转速电流双闭环不可逆直流调速系统Word文档格式.docx

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在全控型电力电子器件问世后，基于脉宽调制的高频开关控制的直流脉宽调速系统（PWM调速系统）的应用，不仅使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用X围不断扩大，而且使直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化。

近几年来，随着单片机成本的降低，以单片机为控制核心的PWM调速系统越来越多，其特点是通过程序产生控制脉冲，电路简单；

开关频率高，电流连续，谐波少；

低速性能好,稳速精度高，调速X围宽。

1.1直流电机调速技术的发展

直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。

这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；

但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。

该法只适用在一些小功率且调速X围要求不大的场合。

30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。

这种控制方法可获得较宽的调速X围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。

但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。

近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能远远超过了发电机-电动机调速系统。

特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。

如今，电力电子技术中大功率器件（IGBT等）的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统[1][2]。

1.2PWM调速技术

直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法是：

改变电枢电压调速。

而传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻值大小改变电枢电压,达到调速的目的,这种方法效率低、平滑度差，且转速越慢,能耗越大，因而经济效益低。

随着电力电子的发展,出现了许多新的电枢电压控制方法。

如:

由交流电源供电,使用晶闸管整流器进行相控调压；

脉宽调制（PWM）调压等。

这些调压调速法具

有平滑度高、能耗少、精度高等优点,在工业生产中广泛使用,其中PWM的应用更为广泛。

脉宽调制（PWM）调压[3][4]的基本原理是：

利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开,并通过改变一个周期内电源的接通和断开时间的长短,即用改变电机电枢（定子）电压的接通和断开的时间比（占空比）来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。

在脉宽调速系统中,当电机通电时,其速度增加；

电机断电时,其速度降低。

只要按照—定的规律改变通、断电的时间,即可使电机的速度达到并保持一稳定值，从而控制电动机的转速。

因此，PWM又被称为开关驱动装置

2研究课题的目的和意义

而在众多PWM变换器实现方法中，又以H型PWM变换器更为多见。

这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。

因此，本次设计以H型PWM直流控制器为主要研究对象。

要研究PWM调速方法，不能不提到微电子技术、电力电子技术和微机控制技术，没有这些技术的支持，我们就只能还是在走前人的老路，被模拟、人工控制的思维所禁锢。

在电动机转速控制领域，如果不能有效的引用这些技术，我们很难有所突破，发现问题，进而有所进步。

PWM控制技术一般可分为三大类，即正弦PWM、优化PWM及随机PWM，从实现方法上来看，大致有模拟式和数字式两种，而数字式中又包括硬件、软件或查表等几种实现方式，从控制特性来看主要可分为两种：

开环式（电压或磁通控制型）和闭环式（电流或磁控型）。

随着计算机设计技术的不断进步，数字化PWM已逐步取代模拟式PWM，成为电力电子装置共用的核心技术。

交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于PWM技术的不断进步。

目前广泛应用的是在规则采样PWM的基础上发展起来的准优化PWM法，即三次谐波叠加法和电压空间矢量PWM法，这两种方法具有计算简单、实时控制容易的特点。

1.2选择PWM控制系统的理由自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统[4]。

PWM系统在很多方面有较大的优越性：

（1）主电路线路非常简单，需要用到的功率器件比较少。

（2）开关频率比较高，电机损耗及发热都比较少，电流很容易连续，并且谐波少。

（3）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗比较小，装置效率比较高。

（4）低速性能比较好，调速X围比较宽，稳速精度比较高。

（5）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应比较快，动态抗干扰能力强。

（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

由于有上述优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了其他调速系统，这是我们选取它作为研究对象的重要原因

3设计要求

3.1给定条件

（1）电机参数

型号

P（对）

Z2-91-2

17

95.5

220

600

59.0

1

（2）折合到电机轴上的总飞轮矩

（3）电枢电阻估算：

，

3.2技术要求

（1）稳态指标：

无静差

（2）动态指标:

电流超调量

，启动到额定转速时的超调量

（按饱和方式算）

（3）要求以转速，电流双闭环形式作为控制方案

（4）要求主电路采用晶闸管整流电路

，采用单相桥式全控整流电路；

，采用三相半波可控整流电路；

，采用三相桥式全控整流电路。

（5）要求电流检测选用交流互感器，经整流后输出电压作为反馈信号

（6）转速反馈信号也经过整流以确保极性

（7）PI调节器没有备用微分反馈电路

4系统总体方案设计

4.1双闭环调速系统的结构图

直流双闭环调速系统的结构图如图4.1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。

图4.1双闭环调速系统的结构图

4.2直流双闭环系统的原理

ASR（速度调节器）根据速度指令Un*和速度反馈Un的偏差进行调节，其输出是电流指令的给定信号Ui*（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。

ACR（电流调节器）根据Ui*和电流反馈Ui的偏差进行调节，其输出是UPE（功率变换器件的）的控制信号Uc。

进而调节UPE的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由Te-TL=Jdn/dt

，只要Te与TL不相等转速会相应的变化。

整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，转速不变后，达到稳定。

4.3双闭环调速系统优点

一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态[1]。

这种理想的起动过程如图4.1为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。

根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。

因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；

稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。

采用转速、电流双闭环控制系统。

如图4.3。

图4.2理想启动过程

参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双

闭环系统的动态结构图如图2.4所示。

图4.3双闭环直流调速系统动态结构图

4.4转速电流双闭环直流控制系统

（a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统（b）理想的快速启动过程

图4.4直流调速系统的电流，转速启动特性曲线

双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。

双闭环调速系统在突加给定电压Un*由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图4.4所示。

由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。

第Ⅰ阶段：

0～t1是电流上升阶段。

突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，当Id≥Idl后，电动机开始转动。

由于电机惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压∆Un=Un*－Un数值较大并使其输出达到饱和值U*im，强迫电流Id迅速上升。

当Id=Idm时，UiU*im，电流调节器ACR的作用使Id不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。

在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。

第Ⅱ阶段：

t1～t2是恒流加速阶段。

这一阶段是起动过程的主要阶段。

在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定U*im作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于

ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。

又Ud0=RdId+CξФn，n↑→Ud0↑→Uct↑，这样才能保持Id=cont。

由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压ΔUi=U*i-Ui必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm。

此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流Ud0m也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。

第Ⅲ阶段：

t2以后是转速调节阶段。

此时n=n*，Un=U*n，ΔUn=0，但由于积分作用，

U*i=U*im，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。

当n>

n*时，ΔUn<

0，

使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压U*i迅速下降，Id也迅速下降。

但由于Id>

Idl，在一段时间内，转速仍继续增加。

当Id=Idl时，Tξ=TL,n达到最大值（t3时刻）。

此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流Id也出现一段小与

IdL的过程，直到稳定。

在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。

由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使Id尽快地跟随ASR的输出量U*i，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。

综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特