历史学双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

课 程 设 计

课程名称 运动控制系统 课题名称 可逆直流脉宽双闭环调速系统的设计

专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 刘星平

2011年 9 月 13 日

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称： 运动控制系统

题 目：可逆直流脉宽双闭环调速系统的设计

专业班级： 学生姓名： 学号： 指导老师： 刘星平 赵葵银 审 批： 李晓秀

任务书下达日期 2011年09月13日 课程设计完成日期2011年09月23日

设计内容与设计要求 一． 设计内容： 1． 电路功能： 1） 用脉宽调制方式实现直流电机调压调速。能实现双闭环的调节和控制，能实现可逆运行。 2） 电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：主电力电子开关器件与续流管。控制电路主要环节：脉宽调制PWM电路、电压电流检测单元、调节器，驱动电路、检测与故障保护电路。 3） 主电路电力电子开关器件采用GTR、IGBT或MOSFET。 4） 系统具有完善的保护 2. 系统总体方案确定 3. 主电路设计与分析 1）确定主电路方案 2）主电路元器件的计算及选型 3）主电路保护环节设计 4. 控制电路设计与分析 1）检测电路设计 2）功能单元电路设计 3）调节控制电路参数确定 二． 设计要求： 1． 设计思路清晰，给出整体设计框图； 2． 单元电路设计，给出具体设计思路和电路； 3． 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。 4． 绘制总电路图 5． 写出设计报告；

主要设计条件 1． 设计依据主要参数 1) 输入电压：（AC）220（1+15%）、输出电压：±0~300VDC 2) 最大输出电压、电流根据电机功率予以选择 3) 要求电机能实现双向无级调速，实现无静差调速。 4) 电机型号布置任务时给定 2. 可进行实验调试或仿真调试 说明书格式 1．课程设计封面； 2．任务书； 3．说明书目录； 4．设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）； 5．单元电路设计（各单元电路图）； 6．故障分析与电路改进、实验及仿真等。 7．总结与体会； 8．附录（完整的总电路图）； 9．参考文献； 10、课程设计成绩评分表

进 度 安 排 第一周星期一:课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路方案确定 星期三:主电路设计 星期四:控制电路设计 星期五:控制电路设计； 第二周星期一: 控制电路设计 星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等 星期四~五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午:答辩及资料整理 参 考 文 献 1．陈伯时．运动控制系统．机械工业出版社，2008 2．王兆安 黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000 3．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000 4．郑琼林 耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996 5．刘定建 朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996 6．刘祖润 胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995 7. 刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999 8. 刘星平. 运动控制系统实验指导书，校内，2009 9. 刘星平.一种新型双闭环直流脉宽调速系统的设计与应用。电气自动化。2003.4

目 录

交直流调速课程设计说明书................................................................................ 1 一、方案确定 ......................................................................................................... 1

1.1方案选定 ................................................................................................... 1 1.2桥式可逆PWM变换器的工作原理 ........................................................ 2 1.3系统控制电路图 ....................................................................................... 5 1.4双闭环直流调速系统的静特性分析........................................................ 6 1.5双闭环直流调速系统的稳态结构图........................................................ 6 二、硬件结构 ......................................................................................................... 8

2.1 主电路 ...................................................................................................... 9 2.2 泵升电压 ........................................................................................ 11 三、主电路参数计算和元件选择 ....................................................................... 12

3.1 整流二极管的选择 ................................................................................ 12 3.2 绝缘栅双极晶体管的选择 .................................................................... 13 四、调节器参数设计和选择 ............................................................................... 14

4.1调节器工程设计方法的基本思路.......................................................... 14 4.2 电流环的设计 ........................................................................................ 14 4.3确定时间常数 ......................................................................................... 15 4.4选择电流调节器结构 ............................................................................. 17 4.5选择电流调节器参数 ............................................................................. 17 4.6检验近似条件 ......................................................................................... 17 4.7计算ACR的电阻和电容 ....................................................................... 18 五转速环的设计 ................................................................................................... 19

5.1确定时间常数 ......................................................................................... 19 5.2 ASR结构设计 ........................................................................................ 19 5.3 选择ASR参数 ...................................................................................... 19 5.4 校验近似条件 ........................................................................................ 19 5.5 计算ASR电阻和电容 ........................................................................... 20 5.6 检验转速超调量 .................................................................................... 20 5.7 校验过渡过程时间 ................................................................................ 21 六 反馈单元 ......................................................................................................... 22

6.1 转速检测装置选择 ................................................................................ 22 6.2 电流检测单元 ........................................................................................ 22 七 系统总电路图 ................................................................................................. 23 心得体会 ............................................................................................................. 24

交直流调速课程设计说明书

一、方案确定

1.1方案选定

直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM装置。其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。 总体方案简化图如图1所示。

IdβRUn*ASR-αUi*-ACRPWMKs1/Cen

图1 双闭环调速系统的结构简化图

用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反

馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。

1.2桥式可逆PWM变换器的工作原理

脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。

桥式可逆PWM变换器电路如图2所示。这是电动机M两端电压UAB的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。

UsVT1Ug1VD1VD3VT3Ug3MGMOTOR DCVT2Ug2VD2VD4VT4Ug4

图2 桥式可逆PWM变换器电路

双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图3所示。

2

Ug1Ug4tOtonUg3TUg2tOUABUstOtonT-Usidid1id2tO 图3 PWM变换器的驱动电压波形

他们的关系是：Ug1Ug4Ug2Ug3。在一个开关周期内，当

0tton时，晶体管VT1、VT4饱和导通而VT3、VT2截止，这时

UABUs。当tontT时，VT1、VT4截止，但VT3、VT2不能立即导

通，电枢电流id经VD2、VD3续流，这时UABUs。UAB在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图2所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。

T当正脉冲较宽时，ton，则UAB的平均值为正，电动机正转，当正

2T脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，ton，平均输出电压

2为零，则电动机停止。

双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为

3

Ud如果定义占空比tonTton2tonUs1Us TTTtonU，电压系数d TUs则在双极式可逆变换器中

21

调速时，的可调范围为0～1相应的1~1。当正，电动机正转；当1时，为2110，时，电动机反转；当时，为负，

22电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，

而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。

双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点： 1）电流一定连续。

2）可使电动机在四象限运行。

3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。

4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。

控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积分器）、正弦参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性鉴别器）、PWM波发生器（三相正弦波发生器、锁相环、三相波载波发生器、比较器）及与主电路相隔离的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路。

4

1.3系统控制电路图

控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积分器）、正弦参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性鉴别器）、PWM波发生器（三相正弦波发生器、锁相环、三相波载波发生器、比较器）及与主电路相隔离的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路

通用型PWM变频器原理图框图

5

1.4双闭环直流调速系统的静特性分析

由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下

UsRidLUsRidLdidE (0tton). dtdidE (tontT) dt按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是UdUs，平均电流用Id表示，平均转速nE/Ce，而电枢电感压降L于是其平均值方程可以写成

did的平均值在稳态时应为零。dtUsRIdERIdCen

则机械特性方程式

RRnIdn0Id

CeCeCeUs 1.5双闭环直流调速系统的稳态结构图

首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图4所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。

6

图4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。如图5为双闭环直流调速系统原理.

图5 双闭环直流调速系统原理图

7

二、硬件结构

双闭环直流调速系统主电路中的 UPE 是直流 PWM 功率变换器。系统的特点：双闭环系统结构，实现脉冲触发、转速给定和检测。由软件实现转速、电流调节，系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路组成。如图6为双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图。

图6 双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图

8

2.1 主电路

主电路由二极管整流器 UR、PWM 逆变器 UI 和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容 C 滤波，同时兼有无功功率交换的作用。

可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图7为桥式可逆PWM变换器。这时电动机M两端电压Uab的极性随开关器件驱动电压极性的变化而变化，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，本设计用的是双极性控制的可逆PWM变换器。双极性控制的桥式可逆PWM变换器有电流一定连续、可使电动机在四象限运行、电动机停止时有微振电流可消除静摩擦死区、低速平稳性好等优点。

图7 桥式可逆PWM变换器

图8为双极式控制时的输出电压和电流波形。id1相当于一般负载的情况，脉动电流的方向始终为正；id2相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。

9

图8 双极式控制时的输出电压和电流波形

双极性控制可控PWM变换器的输出平均电压为 UdtonTton2tUsUs(on1)Us TTT

转速反馈电路如图9所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有

换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数

Ton0.012s。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入

相同时间常数的给定滤波环节。

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RnUn*R0/2R0/2CnUi*ConR0/2R0/2RbalCon-Un 图 9 转速反馈电路

2.2 泵升电压

当脉宽调速系统的电动机减速或停车时,储存在电机和负载传动部分的动能将变成电能，并通过 PWM 变压器回馈给直流电源。一般直流电源由不可控的整流器供电，不可能回馈电能，只好对滤波电容器充电而使电源电压升高，称作“泵升电压”。如果要让电容器全部吸收回馈能量，将需要很大的电容量，或者迫使泵升电压很高而损坏元器件。在不希望使用大量电容器（在容量为几千瓦的调速系统中，电容至少要几千微法）从而大大增加调速装置的体积和重量时，可以采用由分流电阻 R 和开关管 VT 组成的泵升电压电路，用R 来消耗掉部分动能。R 的分流电路靠开个器件 VT 在泵升电压达到允许数值时接通。

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三、主电路参数计算和元件选择

主电路参数计算包括整流二极管计算，滤波电容计算、功率开关管 IGBT 的选择及各种保护装置的计算和选择等。

3.1 整流二极管的选择

根据二极管的最大整流平均 If和最高反向工作电压 UR 分别应满足：

If1.1Io(AV)21.16/23.3（A） UR1.12U21.12110171（V）

选用大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：

额定正向平型号 均电流If（A) ZP10A

在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容C值，使RC（3~5）T/2，且有

Udmax0.91100.9594（V)

额定反向峰值电压URM（V) 200~2000 正向平均压降UF （V) 反向平均漏电流IR （mA) 散热器型号 10 0.5~0.7 6 SZ14 2C1.50.02，即C15000uF

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故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400V，标称容量为22000uF。

3.2 绝缘栅双极晶体管的选择

最大工作电流 Imax≈2Us/R=440/0.45=978(A)

集电极－发射极反向击穿电压（BVCEO） 3)Us=440～660v

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BVCEO）≥(2～

（

四、调节器参数设计和选择

4.1调节器工程设计方法的基本思路

先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态

精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。

设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先从电流环人手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

4.2 电流环的设计

H型单极式PWM变换器供电的直流调速系统，采用宽调速直流电动机。

额定力矩为4.9N·m，电枢电阻Ra=1.，电枢回路总电感L=10.2mH，额定电流Inom=6A，额定电压Unom=110V。

调速系统的最小负载电流Io=1A，电源电压Us=122V，电力晶体管集电极电阻Rc=2.5，设K1=K2=2。=1000r/min，电枢回路总电阻R=2Ω,电流过载倍数λ=2。 如图10为电流环结构图

图10 电流环结构图

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4.3确定时间常数

CeUNRaIN1101.60.1Vmin/r nN1000GD2R1.52Tm0.08s 2375CeCm3750.130L10.2103Tl0.005s

R2 （1）脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数TPWM与传递函数的计算

电动机的启动电流为

Us122 IsA61A

R2启动电流与额定电流比为

Is61s10.167IN6

晶体管放大区的时间常数为

Tce11s0.159s62f23.1410

电流上升时间tr的计算公式为

k1trTcelnk10.95

式中k1——晶体管导通时的过饱和驱动系数，取k1=2则

k12trTclen0.159lnsk10.9520.95

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0.1s03

电流下降时间tf的计算公式为

tfTceln1k20.05k2

式中k2——晶体管截止时的负向过驱动系数，取k2=2 则 又

tfTceln1k2120.159lns0.061s0.05k20.052

最佳开关频率为

TlL10.2ms5.1ms0.005s1R2

fop0.3323sTl2(trtf)0.332310.167Hz4434.8Hz0.00512(0.1030.061)106

开关频率f选为4.4kHz，此开关频率已能满足电流连续的要求。

于是开关周期

TPWM10.23msf

脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为

Ud110KPWM*11Ui10

于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传递函数为

KPWM11WPWM(S)TPWMs10.00023s1

（2）电流滤波时间常数 Toi 取0.5ms

（3）电流环小时间常数 TiTPWMTo0.i23ms0.5ms0.7 m 3 s

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4.4选择电流调节器结构

根据设计要求，i%5%，而且Tl/Ti5.1/0.736.9910 因此可以按典型I型系统设计

电流调节器选用PI型，其传递函数为

is1WACR(s)*Kiis

4.5选择电流调节器参数

5 1 iTl0.00s要求i%5%时，应取KITi0.5，因此

又

KI0.50.5s1684.93s1Ti0.00073

*Uim100.833V/AIN26

于是

KiKIiRKPWM

684.930.005120.760.83311

4.6检验近似条件

1s3 ciKI684.9

（1）要求

ci111s11449.3s1ci3TPWM，现3TPWM30.00023。

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ci3（2）要求

31TmTl，现

113s1130.s1ciTmTl0.1030.0051。

ci（3）要求

113TPWMToi，

1111982.95s1ci现3TPWMToi30.000230.0005。

可见均满足要求。

4.7计算ACR的电阻和电容

取R0=40k，则

i00.70 RiKR3k0.，取4Ri30k

CiiRi0.0051610F0.1F730000

Coi4Toi40.0005610F0.0F53R04010

按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为故满足设计要求。

i4.3%5%，

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五转速环的设计

5.1确定时间常数

（1）电流环等效时间常数为（2）取转速滤波时间常数（3）

2Ti20.00730.00146s

Ton0.005s

Tn2TiTon0.00146s0.005s0.006s5.2 ASR结构设计

根据稳态无静差及其他动态指标要求，按典型II型系统设计转速环，ASR选用PI调节器，其传递函数为

WASR(s)Knns1ns

5.3 选择ASR参数

取h=5，则

nhTn50.006s0.0323s

KNh16s22875.5s22222hTn2250.006

Kn则

(h1)CeTm60.8330.090160.10335.922hRTn250.0120.006

5.4 校验近似条件

1cnK2875.50.0323s92.88Nn

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cn（1）要求

111273.97s1cn5Ti，现5Ti50.00073。

cn（2）要求

1132TiTon，

现1111s1123.4s1cn32TiTon320.000730.005

可见均能满足要求。

5.5 计算ASR电阻和电容

取

R040k，则

RnK4k0143k6.8nR035.92，取1440k

CnnRn

Con0.0323106F0.022F3144010，取0.1F

4Ton40.005610F0.5FR040130

5.6 检验转速超调量

n%(

CmaxnT)2(z)NnCbnNTm

当h=5时，

nNCmax%81.2%Cb，而

INR62r133.1rminCe0.09016min，因此

n%81.2%210.167

133.10.00614.8%20%10000.103

20

可见转速超调量满足要求。

5.7 校验过渡过程时间

空载起动到额定转速的过渡过程时间

CeTmnN0.090160.1031000TsT1T2RIN可见能满足设计要求。

2260.39s0.5s21

六 反馈单元

6.1 转速检测装置选择

选测速发电机 永磁式ZYS231/110型，额定数据为P=23.1W，U=110V，I=0.21A，n=1900r/min。

测速反馈电位器RP2的选择 考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，这样，测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小。

测速发电机工作最高电压 UTMnNUTN100011057.V nTN1900UTM57.1378

20%ITN0.20.21测速反馈电位器阻值 RRP1此时RP2所消耗的功率为

PRP1UTM20%ITN57.0.20.212.4W

为了使电位器温度不要很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故选RP2为4W，取2000。

6.2 电流检测单元

本系统要求电流检测不但要反映电枢电流的大小而且还要反映电流极性，所以选用霍尔电流传感器。

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七 系统总电路图

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心得体会

为期10天的课程设计将要结束了。在这两周的学习中，我学到了很多，也找到了自己身上的不足。感受良多，获益匪浅。

这10天中，我们小组分工合作、齐心协力，一起完成了课程设计前的准备工作（阅读课程设计相关文档）、小组讨论分工、完成系统开发的各个文档、课程设计总结报告，个人小结的任务。课程设计这样集体的任务光靠团队里的一个人或几个人是不可能完成好的，合作的原则就是要利益均沾，责任公担。

在集体工作中，团结是必备因素，要团结就是要让我们在合作的过程中：真诚，自然，微笑；说礼貌用语；不斤斤计较；多讨论，少争论，会谅解对方；对他人主动打招呼；会征求同学的意见，会关心同学，会主动认错，找出共同点；会接受帮助，信守诺言，尊重别人，保持自己的特色。

最后，这次课题设计能够完成，应该感谢赖老师、刘老师、唐老师的细心帮助。

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电气与信息工程系课程设计评分表

评 价 项 目 优 设计方案的合理性与创造性 软件设计完成情况 硬件调试完成情况 设计说明书与设计图纸质量 答辩情况 工作能力 完成任务情况 出勤情况 良 中 及格 差 综 合 评 分

指导教师签名：________________

日 期：________________

注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；

②此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。

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