直流雙極式可逆PWM調速系統(tǒng)設計

.PAGE.-..-可修遍-..理工大學華夏學院信息工程系課程設計任務書課程名稱：運動控制系統(tǒng)指導教師：班級名稱：開課系、教研室：自動控制題目2:直流雙極式可逆PWM調速系統(tǒng)設計初始條件：1.直流電機參數(shù)：PN＝10KW，UN＝220V，IN＝55A，nN＝1000r/min，Ra＝0.4Ω，直流它勵勵磁電壓220V，電流1.6A2.進線交流電源：三相380V3.采用永磁式測速發(fā)電機，參數(shù)為：23W，110V，0.21A，1900r/min，要求完成的主要任務:1.ASR及ACR電路設計2.轉速反應和電流反應電路設計3.集成脈寬調制電路設計〔如3524〕4.驅動電路設計〔如IR2110〕5.PWM主電路設計課程設計說明書應嚴格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象。滿足如下要求：1．可逆運行，轉速和電流穩(wěn)態(tài)無差，電流超調量小于5％，轉速超調量小于10％。2.對系統(tǒng)設計方案的先進性、實用性和可行性進展論證，說明系統(tǒng)工作原理。3.畫出單元電路圖，說明工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計算過程。4.畫出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標準。指導教師簽名：2016年11月19日直流雙極式可逆PWM調速系統(tǒng)設計1任務分析1.1概述采用脈沖寬度調制的高頻開關控制方式，形成了脈寬調制變換器—直流電動機調速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調速系統(tǒng)或直流PWM調速系統(tǒng)。脈寬調制變換器是把脈沖寬度進展調制的一種直流斬波電路，脈寬調制，是利用電力電子開關器件的導通與關斷，將直流電壓變成連續(xù)的脈沖序列，并通過控制脈沖的寬度或周期到達變壓的目的。 與V-M系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：1〕主電路線路簡單，需用的功率器件少。2〕開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小。3〕低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調速圍寬，可達1：10000左右。4〕假設是與快速響應的電機配合，那么系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗干擾能力強。5〕功率開關器件工作在開關狀態(tài)，道通損耗小，當開關頻率適中時，開關損耗也不大，因而裝置效率高。6〕直流電流采用不控整流時，電網功率因素比相控整流器高。由于有以上優(yōu)點直流PWM系統(tǒng)應用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動態(tài)性能中，已完全取代了V-M系統(tǒng)。為到達更好的機械特性要求，一般直流電動機都是在閉環(huán)控制下運行。經常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉速負反應和電流截止負反應。1.2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的構造圖直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的構造圖如圖1所示，轉速調節(jié)器與電流調節(jié)器串極聯(lián)結，轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調制變換器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、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，以調節(jié)電機轉速，到達設計要求。圖1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的構造簡化圖1.3橋式可逆PWM變換器的工作原理脈寬調制器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調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，以調節(jié)電機轉速。橋式可逆PWM變換器電路如圖2所示。這時電動機M兩端電壓的極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化。圖2橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅動電壓波形如圖3所示。圖3PWM變換器的驅動電壓及輸出電壓、電流波形雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比，電壓系數(shù)，那么在雙極式可逆變換器中調速時，的可調圍為0～1相應的。當時，為正，電動機正轉；當時，為負，電動機反轉；當時，，電動機停頓。但電動機停頓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，不產生平均轉矩，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，在電動機停頓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。1.4PWM調速系統(tǒng)的靜特性由于采用了脈寬調制，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關系式比擬簡單，電壓平衡方程如下.按電壓平衡方程求一個周期的平均值，即可導出機械特性方程式，電樞兩端在一個周期的電壓都是，平均電流用表示，平均轉速，而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時應為零。于是其平均值方程可以寫成那么機械特性方程式2電路設計橋式可逆直流脈寬調速系統(tǒng)主電路的如圖4所示。PWM變換器的直流電源由交流電網經不控的二極管整流器產生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓。由于電容容量較大，突加電源時相當于短路，勢必產生很大的充電電流，容易損壞整流二極管，為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間傳入電阻Rz，合上電源后，用延時開關將Rz短路，以免在運行中造成附加損耗。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，這式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Rx消耗掉這些能量，在泵升電壓到達允許值時接通。圖4橋式可逆直流脈寬調速系統(tǒng)主電路2.1整流電源此電路用于產生±15V電壓作為轉速給定電壓以及基準電壓，如圖5所示：圖5給定及偏移電源電路2.2雙環(huán)調節(jié)器電路為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控量進展采樣，然后與給定值比擬，決定調節(jié)器的輸出，反應的關鍵是對被控量進展采樣與測量。2.2.1轉速調節(jié)器轉速反應電路如圖6所示，由測速發(fā)電機得到的轉速反應電壓含有換向紋波，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)一樣的道理，在轉速給定通道上也參加一樣時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖6轉速反應電路2.2.2電流調節(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。為了平衡反應信號的延遲，在給定通道上參加同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時間上配合恰當。圖7轉速反應電路2.3集成脈寬調制電路PWM生成電路如圖8所示，SG3524生成的PWM信號經過一個非門轉為兩路相反的PWM信號，為了確保上下兩橋臂不會直通發(fā)生事故，中間參加電容、進展邏輯延時，后面再加上非門和與門構成的板胡電路。圖8PWM生成電路本設計采用集成脈寬調制器SG3524作為脈沖信號發(fā)生的核心元件。根據(jù)主電路中IGBT的開關頻率，選擇適當?shù)?、值即可確定振蕩頻率。由初始條件知開關頻率為10kHz，可以選擇，。電路中的PWM信號由集成芯片SG3524產生，SG3524可為脈寬調制式推挽、橋式、單端及串聯(lián)型SMPS(固定頻率開關電源)提供全部控制電路系統(tǒng)的控制單元。由它構成的PWM型開關電源的工作頻率可達100kHz,適宜構成100-500W中功率推挽輸出式開關電源。SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。由SG3524構成的根本電路如圖9所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產生+5V基準電壓。9腳是誤差放大器的輸出端，在1、9引腳之間接入外部阻容元件構成PI調節(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，供部晶體管工作，由電流調節(jié)器輸出的控制電壓作為2引腳輸入，通過其電壓大小調節(jié)11、14引腳的輸出脈沖寬度，實現(xiàn)脈寬調制變換器的功能實現(xiàn)。圖9SG4532管腳構成的電路圖SG3524的基準源屬于常規(guī)的串聯(lián)式線性直流穩(wěn)壓電源,它向集成塊部的斜波發(fā)生器、PWM比擬器、T型觸發(fā)器等以及通過16腳向外均提供+5V的工作電壓和基準電壓,振蕩器先產生0.6V-3.5V的連續(xù)不對稱鋸齒波電壓Vj,再變換成矩形波電壓,送至觸發(fā)器、或非門,并由3腳輸出。振蕩器頻率由SG3524的6腳、7腳外接電容器CT和外接電阻器RT決定,其值為:f=1.15/RTCT?？紤]到對CT的充電電流為(1.2-3.6/RT一般為30μA-2mA),因此RT的取值圍為1.8kΩ~100kΩ,CT為0.001μF~0.1μF,其最高振蕩頻率為300kHz。開關電源輸出電壓經取樣后接至誤差放大器的反相輸入端,與同相端的基準電壓進展比擬后,產生誤差電壓Vr,送至PWM比擬器的一個輸入端,另一個那么接鋸齒波電壓,由此可控制PWM比擬器輸出的脈寬調制信號。2.4驅動電路IGBT驅動采用了集成芯片IR2110，IR2110采用14端DIP封裝，引出端排列如圖10所示。圖10IR2110管腳圖它的各引腳功能如下：腳1〔LO〕是低端通道輸出；腳2〔〕是公共端；腳3〔Vss〕是低端固定電源電壓；腳5〔Us〕是高端浮置電源偏移電壓；腳6(UB)是高端浮置電源電壓；腳7〔HO〕是高端輸出；腳9〔VDD〕是邏輯電路電源電壓；腳10〔HIN〕、腳11〔SD〕、腳12〔LIN〕均是邏輯輸入；腳13〔Vss〕是邏輯電路地電位端外加電源電壓，其值可以為0V；腳4、腳8、腳14均為空端。IGBT驅動電路如圖11所示。IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標準的CMOS輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達500V，du/dt=±50V/ns，在15V下的靜態(tài)功耗僅有1.6mW；輸出的柵極驅動電壓圍為10～20V，邏輯電源電壓圍為5～15V，邏輯電源地電壓偏移圍為－5V～＋5V。IR2110采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。推挽式驅動輸出峰值電流≥2A，負載為1000pF時，開關時間典型值為25ns。兩路匹配傳輸導通延時為120ns，關斷延時為94ns。IR2110的腳10可以承受2A的反向電流。圖11IGBT驅動電路2.5轉速及電流檢測電路轉速檢測電路如圖12。與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機，從而引出與被調量轉速成正比的負反應電壓，與給定電壓相比擬后，得到轉速偏差電壓輸送給轉速調節(jié)器。測速發(fā)電機的輸出電壓不僅表示轉速的大小，還包含轉速的方向，測速電路如圖12所示，通過調節(jié)電位器即可改變轉速反應系數(shù)。圖12轉速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13所示。3調節(jié)器的參數(shù)整定電流調節(jié)器以及轉速調節(jié)器的電路構造如圖13所示，由單刀雙擲開關控制電機轉向，滑動變阻器RP1、RP2分別調節(jié)正反轉時的轉速，RP3可以改變電流的限幅值，下面分別按設計要求計算電路中的各個參數(shù)。轉速反應系數(shù)電流反應系數(shù)圖13電流調節(jié)器以及轉速調節(jié)器的電路計算調節(jié)器參數(shù)之前，先根據(jù)電動機的額定參數(shù)計算電動勢系數(shù)，額定狀態(tài)運行時于是可得3.1電流調節(jié)器參數(shù)的計算電流調節(jié)器按典型Ⅰ型系統(tǒng)設計，根據(jù)無凈差要求，選用PI調節(jié)器。先確定電流環(huán)時間常數(shù)電流濾波時間常數(shù)PWM調壓系統(tǒng)的滯后時間電流環(huán)小時間常數(shù)之和，按小時間常數(shù)近似處理，取調節(jié)器傳遞函數(shù)式中——電流調節(jié)器的比例系數(shù)；——電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。ACR超前時間常數(shù)電流開環(huán)增益:因要求，故應取，因此于是ACR的比例系數(shù)為計算電流調節(jié)器的電路參數(shù)調節(jié)器原理圖如圖13所示按所用運算放大器，取各電阻和電容值計算如下：3.2轉速調節(jié)器參數(shù)的計算首先確定轉速環(huán)時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)轉速濾波時間常數(shù)，根據(jù)測速發(fā)電機的紋波情況?。晦D速環(huán)小時間常數(shù)，按小時間常數(shù)盡速處理取根據(jù)設計要求，轉速環(huán)應該設計為典型Ⅱ型系統(tǒng)，調節(jié)器也采用PI型，其傳遞函數(shù)為根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原那么取那么ASR超前時間常數(shù)轉速環(huán)開環(huán)增益于是ASR的比例系數(shù)為調節(jié)器原理圖如圖13所示，按所用運算放大器，取各電阻和電容值計算如下：3.3參數(shù)的校驗3.3.1電流參數(shù)的校驗校驗近似條件：電流環(huán)截止頻率校驗PWM調壓系統(tǒng)傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足。因為，所以滿足近似條件。校驗忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是否滿足?，F(xiàn)在，滿足近似條件。校驗小時間常數(shù)近似處理是否滿足條件?，F(xiàn)在，滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動態(tài)設計指標要求和近似條件。3.3.2轉速參數(shù)的校驗校驗近似條件：轉速環(huán)截止頻率校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足?，F(xiàn)在，滿足簡化條件。校驗小時間常數(shù)近似處理是否滿足?，F(xiàn)在，滿足近似條件。3.3.3校驗退飽和轉速超調量當h=5時，查表得，δn=37.6%，不能滿足設計要求。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，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。設理想空載起動時，負載系數(shù)z=0，直流電機參數(shù)：PN＝10KW，UN＝220V，IN＝55A，nN＝1000r/min，Ra＝0.4Ω，直流它勵勵磁電壓220V，電流1.6A；PWM裝置放大系數(shù)Ks=40；時間常數(shù)Tm=0.1s，Tl=0.03s；永磁式測速發(fā)電機參數(shù)為：23W，110V，0.21A，1900r/min，當時，；而，因此均滿足設計要求。系統(tǒng)的整體電路構造見附錄。4總結當今，自動化控制系統(tǒng)己經在各行各業(yè)得到了廣泛的應用和開展，而直流雙極式可逆PWM調速系統(tǒng)制作為電氣傳動的主流在現(xiàn)代化生產中起著主要作用。本設計主要研究直流雙極式可逆PWM調速系統(tǒng)，它主要由三局部組成，包括控制局部、功率局部、直流電動機。長期以來，直流電動機因其具有調節(jié)轉速比擬靈活、方法簡單、易于大圍平滑調速、控制性能好等特點，一直在傳動領域占有統(tǒng)治地位。這次課程設計歷時兩周，在整整兩個個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的東西，同時不僅可以穩(wěn)固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。經過這次課程設計我感受頗多。在正式進展設計之前，我參考了一些網上的資料，通過對這些設計方案來開拓自己的思路，最后終于有了自己的思路。課程設計不僅是對前面所學電力