PWM直流双闭环调速系统设计.docx

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PWM直流双闭环调速系统设计

运动控制系统大作业

直流PWM双闭环调速系统，基本数据如下：

（1）直流电机：

额定功率185W，额定电枢电压220VDC，额定电枢电流1.25A，励磁电压220VDC，励磁电流0.16A，额定转速1500rpm，额定转矩12000g·cm，允许过载倍数1.2；

（2）PWM变换器：

占空比15%-85%；

（3）时间常数：

电磁时间常数10ms,机电时间常数87ms；

（4）控制器的最大输入/输出电压均不超过3V

设计要求：

（1）静态指标,转速/电流无静差；

（2）动态指标，电流超调不超过5%；空载启动到额定转速时的转速超调不超过10%。

请完成转速调节器、电流调节器的设计、理论仿真和调试。

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。

双闭环调速系统的结构图

2.电路设计

H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图所示。

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，并采用大电容

滤波，以获得恒定的直流电压

。

由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这时电容器两端电压升高称作“泵升电压”。

为了限制泵升电压，用镇流电阻Rz消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VTz。

H桥式直流脉宽调速系统主电路

四单元IGBT模块型号：

20MT120UF

主要参数如下：

=1200V

=16A

=100

2.1给定基准电源

此电路用于产生±15V电压作为转速给定电压以及基准电压，如图所示：

给定基准电源电路

2.2双闭环调节器电路设计

为了实现闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较，决定调节器的输出，反馈的关键是对被控量进行采样与测量。

2.2.1电流调节器

由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。

此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数

，以滤平电流检测信号为准。

为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。

图2-3含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器

2.2.2转速调节器

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

。

根据和电流环一样的原理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。

3.调节器的参数整定

本设计为双闭环直流调速系统

电路基本数据如下

1）电磁时间常数

；

2）机电时间常数

；

3）触发整流环节的允许过载倍数λ=1.2；

设计指标：

1）静态指标：

无静差；

2）动态指标：

电流超调量

；空载起动到额定转速时的转速超调量

。

计算反馈关键参数：

Ct=T/Ia=0.9408

Ce=Ct/9.55=0.0985V.min/r

nN=（UN-IN*R）/CeR=57.78Ω

α=Unm/nN=0.002V/（r/min）

β=Uim/Idm=2V/A

3.1电流环的设计

1）确定时间常数

PWM装置滞后时间常数：

Ts=0.0017s。

电流滤波时间常数:

。

T=0.0017+0.002=0.0037s（

和

一般都比

小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节）。

2）选择电流调节器结构

可按典型Ⅰ型设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的，其传递函数为

式中

——电流调节器的比例系数；

——电流调节器的超前时间常数。

3）选择电流调节器的参数

ACR超前时间常数

；改电流环开环时间增益:

要求

，故应取

，因此

于是，ACR的比例系数为:

4）校验近似条件

电流环截止频率:

（1）晶闸管装置传递函数近似条件：

即

满足近似条件；

（2）忽略反电动势对电流环影响的条件：

即

满足近似条件；

（3）小时间常数近似处理条件：

即

满足近似条件。

5）计算调节器电阻和电容

调节器输入电阻为

，各电阻和电容值计算如下

取

，取

，取

3.2转速环的设计

1）确定时间常数

（1）电流环等效时间常数

（2）转速滤波时间常数

（3）转速环小时间常数近似处理

2）选择转速调节器结构

按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要Ⅱ由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型Ⅱ型系统—选用设计PI调节器，其传递函数为

3）选择调节器的参数

根据跟随性和抗干扰性能都较好的原则取

，则ASR超前时间常数为

转速开环增益：

ASR的比例系数：

4）近似校验

转速截止频率为：

（1）电流环传递函数简化条件：

现在

满足简化条件。

（2）小时间常数近似处理条件：

现在

满足近似条件。

5）计算调节器电阻和电容

调节器输入电阻

，则

，取125

，取0.5

，取0.5

6）检验转速超调量

当h=5时，查表得，

=37.6%，不能满足设计要求。

实际上，由于这是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

设理想空载起动时，负载系数z=0。

当h=5时，

而

因此

满足设计要求。

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