直流双闭环调速系统设计

双闭环直流调速系统设计电气与控制工程已知参数：某转速电流双闭环直流调速系统的已知参数为：（1）电动机参数：kWPnom3，VUnom220,AInom5.17,min/1500rnnom，2.1aR，22.4.0mkgGD；（2）功率放大器：放大倍数25sK，3.0recR，sTs001.0；（3）其它参数：电枢回路总电感mHL60,最大允许电流nom12IIdb，ASR和ACR的输出限幅值均为V5,最大转速给定电压VUnom5,电流反馈滤波时间常数为SToi001.0，转速反馈滤波时间常数为sTon005.0。设计指标：电流超调量%5i,转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量%10n,过度过程时间sts5.0。一、电流调节器设计（一）参数计算（1）确定时间常数sTs001.0电流滤波时间常数s001.0oiT电流环小时间常数之和s002.0oisiTTT电磁时间常数s04.03.02.106.0lRLT（2）选择电流调节器结构根据设计要求%5i，并保证稳态电流无差，按典型I型系统设计，采用PI型电流调节器。其传递函数形式如：SSKWSACRiii)()1(（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：s04.0liT电流环开环增益：要求%5i，按表3-1，应取5.0iTKI，因此1-iIs250s002.05.05.0TK电流反馈系数为v14.05.1725dL*IU于是，ACR的比例系数为43.314.0252.104.0250iaiSIKRKK电流调节器传递函数为SSSSKWSACR02.0102.043.3)1(iii)(）（（4）校验近似条件电流环截止频率：1-cis250IK1）校验晶闸管整流装置换地函数的近似条件ciST1-1-s3.333s001.03131满足近似条件2）校验电流环小时间常数近似处理条件ciTT1-1-oiss3.333s001.0001.0131131满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容根据运算放大器的电路原理，选KΩR400，各电阻和电容值计算如下kΩkΩRKR2.1374043.30iiFRC1104004.03iiiFTC4.0104004.04R430oioi按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为%5%3.4i满足设计要求含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器（二）仿真模型（三）仿真结果二、转速调节器设计（一）参数计算（1）确定时间常数s004.0s002.0221iTKI转速滤波时间常数s005.0onT转速环小时间常数s009.0005.0004.01onnTKTI（2）选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为SSKWSASRnnn)(1）（（3）计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取5h，则ASR的超前时间常数为s045.0s009.05hnnT转速环开环增益为2-2-222n2s1481s009.0526h21hTKNASR的比例系数为7.2009.0252013.014.06h21h22n2menTTCK）（其中，rVU/min003.015005n0*nrVRIUC/min133.015002.15.17-220nde013.0e303755.14375m2meCCRGDTC222m4mkg4.0NGD转速调节器传递函数为SSSSKWSASR045.0)1045.0(7.21nnn)(）（（4）检验近似条件转速环截止频率为1-ncns65.66045.01481NK1）电流环传递函数简化条件cnITK9.117002.02503131i满足近似条件2）转速环小时间常数近似处理条件cnITK5.74005.02503131on满足近似条件3）计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器取KΩR400，则KΩKΩRKR108407.20nn取KΩ100FRC45.010100045.03nnn取F5.0FRTC51040005.04430onon取F5（二）仿真模型（三）仿真结果三、系统硬件设计（一）原理图（二）整流电路整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电。本设计采用三相桥式全控整流电路，其原理图如图所示，阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。这种整流电路的输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形完全相同，故该电路为6脉动整流电路。（三）PWM变换器脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。直流电动机PWM控制系统分为不可逆和可逆系统。不可逆系统是指电动机只能单向旋转；可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转。对于可逆系统，又可以分为单极性驱动和双极性驱动两种方式。单极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的；双极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。本设计采用双极性驱动可逆PWM变换器。如图是H型双极性可逆PWM变换器原理图。它包含有4个IGBT管和4个续流二极管。4个IGBT管分成两组，VT1，VT4为一组；VT2，VT3为另一组。同一组的IGBT管同时导通或截止，不同组的IGBT管的导通与截止是不相同的。（四）泵升限制电路当脉宽调速系统的电动机转速由高变低时（减速或者停车），储存在电动机和负载转动部分的动能将会变成电能，并通过双极式可逆PWM变换器回送给直流电源。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回送电能，电机制动时只好给滤波电容充电，从而使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。过高的泵升电压会损坏元器件，所以必须采取预防措施，防止过高的泵升电压出现。可以采用由分流电阻R和开关元件（电力电子器件）VT组成的泵升电压限制电路，如图所示。当滤波电容器C两端的电压超过规定的泵升电压允许数值时，VT导通，将回馈能量的一部分消耗在分流电阻R上。在本设计中泵升电路电解电容选取C=2200μF；电压U=450V；VT选取IRGPC50U型号的IGBT管；电阻选取R=20Ω。（五）按键电路独立式按键电路如图所示，这种独立式按键电路所需器件比较少、软件编程结构比较简单，在此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻的接入保证了冷按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。通过软件编程实现如下功能：当按下1键时，电动机启动；当按下2键时，电动机正转；当按下3键时，电动机反转；当按下4键时，电动机停止；当按下5键时，电动机加速；当按下6键时，电动机减速。四、直流调速原理给定电压速度调节器电流调节器三相集成触发器三相全控桥直流电动机电流检测转速检测Un*Un+-ΔUnUi*Ui+-UcnUd双闭环直流调速系统稳态结构ACRASR11oiST11onST1onST1oiST)(*SUn1/1lTR1SSTkSTRmeC1)(*SUi+-+-+-+-IdL(S)E(S)Ui（s）Un(s)n（s）Id(s)电流环双闭环直流调速系统的动态结构直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成。两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压*mU决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压cmU限制了电力电子变换器的最大输出电压dmU。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退保和。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态。由于调速系统的主要被控量是转速,故把转速负反馈组成的环作为外环,以保证电动机的转速准确跟随给定电压,把由电流负反馈组成的环作为内环,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。通过调节触发装置GT的控制电压cU来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压dU，从而实现平滑调速。四、系统软件设计（一）主程序开始按键处理数据通信刷新显示系统初始化有按键按下吗？（二）子程序的初始化设计初始化子程序框图（三）中断服务子程序设计中断服务子程序包括故障检测、PWM生成、状态检测和数字PI调节等，这些都是实时性比较强的功能。当相应的中断源提出申请，CPU就可以实时响应。转速调节中断服务子程序框图如图4-3所示。在转速调节中断服务子程序中，首先应保护现场，然后再由输入量计算实际的转速，完成转速PI调节，最后进行转速检测环节，为下面的调节提前做好准备。为了使被中断的上级程序正确稳定地恢复运行，在中断返回前应该先恢复现场。返回设定定时器、PWM、A/D转换工作方式设定I/O、通信接口及键盘工作方式参数及变量初始化转速调节中断服务子程序框图电流调节中断服务子程序框图如图所示，主要完成的任务有：电流PI调节、PWM信号生成、启动A/D转换、恢复现场等读入转速给定计算转速保护现场转速调节允许测速恢复现场中断返回