交直流调速系统课程设计双闭环可逆直流PWM调速系统设计.docx
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交直流调速系统课程设计双闭环可逆直流PWM调速系统设计
目录
交直流调速课程设计任务书3
前言5
关键词5
交直流调速课程设计说明书6
一、总体方案的确定6
1.1现行方案的讨论与比较6
1.2选择PWM控制系统的优越性7
1.3采用转速电流双闭环的理由7
1.4起动过程电流和转速波形10
1.5H桥双极式逆变器的工作原理10
1.6PWM调速系统静特性12
二、双闭环直流调速系统的硬件结构13
2.1主电路14
2.2电流调节器15
2.3转速调节器15
2.4控制电路设计16
2.5、控制环节电源设计17
2.6、限幅电路17
2.7转速检测电路18
2.8、电流检测电路18
2.9、泵升电压限制19
三、电机参数及设计要求20
3.1电路基本信息如下：
20
3.2计算反馈关键参数20
四、课程设计心得体会24
五、系统主要硬件结构图25
参考文献：
26
交直流调速课程设计任务书
一、题目：
双闭环可逆直流PWM调速系统设计
二、设计目的
1、对先修课程（电力电子学、自动控制原理等）的进一步理解与运用
2、运用《电力拖动控制系统》的理论知识设计出可行的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。
也可以制作硬件电路。
3、同时能够加强同学们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。
达到综合提高学生工程设计与动手能力的目的。
三、系统方案的确定
自动控制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能（动、静）→电机参数→主电路→控制方案”（系统方案的确定）→“系统设计→仿真研究→参数整定→直至理论实现要求→硬件设计→制板、焊接、调试”等过程，其中系统方案的确定至关重要。
为了发挥同学们的主观能动作用，且避免方案及结果雷同，在选定系统方案时，规定外的其他参数由同学自已选定。
1、主电路采用二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器;
2、速度调节器和电流调节器采用PI调节器；U*nm=U*im=Ucm=10V
3、机械负载为反抗性恒转矩负载，系统飞轮矩（含电机及传动机构）GD2＝1.5Nm2；
4、主电源：
可以选择三相交流380V供电，变压器二次相电压为52V；
5、他励直流电动机的参数：
见习题集【4-19】（p96）nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=2Ω，电流过载倍数λ=2；
6、PWM装置的放大系数Ks=11；PWM装置的延迟时间Ts=0.4ms。
四、设计任务
a）总体方案的确定；
b）主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；
c）系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图；
d）控制电路设计、原理分析、主要元件/参数的选择；
e）调节器、PWM信号产生电路的设计
f）检测及反馈电路的设计与计算；
五、课程设计报告的要求：
1、不准相互抄袭或代做，一经查出，按不及格处理；
2、报告字数：
不少于8000字（含图、公式、计算式等）。
3、形式要求：
以《福建农林大学本科生课程设计》（工科）的规范化要求撰写。
要求文字通顺、字迹工整、公式书写规范。
报告书上的图表允许徒手画，但必须清晰、正确且要有图题。
4、必须画出系统总图，总图不准徒手画，电路图应清洁、正确、规范。
未进行具体设计的功能块允许用框图表示，且功能块之间的连线允许用标号标注。
六、参考资料
1、电气传动控制系统设计指导 李荣生主编机械工业出版社 2004.6
2、新型电力电子变换技术陈国呈中国电力出版社
3、电力拖动自动控制系统，上海工业大学陈伯时，机械工业出版社
4、电力电子技术王兆安 黄俊主编 机械工业出版社2000.1
前言
在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。
目前国内各大院校，科研单位和厂家也都在开发直流调速装置，但大多数调速技术都是结合工业生产中，而在民用中应用相对较少，所以应用已有的成熟技术开发性能价格比高的，具有自主知识产权的直流调速单元，将有广阔的应用前景。
直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。
研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。
不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。
目前，直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。
本文基于PWM的双闭环直流调速系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。
首先提出了PWM调速方法的优势，指出了未来PWM调速方法的发展前景，点出了研究PWM调速方法的意义。
应用于直流电机的调速方式很多，其中以PWM变频调速方式应用最为广泛，而PWM变频器中，H型PWM变频器性能尤为突出，作为本次设计的基础理论，本文将对PWM的理论进行详细论述。
关键词：
直流调速；双闭环；PWM；直流电机
交直流调速课程设计说明书
一、总体方案的确定
1.1现行方案的讨论与比较
直流电动机的调速方法有三种：
（1）调节电枢供电电压U。
改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。
变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。
（2）改变电动机主磁通
。
改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。
变化时间遇到的时间常数同
变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。
（3）改变电枢回路电阻R。
在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。
但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。
改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。
弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。
改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：
（1）旋转变流机组。
用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
（2）静止可控整流器。
用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。
（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。
用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。
1.2选择PWM控制系统的优越性
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效率高。
1.3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。
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。
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，系统构成原理图如下所示：
图1-1直流PWM传动系统结构图
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。
模拟式脉宽调制器本质为电压-脉冲变换装置，它是由一个运算放大器和几个输入信号构成电压比较器。
去处放大器工作在开环状态，在电流调节器的输出控制信号Uс的控制下，产生一个等幅、宽度受Uс控制的方波脉冲序列，为PWM变频器提供所需的脉冲信号。
脉宽调制器按所加输入端调制信号不同，可分为锯齿波脉宽、三角波脉宽调制器。
目前就用较多脉宽调制信号由数字方法来产生，如专用集成PWM控制电路及单片微机所构成的脉宽调制器。
如图1-2为双闭环直流调速系统原理图
图1-2双闭环直流调速系统原理图
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。
二者之间实行嵌套（或称串级）联接如图1-3所示。
图1-3转速、电流双闭环直流调速系统结构
图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器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。
双闭环直流调速系统的动态结构图如图1-4所示
图1-4双闭环直流调速系统的动态结构图
图中
和
分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。
为了引出电流反馈，在电动机的动态结构图上必须把电流
标示出来。
电机在启动过程中，转速调节器经历了不饱和、饱和、退保和三种状态，整个动态过程可分为三个阶段。
1.4起动过程电流和转速波形
启动电流成方波形，而转速是线性增长的。
这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
1.5H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
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