直流電機的PWM電流速度雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計

1、電力拖動課程設(shè)計題目：直流電機的PW帕流速度雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)姓 名： 強學 號：U201311856班 級：電氣1303指導(dǎo)老師：徐偉課程評分：日期：2016-07-10目錄一、設(shè)計目標與技術(shù)參數(shù)二、設(shè)計基本原理（一）調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計（二）橋式可逆PW限換器的工作原理（三）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析（四）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)框圖（五）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路（六）泵升電壓限制（七）主電路參數(shù)計算和元件選擇（八）調(diào)節(jié)器參數(shù)計算三、仿真（一）仿真原理（含建模及參數(shù)）（二）重要仿真結(jié)果（目的為驗證設(shè)計參數(shù)的正確性）四、結(jié)論參考文獻附錄1:調(diào)速系統(tǒng)總圖附錄2:調(diào)速系統(tǒng)仿真圖、設(shè)計目標與技術(shù)參數(shù)直流電機

2、的PWMfe流速度雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計目標如下:額定電壓： U=220V;額定電流：|n=136A;額定車t速：nw =1460r/min ;電樞回路總電阻： R=0.45 Q ;電磁時間常數(shù)：Ti=0.076s ;機電時間常數(shù)：T"0.161s ;電動勢系數(shù)：G=0.132V*min/r ;轉(zhuǎn)速過濾時間常數(shù)：Ton=0.01s ;轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a=0.01V*min/r ;允許電流過載倍數(shù)：入=1.5 ;電流反饋系數(shù)：3 =0.07V/A ;電流超調(diào)量：b 5%轉(zhuǎn)速超調(diào)量：d 10%運算放大器：K=4KQ;晶體管PW時率放大器：工作頻率：2KHz;工作方式：H型雙極性。PW般換器的放

3、大系數(shù)：依=20。二、設(shè)計基本原理（一）調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計在電力拖動控制系統(tǒng)的理論課學習中已經(jīng)知道，采用PI調(diào)節(jié)的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要是因為在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中不能隨心所欲的控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。如圖2-1所示。值）帶電流彼止.負反饋的單閉耳園說系統(tǒng)起動過程 也）切想快速起動過杵圖2-1直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速

4、度的穩(wěn)定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態(tài) 過程。在啟動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主 要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)， 又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機過載能 力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 2-2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 PWMI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，達到設(shè)計要求

5、。直流PWb®制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速控制系統(tǒng)的簡稱， 與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū) 別在于用直流pwMe換器取代了晶閘管變流裝置。-K AH) TA|2-2轉(zhuǎn)速、巾流雙斗門沆一速系酰結(jié)構(gòu)ASR一北速調(diào)行牌ACR電流網(wǎng)打器TG測速發(fā)電機I，一電流一檎器 UPE電力電/變換器（二）橋式可逆PW限換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。橋式可逆PWMe換器電路如圖2-3所示。這是電動機 M兩端電壓UAB的極性隨開關(guān)器AB件驅(qū)動電壓的極性變化而變化。圖2-3橋式可逆PW度換器電

6、路雙極式控制可逆 PWMe換器的四個驅(qū)動電壓波形如圖2-4所示。Ugi Ug4tonUg2Ug3O他們的關(guān)系M.Ugi Ug4 Ug2 Ug3。在一個開關(guān)周期,t如時，晶體管VT,、VT4飽和導(dǎo)通而VT3、VT2截止，這時Uab Us。當ton t T時,VT1、VT4 截止,但VT3、VT2不能立即導(dǎo)通，電樞電流id經(jīng)VD2、VD3續(xù)流，這時UabUs。U AB 在一個周期正負相間，這是雙極式pwMe換器的特征，其電壓、 電流波形如圖2-4所示。電動機的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時,ton-2,則u ab的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，當正脈沖較窄時，則反轉(zhuǎn)；如果正負脈沖

7、相等,ton-，平均輸出電2壓為零，則電動機停止。雙極式控制可逆pwMe換器的輸出平均電壓為2tonUs如果定義占空比UdUs則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時，的可調(diào)圍為01相應(yīng)的11 - 1。當 a時，為正，電動機正轉(zhuǎn);1 ,，2時，為負，電動機反轉(zhuǎn)；當1 ,2時,0 ,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)， 起著 所謂“動力潤滑”的作用。雙極式控制的橋式可逆

8、 pwMe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。（三）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析由于采用了脈寬調(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Us R E (0 t 3)._ did _UsRidL d E(ton t T)dt按電壓平衡方程求一個周期的平均值，即可導(dǎo)出機械特性方程式， 電樞兩端在一個周期- .一did的電壓都是Ud Us,平均電流用Id表示，平均轉(zhuǎn)速n E/Ce,而電樞電感壓降 L3 的dt平均值在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為

9、零。于是其平均值方程可以寫成Us RId E RId Cen則機械特性方程式n0UsR .I dCeCe（四）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-5,分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和一一輸出達到限幅值；不飽和一一輸出未達到 限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出， 相當與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是為零。匕圖2-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說, 只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況

10、。（五）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路中的UPE是直流PWM功率變換器。系統(tǒng)的特點：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測。由軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)，系統(tǒng)由主電路、檢測電路、控制電路、給定電路、顯示電路組成。如圖 2-6所示。中用匕出認.1£陵州出臨檢內(nèi)H I.r 1二ffi2H狄JuI度1K電電暗HAT 生 皮圖2-6雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖主電路：三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動機供電。檢測回路：包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測。電壓、電流和溫度檢測由A/D轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字

11、量送入微機；轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速（光電碼盤）。故障綜合：利用微機擁有強大的邏輯判斷功能，對電壓、電流和溫度等信號進行分析比較，若發(fā)生故障立即通知微機進行故障診斷，以便及時處理，避免故障進一步擴大。這也是才用微機控制的優(yōu)勢所在。(六)泵生電壓限制當脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機減速或停車時，儲存在電機和負載傳動部分的動能將變成電能，并通過PWM變壓器回饋給直流電源。一般直流電源由不可控的整流器供電，不可能回 饋電能，只好對濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓” 。如果要讓電容器全 部吸收回饋能量，將需要很大的電容量， 或者迫使泵升電壓很高而損壞元器件。在不希望使用大量電容器(在容量為幾千瓦的調(diào)速系

12、統(tǒng)中，電容至少要幾千微法)從而大大增加調(diào)速裝置的體積和重量時，可以采用由分流電阻R和開關(guān)管VT組成的泵升電壓限制電路，用 R來消耗掉部分動能。R的分流電路靠開個器件 VT在泵升電壓達到允許數(shù)值時接通。(七)主電路參數(shù)計算和元件選擇主電路參數(shù)計算包括整流二極管計算，濾波電容計算、功率開關(guān)管IGBT的選擇及各種保護裝置的計算和選擇等。(1)整流二極管及濾波電容的計算根據(jù)二極管的最大整流平均If和最高反向工作電壓Ur分別應(yīng)滿足：If 1.1 Io(av)2 1.1 6/2 3.3 (A)Ur 1.1 冊 U2 1.1 品 110 171 (V)選用大功率硅整流二極管，型號和參數(shù)如下所示:型號額定正向

13、平均 電流If (A)額定反向峰值電壓URM(V)正向平均壓降Uf (V)反向平均漏電流 IR (mA)散熱器型號ZP10A1020020000.50.76SZ14在設(shè)計主電路時，濾波電容是根據(jù)負載的情況來選擇電容C值，使RC (35) T/2,且有Udmax 0.9 110 0.95 94 (V)2 C 1.5 0.02,即 C 15000UF故此，選用型號為CD15的鋁電解電容，其額定直流電壓為 400V,標稱容量為22000UF。(2) IGBT的計算最大工作電流Imax= 2Us/R=440/0.45=978(A)集電極發(fā)射極反向擊穿電壓(BVceo)( BVceo) > (23

14、)Us=440660v(八)調(diào)節(jié)器參數(shù)計算(1)調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法的基本思路先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。再選擇調(diào)節(jié)器的 參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標。設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴展。在這里是：先從電流環(huán)人手，首先設(shè)計好電流調(diào)節(jié)器， 然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán) 節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。(2)電流環(huán)的設(shè)計下圖2-7為電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖圖2-7 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖I .確定時間常數(shù)(1) PW廉置滯后時間常數(shù)：Ts=0.0017s。(2)電流濾波時間常數(shù)目取0.002s。(3)電流環(huán)小時間常數(shù)Tsio按小時間常數(shù)近似處理，取T=Ts+

15、Toi=0.0037s。II選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，, 5% ,并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可以按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為Wacr(s)* Ki 上is檢查對電源電壓白WC擾性能：TI/T i 0,076/0.0037 20.54 30 ,參照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。III計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i Ti 0,076s。電流開環(huán)增益：要求i% 5%時，應(yīng)取K1T i 0.5,因此Ki0.5釘于是iR 135.14 0.076 0.21Ki Ki2.84Ks 0.05 20IV檢驗近似

16、條件電流環(huán)截止頻率：ci Ki 135.14s(1)脈寬調(diào)制變換器傳遞函數(shù)近似條件11s 3Ts 3 0.0017196.08sci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3 :1 s 1 27.12s, 0.161 0.076ci滿足近似條件。(3)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件1 1 1 13 V TsToi3 0.0017 0.002180.78sci滿足近似條件。V計算ACR勺電阻和電容取R° =4k,則Ri KRo 2.84 4 11.36k ,取 R 12kCiRi0.076 106 120006.33 FCoi4ToiR04 0.0024 103106

17、F按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為i 4.3% 5% ,故滿足設(shè)計要求。(2)轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計卜圖2-8為轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖簡化。0.511s 135.14s0.0037圖2-8轉(zhuǎn)速環(huán)等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理I確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/Kio 已取 KT i =0.5 ,則(2)取轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)(3)轉(zhuǎn)速環(huán)最小時間常數(shù)Ki2T i 2 0.0037 0.0064sTon。取 Ton=0.01S 。Tn。按小時間常數(shù)近似處理，取T n 2Ti Ton 0.0074s 0.01s 0.0174sII選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)穩(wěn)態(tài)無靜差及其他動態(tài)指標要求，按典型 其傳遞

18、函數(shù)為II型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)， ASR選用PI調(diào)節(jié)器,Wasr(s)Kn3nSIII選才? AS噲數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取n hTh=5,貝UASR的超前時間常數(shù)為n 5 0.0174s 0.087s則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益Knh 1_ 2_ 22h Tn_22 25 0.017422 2S 396.35s是，ASR的比例系數(shù)為1) CeTm6 0.272 0.132 0.1612h RTn2 5 0.00667 2.85 0.017410.49IV校驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為cnKn n396.35 0.087 34.48s 1(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為13Ki1 135.14 11-.；

19、s 63.70s3 0.0037cn滿足簡化條件(2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為3L1354 38.74s113KiTon0.01cn滿足近似條件。V計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取& 4k ，則RnKnR010.494k 41.96kCnRn0.087342 10106 F 2.07Con4TonR04 0.01 以 s3- 10 F 104 103VI檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時，查表得,n=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ASRE飽和的情況重z=0。新計算超調(diào)量。設(shè)理想空載起動時，負載系數(shù) 按ASR退

20、飽和的情況計算超調(diào)量n%C(-Cmx) 2(Cbz i nNTm當h=5時,C-mx% 81.2%CbInRnNCe136 0.45 rTrrnin463.64rrnin因此463.64 0.0174n% 81.2% 2 1.5-8.36% 10%14600.161可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足要求。三、仿真（一）仿真原理（含建模及參數(shù)）圖3-1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型上述PI調(diào)節(jié)器的子模型如下圖3-2和圖3-3所示:圖3-2 ASR調(diào)節(jié)器模型圖3-3 ACR調(diào)節(jié)器模型仿真參數(shù)：Ton=0.01sToi=0.002sTS=0.0017sa =0.0073=0.05Ce=0.132ACR: Kp=2.84

21、1Kp2.8437.31Kii0.076ASR: Kp=10.491Kp10.49p120.46Kin0.087T i =0.076s T卡0.161s（二）重要仿真結(jié)果（目的為驗證設(shè)計參數(shù)的正確性）仿真結(jié)果如下圖3-4和圖3-5所示：RefldyT=ZDQO圖3-4電流響應(yīng)File Tools View Sjmulation Help 斕®。A第，助 tResilyT=2 (JOfl圖3-5轉(zhuǎn)速響應(yīng)J File Tools View Smulation _Help0 .ReadyT*2,0C0四、結(jié)論從仿真結(jié)果中可以看到，電動機的啟動過程經(jīng)歷了電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速超調(diào)后的調(diào)節(jié)三個階段。與該電動機的開環(huán)系統(tǒng)相比，電動機啟動電流大幅度下降，電流環(huán)發(fā)揮了調(diào)節(jié)作用，使最大電流限制在設(shè)定的圍以。修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，可以觀察在不同參數(shù)條件下雙閉環(huán)系統(tǒng)電流和轉(zhuǎn)速的響應(yīng)，修改轉(zhuǎn)速給定，也可以觀察電動機在不同轉(zhuǎn)速時的工