计算.............................................................................................123.2转速调节器参数的计算.............................................................................................143.3参数的校验.................................................................................................................153.3.1电流参数的校验.......................................................................................................153.3.2转速参数的校验.......................................................................................................153.3.3校验退饱和转速超调量............................................................................................164心得体会...........................................................................................................................17参考文献...............................................................................................................................18附录.....................................................................................................................................188武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书直流双极式可逆PWM调速系统设计1任务分析1.1概述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。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）若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。5）功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率高。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。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。武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书21.2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。ASRACRPWMKsβR1/CeαUn*Ui*nId--图1双闭环调速系统的结构简化图1.3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ABU的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书3MGMOTORDCVT1VT2VD1VD2VT3VT4VD3VD4Ug1Ug2Ug3Ug4Us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。OOOOUg1Ug4Ug2Ug3UABUs-Usidid1id2tttttonTtonT图3PWM变换器的驱动电压波形他们的关系是：1423ggggUUUU。在一个开关周期内，当0ontt时，晶体管1VT、4VT饱和导通而3VT、2VT截止，这时ABsUU。当onttT时，1VT、4VT截止，但3VT、2VT不能立即导通，电枢电流di经2VD、3VD续流，这时ABsUU。ABU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，2onTt，则ABU的平均值为正，武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书4电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，2onTt，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21ononondsstTttUUUTTT如果定义占空比ontT，电压系数dsUU则在双极式可逆变换器中21调速时，的可调范围为0～1相应的1~1。当12时，为正，电动机正转；当12时，为负，电动机反转；当12时，0，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。1.4PWM调速系统的静特性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，电压平衡方程如下武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书5dsddiURiLEdt(0)ontt.dsddiURiLEdt()onttT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dsUU，平均电流用dI表示，平均转速/enEC，而电枢电感压降ddiLdt的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成sddeURIERICn则机械特性方程式0sddeeeURRnInICCC武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书62电路设计桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图4所示。PWM变换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6C滤波，以获得恒定的直流电压sU。由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间传入电阻