转速电流双闭环操纵PWM可逆直流调速系统设计毕业设计.docx

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转速电流双闭环操纵PWM可逆直流调速系统设计毕业设计

运动操纵系统

课程设计说明书

题目：

PWM可逆直流调速系统设计

专业班级：

电气工程及其自动化02班

2021年6月21日至7月2日

转速电流双闭环控制PWM可逆直流调速系统的设计

CurrentdoubleclosedloopspeedcontrolPWMreversibledcspeedcontrolsystemdesign

学生姓名:

丁俊成

指导教师:

文小玲王振

课程设计量化评分标准 

指标

分值

评分要素

得分

设计完成

情况

30

能独立查阅文献资料，提出并较好地论述课题的实施方案；设计方案选择合理，分析、设计正确，原理清楚；独立进行设计工作，按期圆满完成规定的任务，设计结果达到预期效果，有实用价值。

报告质量

20

报告结构严谨，逻辑严密，论述层次清晰，语言流畅，表达准确，重点突出，报告完全符合规范化要求。

工作量、

工作态度

20

工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。

答辩成绩

30

思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；分析归纳合理，结论严谨；回答问题有理论根据，基本概念清楚。

总评成绩

答辩记录

答辩时间：

答辩地点：

摘要

直流调速系统是自动调速系统的要紧形式，它具有良好的起、制动性能，能够在较宽的调速范围内实现滑腻调速，较快的零动态响应进程，而且低速运转时力矩大这些极好的运行性能和操纵特性，长期以来，直流调速系统一直占据着重腹地位。

从市场的角度来看，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从操纵技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。

因此在直流调速系统电气传动中取得了普遍应用。

本文从直流电动机的工作原理入手，成立了PWM双闭环可逆直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。

在理论分析和仿真研究的基础上，设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、锯齿波产生电路、基准电源、转速调剂电路、电流调剂器电路、PWM波生成电路、桥式可逆直流脉宽系列电路及转速检测电路的具体实现。

然后依照自动操纵原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用MATLAB中的Simulink对系统进行了各类参数给定下的仿真，通过仿真取得了参数整定的依据。

关键词：

双闭环可逆直流调速系统；H桥驱动电路；PWM操纵；模拟调剂器；MATLAB

I

Abstract 

 DC speed control system is the main form of the automatic speed regulation system,it has a good starting and brake performance,can be in a wider range of speed regulation of smooth realized in speed,fast dynamic response process,and low speed running torque these excellent performance and control characteristic,but for a long time,DC speed control system has been occupies an important position. From a market perspective,DC speed control system in theory and practice are more mature, from the point of view of the control technology,it is the foundation of ac speed adjustment system. So in dc speed control system in electric transmission won the widely used. This article from the working principle of dc machines,a PWM double closed loop reversible dc speed control system,and the mathematical model of detailed analysis of system principle and the static and dynamic performance. In the theory analysis and simulation research,and on the basis of design a set of experiments with double closed loop dc speed control system,detailed introduces system main circuit,sawtooth wave produces circuit,benchmark power supply, rotate speed adjustment circuit,current regulator circuit,PWM waves generated circuit,bridge type reversible dc speed pulse width series circuit and the realization of a detection circuit. Then according to automatic control theory,double closed loop speed regulation system,the design parameters of analysis and calculation,the use of MATLAB of Simulink of the system parameters to the set of the simulation,through the simulation won the parameters setting the basis. 

Ⅱ

Keywords:

Doubleclosed-loopirreversibledcspeedregulatingsystem; Hbridgedrivercircuit;PWMcontrol ；Simulation regulator; MATLAB；

1绪论1

选题背景与意义1

课题研究意义2

设计任务和要求3

2系统组成及大体原理5

直流调速系统的调速原理5

双闭环调速的进程和工作原理6

双闭环直流调速系统的组成7

主电路图7

H桥可逆PWM变换器9

爱惜电路11

3设计内容12

设计目的12

系统过流过压产生的要紧缘故12

方案的论证12

过电流爱惜电路及工作原理13

电路结构元器件的选择13

参数的计算及电阻的选取17

元器件清单18

电路特点18

4总结19

5参考文献20

1绪论

直流调速系统具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内滑腻调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中取得了普遍的应用。

最近几年来，高性能交流调速技术进展专门快，交流调速技术进展专门快，交流调速系统正慢慢取代直流调速系统。

但是，直流拖动操纵系统毕竟在理论和实践上都比较成熟，而且基于以上优势，直流调速系统的研究仍然有专门大的现实意义。

选题背景与意义

直流传动具有良好的调速特性和转矩操纵性能，在工业生产中应用较早并沿用至今。

初期直流传动采纳有接点操纵，通过开关设备切换直流电动机电枢（直流电机电枢为转子）或磁场回路电阻实现有级调速（有级调速说白了确实是挂挡）。

1930年以后显现电机放大器操纵的旋转交流机组供电给直流电动机（由交流电动机M和直流发电机G组成，简称G—M系统），以后又显现了磁放大器和汞弧整流器供电等，实现了直流传动的无接点操纵。

其特点是利用了直流电动机的转速与输入电压有着简单的比例关系的原理，通过调剂直流发电机的励磁电流或汞弧整流器的触发相位来取得可变的直流电压供给直流电动机，从而方便地实现调速。

但这种调速方式后来被晶闸管可控整流器供电的直流调速系统所取代，至今已再也不利用。

1957年晶闸管问世后，采纳晶闸管相控装置的可变直流电源一直在直流传动中占主导地位。

由于电力电子技术与器件的进步和晶闸管系统具有的良好动态性能，使直流调速系统的快速性、靠得住性和经济性不断提高，在20世纪相当长的一段时刻内成为调速传动的主流。

正在慢慢推行应用的微机操纵的全数字直流调速系统具有高精度、宽范围的调速操纵，代表着直流电气传动的进展方向。

直流传动之因此经历连年进展仍在工业生产中取得普遍应用，关键在于它能以简单的手腕达到较高的性能指标。

自19世纪80年代起至19世纪末以前，工业上传动所用的电动机一直以直流电动机为唯一方式。

到了19世纪末，显现了三相电源和结构简单，牢固耐用的交流笼型电动机以后，交流电动机传动在不调速的场合才代替了直流电动机传动装置。

但是，随着生产的不断进展，调速对变速传动装置是一项大体的要求，现代应用的许多变速传动系统，在知足必然的调速范围和持续（无级）调速的同时，还必需具有持续的稳固性和良好的瞬态性能。

尽管直流电动性能够知足这些要求，但由于直流电动机在容量、体积、重量、本钱、制造和运行保护方面都不及交流电动机，因此长期以来人们一直期望开发出交流调速电动机代替直流电动机。

随着电力电子学与电子技术的进展，专门是电力半导体器件的进展，使得采纳半导体变流技术的交流调速系统得以实现。

尤其是70年代以来，大规模集成电路和运算机操纵技术的进展，和现代操纵理论的应用，为交流电力拖动系统的进展制造了有利条件，增进了各类类型交流调速系统：

如串级调速系统，变频调速系统，无换向器电动机调速系统和矢量操纵调速系统等的飞速进展。

课题研究意义

转速、电流双闭环直流调速系统是性能专门好，应用最广的直流调速系统，采纳转速、电流双闭环直流调速系统可取得优良的静、动态调速特性。

转速、电流双闭环直流调速系统的操纵规律，性能特点和设计方式是各类交、直流电力拖动自动操纵系统的重要基础。

第一，应把握转速、电流双闭环直流调速系统的大体组成及其静特性；然后，在成立该系统动态数学模型的基础上，从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调剂器的作用；第三，研究一样调剂器的工程设计方式，和经典操纵理论的动态校正方式相较，得出该设计方式的优势，即计算简便、应用方便、容易把握；第四，应用工程设计方式解决双闭环调速系统中两个调剂器的设计问题等等。

就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的要紧形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合取得普遍的应用。

直流电动机可逆调速系统数字化已经走向有效化，其要紧特点是：

①常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构，减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引发的一些故障，而且维修方便；②动态参数调整方便；③系统能够方便的设计监控、故障自诊断、故障自动恢复程序，以提高系统的靠得住性；④可采纳数字滤波来提高系统的抗干扰性能；⑤可采纳数字反馈来提高系统的精度；⑥容易与上一级运算机互换信息；⑦具有信息存储、数据通信的功能；⑧本钱较低。

而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从操纵技术的角度来看，又是交流调速系统的基础，因此，应第一着重研究直流调速系统，如此才可在把握调速系统的大体理论下更好的对交流调速系统进行研究和探讨。

通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使咱们能够更好的把握调速系统的大体理论及相关内容，在对其各类性能加深了解的同时，能够发觉其缺点的地方，通过对该系统不足的地方的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各类工作场合，提高其利用效率。

并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终把握各类交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。

设计任务和要求

1．题目：

PWM可逆直流调速系统的设计

2．要求

设计一个转速、电流双闭环操纵PWM可逆直流调速系统。

电动机操纵电源采纳H型PWM功率放大器，其占空比转变为0～～1时，对应输出电压为-264V～0～264V，为电机提供最大电流25A。

速度检测采纳光电编码器（光电脉冲信号发生器），且其输出的A、B两相脉冲经光电隔离辩相后取得每转1024个脉冲角度分辨力和方向信号。

电流传感器采纳霍尔电流传感器，其原副边电流比为1000：

1，额定电流50A。

已知：

（1）直流电动机：

PN=3kW，nN=1500r/min，UN=220V，IN=A，电枢回路总电阻R=Ω，电磁时刻常数Tl=，机电时刻常数Tm=，电动势系数Ce=（）；

（2）H型PWM功率变换器：

工作频率为2kHz，采纳单极性/双极性工作方式；

（3）直流电源电压：

264V；

（4）要紧技术指标：

调速范围为0-1500r/min，电流过载倍数为倍，速度操纵精度%（额定转速时）。

3．内容

（1）完成系统理论与仿真分析

1）进行系统参数计算，完成转速、电流调剂器的结构和参数设计；

2）利用Matlab/Simulink成立系统的仿真模型，对整个调速系统的动态性能（给定输入的跟从性能和负载与电网电压扰动下的抗扰性能）进行仿真分析。

（2）完成系统电气原理图的设计（包括电路原理图设计、参数计算、元器件选型）

1）主电路的设计；

2）PWM脉冲信号产生电路的设计；

3）转速、电流调剂器及其限幅电路的设计；

4）转速、电流检测电路的设计；

5）爱惜电路的设计；

6）辅助电源电路的设计。

（3）PCB板的设计、制作与调试（依照时刻选做）

4.任务：

本文主若是在分析系统组成原理的基础上，完成过电流爱惜电路的设计，具体任务如下：

（1）通过度析设计要求确信电路的结构。

（2）完成电路参数计算及其元器件的选型。

（3）画出电路电气原理图。

2系统组成及大体原理

直流调速系统具有良好的起、制动性能，能够在较宽的调速范围内实现滑腻调速，较快的动态响应进程，而且低速运转时力矩大这些极好的运行性能和操纵特性，尽管它不如交流调速系统那样结构简单、制造和保护方便、价钱廉价。

可是长期以来，直流调速系统一直占据重腹地位。

固然最近几年来，随着运算机技术、电力电子技术和操纵技术的进展，交流调速系统进展专门快，在许多场合正慢慢取代直流调速系统。

可是就目前来看，在纺织印染、造纸印刷、数控机床、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食物加工机械、橡胶机械、生物设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、通信设备、雷达设备，仍然普遍采纳直流调速系统。

而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从操纵技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。

直流调速系统的调速原理

PWM是通过操纵固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两头的电压，进而达到操纵要求的一种电压调整方式。

在PWM驱动操纵的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并依照需要改变一个周期内“接通”和“断开”时刻的长短。

通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而操纵电动机的转速。

因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

本系统通过PWM操纵芯片SG3525实现对直流电机的滑腻调速。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内滑腻调速，因此由晶闸管—直流电动机（V—M）组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化操纵系统。

它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环操纵的角度看，它又是交流调速系统的基础。

从生产机械要求操纵的物理量来看，电力拖动自动操纵系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力操纵系统、多电机同步操纵系统等多种类型，各类系统往往都是通过操纵转速来实现的，因此，调速系统是最大体的电力拖动操纵系统。

直流电动机的转速和其它参量的关系和用式表示

（）

式中：

n——电动机转速；

U——电枢供电电压；

I——电枢电流；

R——电枢回路总电阻，单位为

；

——由电机机构决定的电势系数。

在上式中，

是常数，电流I是由负载决定的，因此，调剂电动机的转速能够有三种方式：

（1）调剂电枢供电电压U；

（2）减弱励磁磁通

；

（3）改变电枢回路电阻R。

关于要求在必然范围内无级滑腻调速的系统来讲，以调剂电枢供电电压的方式最好。

改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通尽管能够滑腻调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。

因此，自动操纵的直流调速系统往往以改变电压调速为主。

双闭环调速的进程和工作原理

双闭环调速系统的工作进程和原理：

电动机在启动时期，电动机的实际转速（电压）低于给定值，速度调剂器的输入端存在一个误差信号，经放大后输出的电压维持为限幅值，速度调剂器工作在开环状态，速度调剂器的输出电压作为电流给定值送入电流调剂器，现在那么以最大电流给定值使电流调剂器输出移相信号，直流电压迅速上升，电流也随即增大直到等于最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。

电动机的最大电流（堵转电流）能够通过整定速度调剂器的输出限幅值来改变。

在电动机转速上升到给定转速后，速度调剂器输入端的误差信号减小到近于零，速度调剂器和电流调剂器退出饱和状态，闭环调剂开始起作用。

对负载引发的转速波动，速度调剂器输入端产生的误差信号将随时通过速度调剂器、电流调剂器来修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相应转变，从而校正和补偿电动机的转速误差。

另外电流调剂器的小时刻常数，还能够对因电网波动引发的电动机电枢电流的转变进行快速调剂，能够在电动机转速还以后得及发生改变时，迅速使电流恢复到原先值，从而使速度更好地稳固于某一转速下运行。

双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈别离起作用，可在系统中设置两个调剂器，别离调剂转速和电流，即别离引入转速负反馈和电流负反馈。

二者之间实行嵌套连接，如下图。

把转速调剂器的输出看成电流调剂器的输入，再用电流调剂器的输出去操纵电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图转速、电流双闭环直流调速系统

其中：

ASR—转速调剂器，ACR—电流调剂器，T—测速发电机，TA—电流互感器，UPE—电力电子变扮装置，

—转速给定电压，

—转速反馈电压，

—电流给定电压，

—电流反馈电压。

主电路图

H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如下图。

PWM逆变器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采纳大电容

滤波，以取得恒定的直流电压

=264V，由于电容量较大，突加电源时相当短路，必将产生专门大的充电电流，容易损坏整流二极管。

为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻

（或电抗），合上电源以后，延时用开关将

短路，以避免在运行中造成附加损耗。

图桥式可逆直流脉宽调速系统主电路

缓冲电路的设计

实际设计时在每一个晶闸管处并联一个RCD电路组成的缓冲电路

缓冲电路又称为吸收电路。

其作用是抑制电力电子器件的过电压或过电流，减小器件的开关损耗。

在无缓冲电路的情形下，绝缘栅双极晶体管V开通时电流迅速上升，

专门大，关断时

专门大，并显现很高的过电压。

在有缓冲电路的情形下，V开通时缓冲电容

先通过

向V放电，使电流

先上一个台阶,

的上升速度减慢。

加入RCD缓冲电路主若是避免关断时的过电压，在V关断时，负载电流通过

向

分流，减轻了V的负担，抑制了

和过电压。

因为关断时电路中（含布线）电感的能量要释放，因此还会显现必然的过电压，

的分流使

在晶闸管两头电压在开始上升的同时就下降，器件的关断损耗对照无缓冲电路大大降低

图充放电型RCD缓冲电路示用意

H桥可逆PWM变换器

可逆PWM变换器主电路有多种形式，最经常使用的是桥式（亦称H型）电路，如下图。

图桥式可逆PWM变换器

双极式操纵可逆PWM变换器的4个驱动电压波形如下图。

图双极式操纵可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形

它们之间的关系是：

。

在一个开关周期内，当0≤t

。

因此，

在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。

图也绘出了双极式操纵时的输出电压和电流波形。

相当于一样负载的情形，脉动电流的方向始终为正；

相当于轻载情形，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。

电动机的正反转那么体此刻驱动电压正、负脉冲的宽度上。

当正脉冲较宽时，ton>T/2，那么Uab的平均值为正，电动机正转，反之，那么反转；若是正、负脉冲相等，t=T/2，平均输出电压为零，那么电动机停止。

图所示的波形是电动机正转时的情形。

双极式操纵可逆PWM变换器的输出平均电压为：

假设占空比ρ和电压系数γ的概念与不可逆变换器相同，那么在双极式是可逆变换器中：

就和不可逆变换器中的关系不一样了。

调速时，ρ的可调范围为0~1，相应的，

。

当ρ>1/2时，γ为正，电动机正转；当ρ<1/2时，γ为负，电动机反转；当ρ=1/2时，γ=0，电动机停止。

但电动机停止时电枢电压并非等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因此，电流也是交变的。

那个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗，这是双极式操纵的缺点。

但它也有益处，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而排除正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。

双极式操纵的桥式可逆PWM变换器有以下优势：

（1）电流必然持续；

（2）可使电动机在四象限运行；

（3）电动机停止时有微振电流，能排除静摩擦死区；

（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1：

20000左右；

（5）低速时，每一个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的靠得住导通。

双极式操纵方式的不足的地方是：

在工作进程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了避免直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。

为了克服上述缺点，可采纳单极式操纵，使部份器件处于常通或常断状态，以减少开关次数和开关损耗，提高靠得住性，但系统的静、动态性能会略有降低。

爱惜电路

该电路由运算放大器组成比较电路,D触发器组成双稳态经历电路或门组成的逻辑电路及T一、XD1组成的显示电路4个单元组成。

当中频静止逆变电源处于正常工作时,输入比较器同相端的电流信号形成的输入电压小于反相端定值电压（即所要求的爱惜定值电压）运算放大器输出低电平,D触发器处于复位状态,Q端为/00,逻辑门输出那么为低电平,T1反偏而截止,XD1不亮。

同理或门2输出为/00,输出的操纵端为/00,有整流触发脉冲输出。

当电流信号形成的输入电压W1确信的定值电压,即爱惜值时,运算放大器输出高电平,使D触发器迅速翻转,Q端输出/10,并经历故障信号。

逻辑门亦输出为高点平。

T1正偏导通,使XD1点亮,出过流信号指示。

或门2输出高电平,输出端为/10,封锁了触发