雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

交直流調(diào)速課程設(shè)計任務(wù)書1、題目：雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計2、設(shè)計目地1對先修課程<電力電子學(xué)、自動控制原理等）地進一步理解與運用2運用《電力拖動控制系統(tǒng)》地理論知識設(shè)計出可行地直流調(diào)速系統(tǒng),通過建模、仿真驗證理論分析地正確性.也可以制作硬件電路.b5E2RGbCAP3同時能夠加強同學(xué)們對一些常用單元電路地設(shè)計、常用集成芯片地使用以及對電阻、電容等元件地選擇等地工程訓(xùn)練.達到綜合提高學(xué)生工程設(shè)計與動手能力地目地.p1EanqFDPw3、系統(tǒng)方案地確定自動控制系統(tǒng)地設(shè)計一般要經(jīng)歷從“機械負載地調(diào)速性能<動、靜）→電機參數(shù)→主電路→控制方案”<系統(tǒng)方案地確定）→“系統(tǒng)設(shè)計→仿真研究→參數(shù)整定→直到理論實現(xiàn)要求→硬件設(shè)計→制版、焊接、調(diào)試”等過程,其中系統(tǒng)方案地確定至關(guān)重要.為了發(fā)揮同學(xué)們地主管能動作用,且避免方案及結(jié)果雷同,在選定系統(tǒng)方案時,規(guī)定外地其他參數(shù)有同學(xué)自己選定.DXDiTa9E3d1主電路采用二極管不可控整流,逆變器采用帶續(xù)流二極管地功率開關(guān)管IGBT構(gòu)成H型雙極式控制可逆PWM變換器；RTCrpUDGiT2速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器；3機械負載為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載,調(diào)速范圍D=2；系統(tǒng)飛輪矩<含電機及傳動機構(gòu)）4主電源：可以選擇單相交流220V供電；變壓器二次電壓為67V；1他勵直流電動機地參數(shù)：略4、設(shè)計任務(wù)1總體方案地確定；2主電路原理及波形分析、元件選擇、參數(shù)計算；3系統(tǒng)原理圖、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖、主要硬件結(jié)構(gòu)圖；4控制電路設(shè)計、原理分析、主要元件、參數(shù)地選擇；5調(diào)節(jié)器、PWM信號產(chǎn)生電路地設(shè)計；6檢測及反饋電路地設(shè)計與計算；5、課程設(shè)計報告地要求：1不準相互抄襲或代做,一經(jīng)查出,按不及格處理；2報告字數(shù)：不少于8000字<含圖、公式、計算式等）.3形式要求：以《福建農(nóng)林大學(xué)本科生課程設(shè)計》<工科）地規(guī)范化要求撰寫.要求文字通順、字跡工整、公式書寫規(guī)范、報告書上地圖表允許徒手畫,但必須清晰、正確且要有圖題.5PCzVD7HxA4必須畫出系統(tǒng)總圖,總圖不準徒手畫,電路圖應(yīng)清潔、正確、規(guī)范.未進行具體設(shè)計地功能塊允許用框圖表示,且功能塊之間地連線允許用標號標注.jLBHrnAILg6、參考資料1電氣傳動控制系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)李榮生主編機械工業(yè)出版社2004.62新型電力電子變換技術(shù)陳國呈中國電力出版社3電力拖動自動控制系統(tǒng),上海工業(yè)大學(xué)陳伯時機械工業(yè)出版社4電力電子技術(shù)王兆安黃俊主編機械工業(yè)出版社2000.1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)正負相間,這是雙極式PWM變換器地特征,其電壓、電流波形如圖2所示.電動機地正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負脈沖地寬窄上.當(dāng)正脈沖較寬時,,則地平均值為正,電動機正轉(zhuǎn),當(dāng)正脈沖較窄時,則反轉(zhuǎn)；如果正負脈沖相等,,平均輸出電壓為零,則電動機停止.kavU42VRUs雙極式控制可逆PWM變換器地輸出平均電壓為<1-1）如果定義占空比,電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中<1-2）調(diào)速時,地可調(diào)范圍為0～1相應(yīng)地.當(dāng)時,為正,電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng)時,為負,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,而是正負脈寬相等地交變脈沖電壓,因而電流也是交變地.這個交變電流地平均值等于零,不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩,徒然增大電動機地損耗這是雙極式控制地缺點.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).y6v3ALoS89雙極式控制地橋式可逆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)器件地驅(qū)動脈沖仍較寬,有利于保證器件地可靠導(dǎo)通.1.4PWM調(diào)速系統(tǒng)地靜特性由于采用了脈寬調(diào)制,電流波形都是連續(xù)地,因而機械特性關(guān)系式比較簡單,電壓平衡方程如下<1-3）<1-4）按電壓平衡方程求一個周期內(nèi)地平均值,即可導(dǎo)出機械特性方程式,電樞兩端在一個周期內(nèi)地電壓都是,平均電流用表示,平均轉(zhuǎn)速,而電樞電感壓降地平均值在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零.于是其平均值方程可以寫成M2ub6vSTnP<1-5）則機械特性方程式<1-6）二、電路設(shè)計H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路地如圖2-1所示.PWM逆變器地直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控地二極管整流器產(chǎn)生,并采用大電容濾波,以獲得恒定地直流電壓.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,在泵升電壓達到允許值時接通VTz.0YujCfmUCw圖2-1H橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路四單元IGBT模塊型號：20MT120UF主要參數(shù)如下：=1200V=16A=1002.1給定基準電源此電路用于產(chǎn)生±15V電壓作為轉(zhuǎn)速給定電壓以及基準電壓,如圖2-2所示：圖2-2給定基準電源電路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)器地輸出,反饋地關(guān)鍵是對被控量進行采樣與測量.eUts8ZQVRd2.2.1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)器地輸入,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.為了平衡反饋信號地延遲,在給定通道上加入同樣地給定濾波環(huán)節(jié),使二者在時間上配合恰當(dāng).sQsAEJkW5T圖2-3含給定濾波與反饋濾波地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2-4所示,由測速發(fā)電機得到地轉(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)一樣地原理,在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時間常數(shù)地給定濾波環(huán)節(jié).GMsIasNXkA圖2-4含給定濾波與反饋濾波地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)生地核心元件.根據(jù)主電路中IGBT地開關(guān)頻率,選擇適當(dāng)?shù)亍⒅导纯纱_定振蕩頻率.TIrRGchYzg電路中地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)成地基本電路如圖2-5所示,由15腳輸入+15V電壓,用于產(chǎn)生+5V基準電壓.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)器輸出地控制電壓作為2引腳輸入,通過其電壓大小調(diào)節(jié)12、13引腳地輸出脈沖寬度,實現(xiàn)脈寬調(diào)制變換器地功能實現(xiàn).7EqZcWLZNX圖2-5SG3524管腳圖圖2-6SG3524引腳接線圖圖2-7SG3524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：1W2.4IGBT基極驅(qū)動電路原理工作原理如圖2-8所示圖2-8EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖EXB841系列驅(qū)動器地各引腳功能如下：腳1：連接用于反向偏置電源地濾波電容器；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地6腳承受過電壓,通過VD1檢測是否過電流,接VZ3地目地是為了改變EXB模塊過流保護起控點,以降低過高地保護閥值從而解決過流保護閥值太高地問題.R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩(wěn)定地電壓.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.lzq7IGf02E針對EXB841存在保護盲區(qū)地問題,可如圖12所示將EXB841地6腳地超快速恢復(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大一點地超快速恢復(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過窄脈寬下地低輸出大功耗狀態(tài).針對EXB841軟關(guān)斷保護不可靠地問題,可以在EXB841地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)斷地可靠性.針對負偏壓不足地問題,可以考慮提高負偏壓.一般采用地負偏壓是-5V,可以采用-8V地負偏壓(當(dāng)然負偏壓地選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓地限制>,輸人信號被接到15腳,EXB841正常工作驅(qū)動IGBT.zvpgeqJ1hk圖2-9EXB841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地輸出信號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、寬度變化地方波脈沖序列,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2-10所示NrpoJac3v1圖2-10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2-11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)速成正比地負反饋電壓,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)電機地輸出電壓不僅表示轉(zhuǎn)速地大小,還包含轉(zhuǎn)速地方向,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).1nowfTG4KI圖2-11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地電流檢測電路原理如圖2-12所示.圖2-12

閉環(huán)霍爾電流傳感器地工作原理霍爾電流傳感器地結(jié)構(gòu)如圖13所示.用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯,套在被測電流流過地導(dǎo)線上,將導(dǎo)線中電流感生地磁場聚集起來,在磁芯上開一氣隙,內(nèi)置一個霍爾線性器件,器件通電后,便可由它地霍爾輸出電壓得到導(dǎo)線中流通地電流.fjnFLDa5Zo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2kV～12kV；3）電流測量范圍寬,可測量額定1mA～50kA電流；4）跟蹤速度di/dt>50A/μs；5）線性度優(yōu)于0.1％IN；6）響應(yīng)時間<1μs；7）頻率響應(yīng)0～100kHz.三、調(diào)節(jié)器地參數(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；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；6>觸發(fā)整流環(huán)節(jié)地允許過載倍數(shù)λ=1；設(shè)計指標：1>靜態(tài)指標：無靜差；2>動態(tài)指標：電流超調(diào)量；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時地轉(zhuǎn)速超調(diào)量.計算反饋關(guān)鍵參數(shù)：<3-1）<3-2）3.1電流環(huán)地設(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)>.tfnNhnE6e52）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求：,而且<3-3）可按典型Ⅰ型設(shè)計電流調(diào)節(jié)器.電流環(huán)控制對象是雙慣性型地,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計成PI型地,其傳遞函數(shù)為<3-4）式中——電流調(diào)節(jié)器地比例系數(shù)；——電流調(diào)節(jié)器地超前時間常數(shù).3）選擇電流調(diào)節(jié)器地參數(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<3-5）于是,ACR地比例系數(shù)為:<3-6）4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率:<3-7）<1）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：<3-8）即<3-9）滿足近似條件；<2）忽略反電動勢對電流環(huán)影響地條件：<3-10）即<3-11）滿足近似條件；<3）小時間常數(shù)近似處理條件：<3-12）即<3-13）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<3-14）,取<3-15）,取<3-16）3.2轉(zhuǎn)速環(huán)地設(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地原則,在負載擾動點后已經(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Ⅱ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Ⅱ型系統(tǒng)—選用設(shè)計PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為HbmVN777sL<3-17）3）選擇調(diào)節(jié)器地參數(shù)根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好地原則取,則ASR超前時間常數(shù)為<3-18）轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：<3-19）ASR地比例系數(shù)：<3-20）4）近似校驗轉(zhuǎn)速截止頻率為：<3-21）<1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：<3-22）現(xiàn)在<3-23）滿足簡化條件.<2）小時間常數(shù)近似處理條件：<3-24）現(xiàn)在<3-25）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200<3-26）,取0.2<3-27）,取0.5<3-28）6）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)計算地,而突加階躍給定時,ASR飽和,不符合線性系統(tǒng)地前提