PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計.doc

PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1 設(shè)計分析 1.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 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)電機轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計要求。圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1.2 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程圖2 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形1.3 H橋雙極式逆變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)電機轉(zhuǎn)速。H形雙極式逆變器電路如圖3所示。這時電動機M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓的極性變化而變化。圖3 H形雙極式逆變器電路雙極式逆變器的四個驅(qū)動電壓波形如圖4所示。圖4 H形雙極式逆變器的驅(qū)動電壓波形他們的關(guān)系是：。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時，晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止，這時。當(dāng)時，、截止，但、不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時。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，則的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動機停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比，電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時，的可調(diào)范圍為01相應(yīng)的。當(dāng)時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng)時，為負(fù)，電動機反轉(zhuǎn)；當(dāng)時，電動機停止。但電動機停止時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，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停止時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區(qū)。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點：1）電流一定連續(xù)。2）可使電動機在四象限運行。3）電動機停止時有微震電流，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。1.4 PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜特性由于采用了脈寬調(diào)制，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關(guān)系式比較簡單，電壓平衡方程如下 . 按電壓平衡方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機械特性方程式，電樞兩端在一個周期內(nèi)的電壓都是，平均電流用表示，平均轉(zhuǎn)速，而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫成則機械特性方程式2 電路設(shè)計H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖5所示。PWM逆變器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機制動時只好對濾波電容充電，這時電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rz消耗掉這些能量，在泵升電壓達(dá)到允許值時接通VTz。圖5 H橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路四單元IGBT模塊型號：20MT120UF 生產(chǎn)廠家：IR公司主要參數(shù)如下：=1200V =16A =100 2.1給定基準(zhǔn)電源此電路用于產(chǎn)生15V電壓作為轉(zhuǎn)速給定電壓以及基準(zhǔn)電壓，如圖6所示：圖6 給定基準(zhǔn)電源電路2.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控量進行采樣，然后與給定值比較，決定調(diào)節(jié)器的輸出，反饋的關(guān)鍵是對被控量進行采樣與測量。2.2.1 電流調(diào)節(jié)器由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時間常數(shù)，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。為了平衡反饋信號的延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時間上配合恰當(dāng)。圖7 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器2.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速反饋電路如圖8所示，由測速發(fā)電機得到的轉(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間常數(shù)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的原理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖8 含給定濾波與反饋濾波的PI型電轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.3 信號產(chǎn)生電路本設(shè)計采用集成脈寬調(diào)制器SG3524作為脈沖信號發(fā)生的核心元件。根據(jù)主電路中IGBT的開關(guān)頻率，選擇適當(dāng)?shù)摹⒅导纯纱_定振蕩頻率。電路中的PWM信號由集成芯片SG3524產(chǎn)生，SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。由SG3524構(gòu)成的基本電路如圖8所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產(chǎn)生+5V基準(zhǔn)電壓。在6、7引腳之間接入外部阻容元件構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，可提高穩(wěn)態(tài)精度。12、13引腳通過電阻與+15V電壓源相連，供內(nèi)部晶體管工作，由電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓作為2引腳輸入，通過其電壓大小調(diào)節(jié)12、13引腳的輸出脈沖寬度，實現(xiàn)脈寬調(diào)制變換器的功能實現(xiàn)。圖9 SG3524管腳圖 圖10 SG3524引腳接線圖圖11 SG3524內(nèi)部框圖主要參數(shù)：輸入電壓Uimax：40V 輸出電流：500mA 好散功率：1W2.4 IGBT基極驅(qū)動電路原理工作原理如圖12所示圖12 EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖EXB841 系列驅(qū)動器的各引腳功能如下：腳1 ：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；腳2 ：電源（ 20V ）；腳3 ：驅(qū)動輸出；腳4 ：用于連接外部電容器，以防止過流保護電路誤動作（大多數(shù)場合不需要該電容器）；腳5 ：過流保護輸出；腳6 ：集電極電壓監(jiān)視；腳7 、8 ：不接；腳9 ：電源；腳10 、11 ：不接；腳14 、15 ：驅(qū)動信號輸入（-，）；2.5 基于EXB841驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路中V5起保護作用，避免EXB841的6腳承受過電壓，通過VD1檢測是否過電流，接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過流保護起控點，以降低過高的保護閥值從而解決過流保護閥值太高的問題。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現(xiàn)過電壓，Rge是防止IGBT誤導(dǎo)通。針對EXB841存在保護盲區(qū)的問題，可如圖12所示將EXB841的6腳的超快速恢復(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大一點的超快速恢復(fù)二極管或反向串聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管，也可采取對每個脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時間，避免IGBT過窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對EXB841軟關(guān)斷保護不可靠的問題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一個可變電阻，4腳和地之間接一個電容，都是用來調(diào)節(jié)關(guān)斷時間，保證軟關(guān)斷的可靠性。針對負(fù)偏壓不足的問題，可以考慮提高負(fù)偏壓。一般采用的負(fù)偏壓是-5V，可以采用-8V的負(fù)偏壓(當(dāng)然負(fù)偏壓的選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制)，輸人信號被接到15腳，EXB841正常工作驅(qū)動IGBT.圖13 EXB841驅(qū)動IGBT設(shè)計圖主要參數(shù)： 電源電壓：20V 最大輸出功率：47mA 最高工作頻率：10kHz2.6 鋸齒波信號發(fā)生電路鋸齒波信號發(fā)生器SG的輸出信號Us與控制信號在PWM轉(zhuǎn)換器（SG3524）中進行比較，PWM輸出幅度恒定、寬度變化的方波脈沖序列，即PWM波。SG電路可有UJT或者PUT構(gòu)成。UJT鋸齒波信號發(fā)生器基本電路如圖14所示 圖14鋸齒波信號發(fā)生電路2.7轉(zhuǎn)速及電流檢測電路2.7.1 轉(zhuǎn)速檢測電路轉(zhuǎn)速檢測電路如圖15所示。與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓輸送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。測速發(fā)電機的輸出電壓不僅表示轉(zhuǎn)速的大小，還包含轉(zhuǎn)速的方向，測速電路如圖15所示，通過調(diào)節(jié)電位器即可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。圖15轉(zhuǎn)速檢測電路2.7.2 電流檢測電路通過霍爾傳感器測量電流的電流檢測電路原理如圖16所示。圖16 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖13所示。用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯，套在被測電流流過的導(dǎo)線上，將導(dǎo)線中電流感生的磁場聚集起來，在磁芯上開一氣隙，內(nèi)置一個霍爾線性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導(dǎo)線中流通的電流。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點： 1）可以同時測量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流； 2）副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV12kV； 3）電流測量范圍寬，可測量額定1mA50kA電流； 4）跟蹤速度di/dt50A/s； 5）線性度優(yōu)于0.1IN； 6）響應(yīng)時間1s； 7）頻率響應(yīng)0100kHz。3 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定本設(shè)計為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路基本數(shù)據(jù)如下：1)PWM裝置放大系數(shù);2)電樞回路總電阻R=8;3)電磁時間常數(shù);4)機電時間常數(shù);5)調(diào)節(jié)器輸入電阻;設(shè)計指標(biāo)：1)靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；2)動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。計算反饋關(guān)鍵參數(shù)： 3.1電流環(huán)的設(shè)計 1）確定時間常數(shù)PWM裝置滯后時間常數(shù)：。電流濾波時間常數(shù):。(和一般都比小得多,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié))。2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求：，而且可按典型型設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計成PI型的，其傳遞函數(shù)為式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。3）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)ACR超前時間常數(shù)；電流環(huán)開環(huán)時間增益:要求，故應(yīng)取，因此 于是，ACR的比例系數(shù)為: 4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率: （1）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： 即 滿足近似條件；（2) 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件： 即 滿足近似條件；（3) 小時間常數(shù)近似處理條件：， 即 滿足近似條件。5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 調(diào)節(jié)器輸入電阻為，各電阻和電容值計算如下 取 ，取 ， 取3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計1）確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù) （2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) （3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動點后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié),因此需要由設(shè)計要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取，則ASR超前時間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： ASR的比例系數(shù)： 4）近似校驗轉(zhuǎn)速截止頻率為： （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： 現(xiàn)在 ， 滿足簡化條件。（2）小時間常數(shù)近似處理條件： 現(xiàn)在， 滿足近似條件。5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 調(diào)節(jié)器輸入電阻 ，則 ，取220 ，取0.2 ，取0.56）檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，查表得，=37.6%，不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于這是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。設(shè)理想空載起動時，負(fù)載系數(shù)z=0。當(dāng)h=5時，；而，因此 過渡時間，=0.081s當(dāng)h=5時，滿足設(shè)計要求。4 電路圖總體設(shè)計5 心得及總結(jié)脈沖寬度調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation),就是指保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間t對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)等領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的控制方式。本文利用SG3524集成PWM控制器設(shè)計了一個基于PWM控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，并且設(shè)計了完善的保護措施，既保障了系統(tǒng)的可靠運行，又使系統(tǒng)具有較高的動、靜態(tài)性能。 在當(dāng)今的社會生活中，電子科學(xué)技術(shù)的運用越來越深入到了各行各業(yè)之中，并得到了長足的發(fā)展和進步，自動化控制系統(tǒng)更是的到了廣泛的應(yīng)用，其中一項重要的應(yīng)用就是自動調(diào)速系統(tǒng)。相較于交流電動機，直流電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴、制造困難且不容易維護，但由于直流電動機具有良好的調(diào)速性能、較大的啟動轉(zhuǎn)矩和過載能力強，適宜在廣泛的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍是自調(diào)速系統(tǒng)中的重要形式。而伴隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)速度更快、控制更容易的全控性功率器件MOSFET和IGBT成為主流，PWM表現(xiàn)出了越大的優(yōu)越性：主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較?。坏退傩阅芎?，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；若與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。本設(shè)計采用PWM技術(shù)來對直流電機進行調(diào)速，與一般直流調(diào)速相比，既減少了對電源的污染，而且使控制過程更簡單方便，減少了對人力資源的使用，又因為線路的簡單化、功率器件需用的減少，使系統(tǒng)的維護、維修變得更加簡單了，但動、靜態(tài)性能卻提高了。該系統(tǒng)調(diào)速精度與調(diào)速范圍要求不是很高，但與傳統(tǒng)的晶閘管可控調(diào)速系統(tǒng)相比 ，它具有調(diào)速范圍寬、快速性能好、功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，使之以廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的直流調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中。本系統(tǒng)采用了脈寬調(diào)制器SG3524來完成，它解決了PWM電路的集成化問題，在實例中就可用此芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速。 經(jīng)過接近四周的努力，終于圓滿的完成了本課程設(shè)計及期中大作業(yè)。通過親身體驗做課程設(shè)計的目的，在于通過理論與實際的結(jié)合，進一步提高我們