双闭环可逆直流脉宽调速系统课程设计

1机械设计方法学设计（论文）题目双闭环可逆直流脉宽调速系统设计与实现学院学院专业学生姓名学号指导教师2年月日2双闭环可逆直流脉宽调速系统设计与实现摘要当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。关键词：PWM调速、直流电动机、双闭环调速3目录1.任务分析..................................31.1选择PWM控制系统的理由.......................................................31.2采用转速电流双闭环的理由........................................................31.3直流PWM传动系统结构图........................................................41.4双闭环调速系统的结构图............................................................51.5调速系统起动过程的电流和转速波形........................................61.6H桥双极式逆变器的工作原理....................................................61.7PWM调速系统的静特性.............................................................82.主电路设计..........................................92.1给定基准电源..............................................................................102.2双闭环调节器电路设计.............................................................112.2.1电流调节器.............................................................................112.2.2转速调节器............................................................................112.3控制电路的设计.......................................................................122.4驱动电路设计...........................................................................132.5转速及电流检测电路................................................................142.5.1转速检测电路........................................................................142.5.2电流检测电路........................................................................143.调节器的参数整定...................................153.1系统固有部分的主要参数计算...............................................153.2预先选定的参数......................................................................163.3电流环的设计..........................................................................163.4速度环的设计..........................................................................184.转速及电流检测环节.................................205.电路图总体设计.....................................216.心得及总结.........................................237.闭环控制可逆直流脉宽调速系统实验台（H桥）.................23参考文献.............................................284双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计1.任务分析1.1选择PWM控制系统的理由脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（SiliconGeneral）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。PWM系统在很多方面具有较大的优越性：1）PWM调速系统主电路线路简单，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，稳速精度高，调速范围广，可达到1：10000左右。4）如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。6）直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中，PWM调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。1.2采用转速电流双闭环的理由同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动5制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。1.3直流PWM传动系统结构图图1-1系统构成原理直流PWM传动系统结构图6直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管变流装置，作为系统的功率驱动器，系统构成原理如图1-1所示。其中属于脉宽调制调速系统主要由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管基极的驱动器GD和脉宽调制（PWM）变换器组成，最关键的部件为脉宽调制器UPM。1.4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1-2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。图1-2双闭环调速系统的结构图1.5调速系统起动过程的电流和转速波形如图1-3所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。7(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程(b)理想快速起动过程图1-3调速系统起动过程的电流和转速波形1.6H桥双极式逆变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。H形双极式逆变器电路如图1-4所示。这时电动机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。图1-4H形双极式逆变器电路IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)8双极式逆变器的四个驱动电压波形如图1-5所示。OOOOUg1Ug4Ug2Ug3UABUs-Usidid1id2tttttonTtonT图1-5H形双极式逆变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，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。9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