下自动化120103《专业综合课程设计》课题2刘老师资料.docx

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下自动化120103《专业综合课程设计》课题2刘老师资料

课程设计

课程名称

专业综合课程设计

课题名称

双闭环可逆直流脉宽调速系统设计

专业

自动化

班级

1202

学号

201201020233

姓名

梁飞

指导老师

刘星平

2016年01月01日

电气信息学院

课程设计任务书

课题名称

双闭环可逆直流脉宽调速系统设计

姓名

梁飞

专业

自动化

班级

1202

学号

指导老师

赵葵银唐勇奇李祥来刘星平沈细群等

课程设计时间

2015年12月21日-2016年01月01日（16、17周）

教研室意见

意见：

同意审核人：

汪超林国汉

一、任务及要求

1.电路功能：

1）用晶闸管相控整流实现直流调压，控制直流电动机的转速。

2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：

整流电路及保护电路。

控制电路主要环节：

PWM控制电路、电压电流检测单元、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晶闸管、IGBT或MOSFET。

4）系统具有完善的保护

2.设计参数

1）输入输出电压：

（AC）220（1+15%）、

2）最大输出电压、电流根据电机功率予以选择

3）要求电机能实现单向无级调速

4）电机型号布置任务时给定

3.系统总体方案确定

4.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

5.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）触发电路设计

4）控制电路参数确定

5.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，并进行试验调试。

并给出必要的波形分析。

4．绘制总电路图，

5．写出设计报告；

二、进度安排

第一周：

周一：

集中布置课程设计相关事宜，借阅或收集相关设计资料。

周二～周三：

设计方案确定。

周四～周日：

主电路设计与原理分析；计算主电路参数；选择主电路元器件型号。

第二周：

周一～周二：

控制电路设计（控制、驱动、检测、保护电路）。

周三：

仿真或系统调试。

周四~周五：

设计报告撰写。

周五进行答辩和设计结果检查。

三、参考资料

[1]王兆安．电力电子技术（第5版）．机械工业出版社，2008

[2]孙培德．现代运动控制技术及其应用．电子工业出版社，2012

[3]陈伯时．电力拖动自动控制系统（第4版））．机械工业出版社，2012

[4]曾毅．运动控制系统工程．机械工业出版社，2014

[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]刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999

第1章课程设计的任务要求1

1.1任务及要求1

1.1.1电路功能：

1.3参考资料2

第2章设计思路/设计步骤3

2．1设计思路3

2.1.1选择PWM控制系统的理由3

2.1.2采用转速电流双闭环的理由3

2.1.3直流PWM传动系统结构图4

第3章主电路设计5

3.1实验设计5

3.2实验线路及原理5

3.3H桥双极式逆变器的工作原理6

第4章控制电路设计8

4.1控制电路的设计8

4.1.1双闭环控制电路的工作原理8

4.2驱动电路设计9

4.3转速及电流检测电路10

4.3.1转速检测电路10

4.4电流检测电路10

第5章仿真或实验调试11

5.1实验方法11

第6章总结15

第1章课程设计的任务要求

1.1任务及要求

1.1.1电路功能：

1）用晶闸管相控整流实现直流调压，控制直流电动机的转速。

2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：

整流电路及保护电路。

控制电路主要环节：

PWM控制电路、电压电流检测单元、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晶闸管、IGBT或MOSFET。

4）系统具有完善的保护

2.设计参数

1）输入输出电压：

（AC）220（1+15%）、

2）最大输出电压、电流根据电机功率予以选择

3）要求电机能实现单向无级调速

4）电机型号布置任务时给定

3.系统总体方案确定

4.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

5.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）触发电路设计

4）控制电路参数确定

5.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，并进行试验调试。

并给出必要的波形分析。

4．绘制总电路图，

5．写出设计报告；

1.2进度安排

第一周：

周一：

集中布置课程设计相关事宜，借阅或收集相关设计资料。

周二～周三：

设计方案确定。

周四～周日：

主电路设计与原理分析；计算主电路参数；选择主电路元器件型号。

第二周：

周一～周二：

控制电路设计（控制、驱动、检测、保护电路）。

周三：

仿真或系统调试。

周四~周五：

设计报告撰写。

周五进行答辩和设计结果检查。

1.3参考资料

[1]王兆安．电力电子技术（第5版）．机械工业出版社，2008

[2]孙培德．现代运动控制技术及其应用．电子工业出版社，2012

[3]陈伯时．电力拖动自动控制系统（第4版））．机械工业出版社，2012

[4]曾毅．运动控制系统工程．机械工业出版社，2014

[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]刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999

第2章设计思路/设计步骤

2．1设计思路

2.1.1选择PWM控制系统的理由

脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（SiliconGeneral）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。

由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。

PWM系统在很多方面具有较大的优越性：

1） PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。

2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。

3）低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：

10000左右。

4）如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。

5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。

6）直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。

由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。

在变频调速方式中，PWM调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。

2.1.2采用转速电流双闭环的理由

同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。

在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。

因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。

由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。

单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。

但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。

另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。

在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：

一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。

通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。

如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。

以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。

2.1.3直流PWM传动系统结构图

图1系统构成原理

图2直流PWM传动系统结构图

直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管变流装置，作为系统的功率驱动器，系统构成原理如图1-1所示。

其中属于脉宽调制调速系统主要由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管基极的驱动器GD和脉宽调制（PWM）变换器组成，最关键的部件为脉宽调制器UPM。

第3章主电路设计

3.1实验设计

3.1.1实验所需要挂件及附件

序号

型号

备注

DJK01控制屏

该挂件包含“三相电源输出”等几个模块。

DJK08可调电阻电容箱

DJK09单相调压与可调负载

提供直流电源

DJK17双闭环H桥DC/DC变换直流调速系统

DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表

DJ13-1直流并励发电机

DJ15直流并励电动机

D42可调电阻

慢扫描示波器

自备

万用表

自备

器件型号

IREFPE50IREF840

3.2实验线路及原理

图3双闭环H桥DC/DC变换直流调速系统原理框图

速度给定信号G，速度调节器ASR，电流调节器ACR，控制PWM信号产生装置UPM，DLD单元把一组PWM波形分成两组相差180°的PWM波，并产生一定的死区，用于控制两组臂；GD的作用是形成四组隔离的PWM驱动脉冲；PWM为功率放大电路，直接给电动机M供电；DZS是零速封锁单元；FA限制主电路瞬时电流，过流时封锁DLD单元输出；电流反馈调节单元CFR；速度反馈调节SFR。

若使用DD03-4不锈钢电机导轨、涡流测功机及光码盘测速系统和D55-4智能电机特性测试及控制系统两者来完成电机加载请详见附录相关内容。

图4双闭环调速系统的结构图

3.3H桥双极式逆变器的工作原理

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。

H形双极式逆变器电路如图1-4所示。

这时电动机M两端电压

的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。

图5H形双极式逆变器电路

图6H桥式直流脉宽调速系统主电路

第4章控制电路设计

4.1控制电路的设计

4.1.1双闭环控制电路的工作原理

对双闭环控制电路的稳态工作原理的分析，可根据系统的稳态结构框图。

分析稳态工作原理的关键是要了解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-------输出未达到饱和状态。

当调节器饱和时，输出为恒值，输入值的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入与输出间的联系，相当于是该调节环开环；不饱和的调节器，PI的作用使输入偏差电压都为0。

在实际的正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的，因此，只有转速调节器饱和和不饱和两种情况。

当转速调节器不饱和时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是0。

而当转速饱和时，ASR输出达到限幅值，转速环呈开环转态，转速的变化对系统不再产生作用，双闭环系统相当于一个电流无静差的单电流闭环调节系统。

在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于转速和负载电流。

PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为0，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。

当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。

这样的静特性比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。

对其启动过程的分析，由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退保和三种情况，整个动态过程就分成I、II、III三个阶段。

第一个阶段是电流上升阶段。

突加给定电压U后，经过两个调节器的跟随作用，Uc、Ud0、Id都跟着上升，但是在Id没有达到负载电流Idl以前，电动机还不能转动。

当Id》=Idl，电动机开始启动。

由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值强迫电枢电流Id迅速上升。

直到Id=Idm，Ui=Uim，电流调节器很快就压制了Id的增长，标志着这一阶段的结束，在这一阶段中，ASR很快就进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和；

第二个阶段是恒流上升阶段，是起动过程中的主要阶段。

在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给的那个Uim下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量。

为了克服这个扰动，Udo和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。

当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压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ACR不应饱和，电力电子装置UPE的最大输出电压也需留有余地，这些都是设计时必须注意的。

第三阶段是转速调节阶段。

当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim，所以电动机仍在加速，使转速超调。

转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，Ui和Id很快下降。

但是，只要Id仍大于负载电流Idl，转速就继续上升。

直到Id=Idl时，转矩Te=Tl，则转速n才能到达峰值，此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，如果调节器参数整定的不够好，也会有一段振荡过程。

在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则使Id尽快跟随其给定值，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。

综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：

对其动态抗扰性能的分析，动态原理图框图对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。

主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。

从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。

负载扰动能够比较快的反应到被调量n上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用被调量稍远，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。

4.2驱动电路设计

驱动电路中V5起保护作用，避免IREF840的6脚承受过电压，通过VD1检测是否过电流，接VZ3的目的是为了改变EXB模块过流保护起控点，以降低过高的保护阀值从而解决过流保护阀值太高的问题。

R1和C1及VZ4接在+20V电源上保证稳定的电压。

VZ1和VZ2避免栅极和射极出现过电压，Rge是防止IGBT误导通。

针对IREF840存在保护盲区的问题，可将IREF840的6脚的超快速恢复二极管VDI换为导通压降大一点的超快速恢复二极管或反向串联一个稳压二极管，也可采取对每个脉冲限制最小脉宽使其大于盲区时间，避免IGBT过窄脉宽下的低输出大功耗状态。

针对IREF840软关断保护不可靠的问题，可以在IREF840的5脚和4脚间接一个可变电阻，4脚和地之间接一个电容，都是用来调节关断时间，保证软关断的可靠性。

针对负偏压不足的问题，可以考虑提高负偏压。

一般采用的负偏压是-5V，可以采用-8V的负偏压（当然负偏压的选择受到IGBT栅射极之间反向最大耐压的限制），输人信号被接到15脚，IREF840正常工作驱动IGBT.

4.3转速及电流检测电路

4.3.1转速检测电路

转速检测电路如图7所示。

与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压

，与给定电压

相比较后，得到转速偏差电压

输送给转速调节器。

测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，测速电路如图15所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。

图7转速检测电路

4.4电流检测电路

通过霍尔传感器测量电流的电流检测电路原理如图2-6所示。

图8 闭环霍尔电流传感器的工作原理

霍尔电流传感器的结构如图所示。

用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。

第5章仿真或实验调试

5.1实验方法

（1）系统单元调试

①速度调节器（ASR）和电流调节器（ACR）的调零

把调节器的输入端1、2、3全部接地，4、5之间接50K电阻，调节电位器RP3，使“7”端输出绝对值小于1mv。

②速度调节器（ASR）和电流调节器（ACR）的输出限幅值的整定

在调节器的3个输入中的其中任一个输入接给定，在4.、5之间接50K电阻、1uF电容，调节给定电位器，使调节器的输入为-1V，调节电位器RP1，使调节器的输出7为+4V（输出正限幅值）；同样把给定调节为+1V，调节RP2，把负限幅值调节为-4V。

③零速度封锁器（DZS）观测

首先把零速封锁器的输入悬空，开关S1拨至“封锁”状态，输出接速度或者电流调节器的零速封锁端6，无论调节器的输入如何调节，输出7始终为零。

把面板上的给定输出接至零速封锁单元其中一路，另一路悬空，增大给定，测量零速封锁单元输出端3：

给定的绝对值大于0.26V左右时，封锁端3输出-15V；减小给定，给定的绝对值小于0.17V左右时，封锁端3输出+15V。

把给定加到另一路进行同样的操作。

（2）脉宽发生单元的整定和观测

把电机、直流电源等接入系统，系统接成开环，脉宽发生单元的输入悬空或者接地，调节偏移电压电位器，使电机处于停止状态（若要达到更好的闭环效果，调节偏移电压电位器，使通过电枢的直流电流低于0.02mA）用双踪示波器观测脉宽发生单元的测试点1、2和3、4的波形，此时的1、2（3、4）的占空比接近相同（占空比为50%左右）。

观测同一组桥臂（1、2或者3、4）之间的死区。

（3）转速反馈调节器（SFR）、电流反馈调节器（CFR）的整定：

把电机、220V直流电源接入系统，系统接成开环。

把正给定接入脉宽发生单元，调节给定，使转速稳定在1600rpm，调节转速反馈调节器中的RP1，使3端输出的电压为-4V。

加大负载，使电机的电枢电流稳定在1.3A，调节电流反馈调节器，使电流反馈调节器3端输出的电压为+4V。

（4）开环机械特性测试：

把电机、直流电源，接入系统，电动机、发电机加额定励磁。

缓慢增加给定电压Ug,使电机升速,调节给定电压Ug和负载Rg使电动机（DJ15）的电枢电流Id=1.1A,转速达到1200rpm。

在测试过程中逐步增大负载电阻Rg的阻值（即减小负载）就可测出该系统的开环外特性n=f（I2），将其记入下面的表格：

n（rpm）

1200

1170

1120

1110

1100

1090

1080

1070

1060

1050

I（A）

0.15

0.38

0.40

0.44

0.48

0.52

0.56

0.60

0.64

0.68

然后将电机反转，增加给定Ug（负给定）使电机反向升速，调节给定电压Ug和负载Rg使电动机（DJ15）的电枢电流Id=1.1A,转速分别达到-1200rpm。

在测试过程中逐步增大负载电阻Rg的阻值（即减小负载）就可测出该系统的开环外特性n=f（I2），将其记入下面的表格：

n（rpm）

1200

1170

1120

1110

1100

1090

1080

1070

1060

1050

I（A）

-0.15

-0.37

-0.40

-0.44

-0.48

-0.52

-0.56

-0.60

-0.64

-0.68

（5）闭环系统调试及闭环静特性测定

①机械特性n=f（Id）的测定

直流电压输入为300V的情况下，发电机输出首先空载，从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机转速接近1200rpm，然后在发电机的电枢绕组接入负载电阻Rg，逐渐增大电动机负载（即减小负载的电阻值），直至电动机的电枢电流Id=1.1A，即可测出系统静态特性，测定n=f（Id）并记录于下表中：

Id（A）

0.15

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

n（rpm）

1200

n（rpm）

改变电机的转向，重复上述的步骤：

Id（A）

-0.15

-0.40

-0.45

-0.50

-0.55

-0.60

-0.65

-0.70

-0.75

-0.80

n（rpm）

1200

n（rpm）

再降低给定电压Ug，再测试800rpm的静态特性曲线，记录于下表中：

Id（A）

0.13

0.29

0.34

0.39

0.44

0.49

0.54

0.59

0.64

0.69

n（rpm）

800

n（rpm）

改变电机的转向，重复上述的步骤：

Id（A）

-0.13

-0.29

-0.34

-0.39

-0.44

-0.49

-0.54

-0.59

-0.64

-0.69

n（rpm）

800

n（rpm）

②闭环控制系统n=f（Ug）的测定

调节Ug及R，使I=Ied，n=1200rpm，逐渐降低Ug，直至Ug=0V，在变换的过程中记录Ug和n，即

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