轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

1、沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)摘 要 直流電機(jī)傳統(tǒng)的調(diào)速方法調(diào)節(jié)精度低、能源利用率低、調(diào)速不穩(wěn)定、可控性較差；而脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速技術(shù)，具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和損耗低等特點(diǎn)，不僅實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)速度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，而且還體現(xiàn)了節(jié)約能源，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。 本文介紹了美國德州儀器（TI）公司的超低功耗16位單片機(jī)MSP430F2619。基于MSP430F2619設(shè)計(jì)一直流電機(jī)雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)，由測速發(fā)電機(jī)檢測直流電機(jī)轉(zhuǎn)速構(gòu)成速度反饋，利用整流橋構(gòu)成電流反饋。MSP430F2619完成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)PI控制器的數(shù)字控制，且單片機(jī)的定時(shí)器生成PWM波，經(jīng)功率驅(qū)動芯片放大后控制直流電機(jī)的電樞

2、電壓進(jìn)行平滑調(diào)速。從而實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)簡單、調(diào)速性能可靠。 關(guān)鍵詞： MSP430，直流電機(jī)，PWM調(diào)速，雙閉環(huán)控制器I目 錄摘 要I1引 言11.1 直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展11.2 PWM調(diào)速技術(shù)12研究課題的目的和意義23設(shè)計(jì)要求33.1給定條件33.2技術(shù)要求34系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)44.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖44.2直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的原理44.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)44.4轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流控制系統(tǒng)64.5 PWM變換器介紹85電路設(shè)計(jì)125.1 PWM（雙極性）主電路設(shè)計(jì)125.2雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)126系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算136.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)136.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)15總結(jié)20參考文

3、獻(xiàn)21 III沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)1引 言 三十多年來，隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步,直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，控制電路向高集成化、小型化、高可靠性及低成本方向發(fā)展。在全控型電力電子器件問世后，基于脈寬調(diào)制的高頻開關(guān)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)（PWM調(diào)速系統(tǒng)）的應(yīng)用，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，而且使直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。近幾年來，隨著單片機(jī)成本的降低，以單片機(jī)為

4、控制核心的PWM 調(diào)速系統(tǒng)越來越多，其特點(diǎn)是通過程序產(chǎn)生控制脈沖，電路簡單；開關(guān)頻率高，電流連續(xù)，諧波少；低速性能好,穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。 1.1 直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動機(jī)供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行、設(shè)備制造方便、價(jià)格低廉；但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能。該法只適用在一些小功率且調(diào)速范圍要求不大的場合。 30年代末期，發(fā)電機(jī)-電動機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)才使調(diào)速性能優(yōu)異的直流電動機(jī)得到廣泛應(yīng)用。這種控制方法可獲得較寬的調(diào)速范圍、較小的轉(zhuǎn)速變化率和平滑的調(diào)速性能。但此方法的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)重量大、占

5、地多、效率低及維修困難。 近年來，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，由晶閘管變流器供電的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已取代了發(fā)電機(jī)-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了發(fā)電機(jī)-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度、動態(tài)性能、可靠性有了更大的提高。如今，電力電子技術(shù)中大功率器件（IGBT等）的發(fā)展正在取代晶閘管，出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng)12。 1.2 PWM調(diào)速技術(shù) 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方法是：改變電樞電壓調(diào)速。而傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個電阻，通過調(diào)節(jié)電阻值大小改變電樞電壓, 達(dá)到調(diào)速的目的, 這種方法效率低、平滑度差

6、，且轉(zhuǎn)速越慢, 能耗越大，因而經(jīng)濟(jì)效益低。 隨著電力電子的發(fā)展, 出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法。如: 由交流電源供電, 使用晶閘管整流器進(jìn)行相控調(diào)壓；脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)壓等。這些調(diào)壓調(diào)速法具 有平滑度高、能耗少、精度高等優(yōu)點(diǎn), 在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用, 其中PWM的應(yīng)用更為廣泛。 脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)壓34的基本原理是：利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開, 并通過改變一個周期內(nèi)電源的接通和斷開時(shí)間的長短,即用改變電機(jī)電樞（定子）電壓的接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來改變平均電壓的大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中,當(dāng)電機(jī)通電時(shí),其速度增加；電機(jī)斷電時(shí),其速度降低。只要按照定的規(guī)

7、律改變通、斷電的時(shí)間,即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為開關(guān)驅(qū)動裝置2研究課題的目的和意義而在眾多PWM變換器實(shí)現(xiàn)方法中，又以H型PWM變換器更為多見。這種電路具備電流連續(xù)、電動機(jī)四象限運(yùn)行、無摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，本次設(shè)計(jì)以H型PWM直流控制器為主要研究對象。要研究PWM調(diào)速方法，不能不提到微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)，沒有這些技術(shù)的支持，我們就只能還是在走前人的老路，被模擬、人工控制的思維所禁錮。在電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制領(lǐng)域，如果不能有效的引用這些技術(shù)，我們很難有所突破，發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而有所進(jìn)步。 PWM控制技術(shù)一般可分為三大類，即

8、正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM，從實(shí)現(xiàn)方法上來看，大致有模擬式和數(shù)字式兩種，而數(shù)字式中又包括硬件、軟件或查表等幾種實(shí)現(xiàn)方式，從控制特性來看主要可分為兩種：開環(huán)式（電壓或磁通控制型）和閉環(huán)式（電流或磁控型）。 隨著計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字化PWM已逐步取代模擬式PWM，成為電力電子裝置共用的核心技術(shù)。交流電機(jī)調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術(shù)的不斷進(jìn)步。目前廣泛應(yīng)用的是在規(guī)則采樣PWM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的準(zhǔn)優(yōu)化PWM法，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法，這兩種方法具有計(jì)算簡單、實(shí)時(shí)控制容易的特點(diǎn)。 1.2 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由 自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)

9、了采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制的控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)4。PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性： （1）主電路線路非常簡單，需要用到的功率器件比較少。 （2）開關(guān)頻率比較高，電機(jī)損耗及發(fā)熱都比較少，電流很容易連續(xù)，并且諧波少。 （3）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗比較小，裝置效率比較高。 （4）低速性能比較好，調(diào)速范圍比較寬，穩(wěn)速精度比較高。 （5）若與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)比較快，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。 （6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 由于有上述優(yōu)點(diǎn)，直流PWM調(diào)

10、速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速系統(tǒng)，這是我們選取它作為研究對象的重要原因3設(shè)計(jì)要求3.1給定條件（1） 電機(jī)參數(shù)型號P(對)Z2-91-21795.522060059.01 （2）折合到電機(jī)軸上的總飛輪矩 (3）電樞電阻估算：，3.2技術(shù)要求（1） 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差（2）動態(tài)指標(biāo):電流超調(diào)量，啟動到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量（按飽和方式算）（3）要求以轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)形式作為控制方案（4）要求主電路采用晶閘管整流電路 ，采用單相橋式全控整流電路； ，采用三相半波可控整流電路； ，采用三相橋式全控整流電路。（5）要求電流檢測選用交流互感器，經(jīng)整流后輸出

11、電壓作為反饋信號（6）轉(zhuǎn)速反饋信號也經(jīng)過整流以確保極性 (7)PI調(diào)節(jié)器沒有備用微分反饋電路4系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)4.1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4.1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(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 圖 4.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖4.2直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的原理 ASR（速度調(diào)節(jié)器）根據(jù)速度指令Un*和速度反饋Un的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是電

12、流指令的給定信號Ui*（對于直流電動機(jī)來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的可以調(diào)速）。 ACR(電流調(diào)節(jié)器)根據(jù)Ui*和電流反饋Ui的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是UPE（功率變換器件的）的控制信號Uc。進(jìn)而調(diào)節(jié)UPE的輸出，即電機(jī)的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te與TL不相等轉(zhuǎn)速會相應(yīng)的變化。整個過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速不變后，達(dá)到穩(wěn)定。4.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) 一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動機(jī)的過載能力，使電力拖動控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起

13、動，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)1。這種理想的起動過程如圖4.1為實(shí)現(xiàn)在約束條件快速起動，關(guān)鍵是要有一個使電流保持在最大值的恒流過程。根據(jù)反饋控制規(guī)律，要控制某個量，只要引入這個量的負(fù)反饋。因此采用電流負(fù)反饋控制過程，起動過程中，電動機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負(fù)反饋；穩(wěn)定運(yùn)行過程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋為主。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖4.3。 圖4.2理想啟動過程 參考雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)圖和一些電力電子的知識，采用機(jī)理分析法可以得到雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.4所示。 圖4.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動

14、態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.4轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流控制系統(tǒng)（a） 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) （b）理想的快速啟動過程 圖4.4直流調(diào)速系統(tǒng)的電流，轉(zhuǎn)速啟動特性曲線 雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時(shí)，有必要先探討它的起動過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在突加給定電壓Un*由靜止?fàn)顟B(tài)起動時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖4.4所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分為三個階段，在圖中表以、和。 第階段：0t1是電流上升階段。突加給定電壓Un*后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，當(dāng)IdIdl后

15、，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。由于電機(jī)慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會太快，因而ASR的輸入偏差電壓Un=Un*Un數(shù)值較大并使其輸出達(dá)到飽和值U*im，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。當(dāng)Id=Idm時(shí)，UiU*im，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使Id不再迅速增加，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。 第階段：t1t2是恒流加速階段。這一階段是起動過程的主要階段。在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒流給定U*im作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于ACR的參數(shù)），因而拖動系統(tǒng)

16、的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增加。又Ud0=RdId+Cn，nUd0Uct，這樣才能保持Id=cont。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓Ui=U*i-Ui必須維持一定的恒值，也就是說，Id應(yīng)略低于Idm。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時(shí)整流裝置的最大電流Ud0m也須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和，這都是設(shè)計(jì)中必須注意的。 第階段：t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。此時(shí)n=n*，Un=U*n，Un=0，但由于積分作用，U*i=U*im，所以電動機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速必超調(diào)。當(dāng)n>n*時(shí)，Un<0，使AS

17、R退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓U*i迅速下降，Id也迅速下降。但由于Id>Idl，在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)增加。當(dāng)Id= Idl時(shí)，T =TL,n達(dá)到最大值（t3時(shí)刻）。此后，電動機(jī)在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流Id也出現(xiàn)一段小與IdL的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是力圖使Id盡快地跟隨ASR的輸出量U*i，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有三個特點(diǎn)：1 飽和非線性。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)。2 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制

18、。階段屬于電流受限制條件下的最短時(shí)間控制。采用飽和非線性 控制方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有使用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。3 轉(zhuǎn)速必超調(diào)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓Un為負(fù)值，才能使ASR退飽和。這就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必超調(diào)。4.5 PWM變換器介紹 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下面分別對各種形式的PWM變換器做一下簡單的介紹和分析。 不可逆PWM變換器分為無制動作用和有制動作用兩種。圖4.5（a）所

19、示為無制動作用的簡單不可逆PWM變換器主電路原理圖，其開關(guān)器件采用全控型的電力電子器件。電源電壓Us一般由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控整流電路提供。電容C的作用是濾波，二極管VD在電力晶體管VT關(guān)斷時(shí)為電動機(jī)電樞回路提供釋放電儲能的續(xù)流回路。圖（a）原理圖圖（b）電流電壓波形圖 圖4.5簡單的不可逆PWM變換電路 電力晶體管VT的基極由頻率為f，其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓Ub驅(qū)動。在一個開關(guān)期T內(nèi)，當(dāng)0tton時(shí)，Ub為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機(jī)電樞兩端；當(dāng)tontT時(shí)，Ub為負(fù)，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電動機(jī)電樞兩端的平均電壓為Ud= Uston/T=Us式中，=Ud/

20、U5=tonTPWM電壓的占空比，稱負(fù)載電壓系數(shù)。ton的變化范圍在01之間，改變，即可以實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。圖4.5（b）時(shí)電動機(jī)電樞的脈沖端電壓ud、平均電壓ud和電樞電流id的波型。由圖可見，電流是id脈動的，其平均值等于負(fù)載電流Idl=TL/Cm（TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Cm直流電動機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比）。由于VT在一個周期內(nèi)具有開關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在0tton期間U5=Rid+Ldid/dt+E在tontT期間0=Rid+Ldid/dt+E式中，R，L電動機(jī)電樞回路的總電阻和總電感；E電動機(jī)的反電動勢。PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率都較高，至少是14kHz，因此

21、電流的脈動幅值不會很大，再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動勢E的波動就更小，在分析時(shí)可以忽略不計(jì)，視n和E為恒值。 這種簡單不可逆PWM電路中電動機(jī)的電樞電流iD不能反向，因此系統(tǒng)沒有制動作用，只能做單向限運(yùn)行，這種電路又稱為“受限式”不可逆PWM電路。這種PWM調(diào)速系統(tǒng)，空載或輕載下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能均差。圖4.5(a)動作用的不可逆PWM變換電路，該電路設(shè)置了兩個電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流的-id通路。這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個象限中運(yùn)行。VT1和VT2的基極驅(qū)動信號電壓大小相等，極性相反，即Ub=-Ub2。當(dāng)電動機(jī)工作在

22、電動狀態(tài)時(shí)，在一個周期內(nèi)平均電流就為正值，電流id分為兩段變化。 在0tton期間，Ub1為正，VT1飽和導(dǎo)通；Ub2為負(fù)，VT2截止。此時(shí)，電源電壓U5加到電動機(jī)電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。在tontT期，Ub1和Ub2改變極性，VT1截止，原方向的電流id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使VT2不可能導(dǎo)通。因此，電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時(shí)，一般情況下實(shí)際上是電力晶體管VT1和續(xù)流二極管VD2交替導(dǎo)通，而VT2則始終不導(dǎo)通，其電壓、電流波型如圖4.6（b）所示，與圖4.3沒有VT2的情況完全一樣。如果電動機(jī)在電動運(yùn)行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使

23、Ub1的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使電動機(jī)電樞兩端的平均電壓Ud降低。但是由于慣性，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n和反電動勢E來不及立刻變化，因而出現(xiàn)Ud<E的情況。這時(shí)電力晶體管VT2能在電動機(jī)制動中起作用。在tontT期間，VT2在正的Ub2和反電動勢E的作用下飽和導(dǎo)通，由E-Ud產(chǎn)生的反向電流-id沿回路3通過VT2流通，產(chǎn)生能耗制動，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場能存儲在回路電感中，直到t=T為止。在Ttton（也就是0tton）期間，因Ub2變負(fù)，VT2截止，-id只能沿回路4經(jīng)二極管VD1續(xù)流，對電源回饋制動，同時(shí)在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導(dǎo)通。在整個制動狀態(tài)

24、中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，VT1始終截止，此時(shí)電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電壓和電流波型圖4.6（c）。反向電流的制動作用使電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。 圖4.6有制動的不可逆PWM變換電路 這種電路構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)還存在一種特殊情況，即在電動機(jī)的輕載電動狀態(tài)中，負(fù)載電流很小，在VT1關(guān)斷后（即tontT期間）沿回路2徑VD2的續(xù)流電流id很快衰減到零，如在圖2.7（d）中的tonT期間的t2時(shí)刻。這時(shí)VD2兩端的壓降也降為零，而此時(shí)由于Ub2為正，使VT2得以導(dǎo)通，反電動勢E經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流-id，產(chǎn)生局部時(shí)間的能耗制動作用。到了0tton期間，VT2關(guān)斷，-id又沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流

25、，到t=t4時(shí)-id衰減到零，VT1在Ub1作用下因不存在而反壓而導(dǎo)通，電樞電流次改變方向?yàn)?id沿回路經(jīng)VT1流通。在一個開關(guān)周期內(nèi)，VT1、VD1、VT2、VD1四個電力電子開關(guān)器件輪流導(dǎo)通，其電流波形示圖4.6（d）。 綜上所述，具有制動作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動機(jī)電樞回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)二象限運(yùn)行，有較好的靜、動態(tài)性能?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T型和H型兩種，其基本電路如圖4.7所示，圖中4.7（a）WM變換.器電路，（b）為H型PWM變換器電路。 圖4.7可逆PWM變換電路 T型電路由兩個可控電力電子器件和與兩個續(xù)

26、流二極管組成，所用元件少，線路簡單，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)便于引出反饋，適用于作為電壓低于50V的電動機(jī)的可控電壓源；但是T型電路需要正負(fù)對稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型電路的一半。H型電路是實(shí)際上廣泛應(yīng)用的可逆PWM變換器電路，它由四個可控電力電子器件（以下以電力晶體管為例）和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路，這種電路只需要單極性電源，所需電力電子器件的耐壓相對較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)電樞兩端浮地。5電路設(shè)計(jì)5.1 PWM（雙極性）主電路設(shè)計(jì)H型變換器電路在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式三種。PWM逆變器的直流電

27、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C0濾波，以獲得恒定的直流電壓Us。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(jī)制動時(shí)只好對濾波電容充電，這時(shí)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(shí)接通VTz。5.2雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控量進(jìn)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(jìn)行采樣與測量。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(shí)間常數(shù)Toi=0.002s，以濾平電流檢測信

28、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(shí)間上配合恰當(dāng)。 圖5.1給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器6系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算6.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(1) 確定時(shí)間常數(shù) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。即單相橋式電路的平均失控時(shí)間 Ts=0.005s。 2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。 3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。 4)電動勢系數(shù)Ce=(Udo-Id*Ra)/n=0.30， 轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cm=30Ce/3.14=2.8。 5）電機(jī)時(shí)間常數(shù)Tm=0.014Ra/375CeCm=0.084s。(2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：i10%，電磁時(shí)間常數(shù)T1=La/Ra=0.0178s

29、?？砂吹湫托驮O(shè)計(jì)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(jì)成PI型的，其傳遞函數(shù)為式中Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； i電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：Tl/Ti=0.0178/0.0037s=4，對于型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都可以接受。(3)選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：ti=T1=0.0178。 電流環(huán)開環(huán)時(shí)間增益:要求i10%時(shí)應(yīng)取KITi=0.5，因此電流反饋系數(shù):=U*im/IROM=10/(1.5×2.9)=2.3V/A；=U*nm/nnom=10/2400=0.004V/(r/min)。PWM裝置放大系數(shù)：Ks=4.8

30、。ACR的比例系數(shù)為:(4) 校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率:1) 檢驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件：ci1/3Ts，即 1/3Ts=1/(3×0.0017)=196.1s-1>ci 滿足近似條件；2) 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：ci31/ TmTl即 31/ TmTl=31/(0.084×0.0178=77.58s-1<ci 滿足近似條件；3) 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：ci1/31/TsToi即 1/31/TsToi=1/31/(0.0017×0.002=180s-1>ci 滿足近似條件。4) 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻為

31、R0=40K，各電阻和電容值計(jì)算如下，6.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(1)確定時(shí)間常數(shù) 1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：2Ti=2×0.0037=0.0074s； 2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù):Ton=0.01s； 3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理：Tn=2Ti+Ton=0.0174s。(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(diǎn)后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動作用點(diǎn)以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié),因此需要由設(shè)計(jì)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(jì)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h=5，則ASR超前時(shí)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(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為：cn=KN/1=KNtn=396.4×0.087s-1=34.5s-11) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：cn3-1(KI/Ti)1/2 即 3-1(KI/Ti)1/2=63.7s-1>cn 滿足簡化條件。2) 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：cn3-1(1/2TiTon)1/2現(xiàn)在，3-1(1/2TiTon)1/2=38.75>cn 滿足近似條件。(5)計(jì)算