直流脉宽PWM调速系统设计与研究调节器设计概要Word文件下载.docx

1、1.2.2 设计指标 11.3 选择PWM控制系统的理由 22 调节器设计 32.1 转速、电流双闭环设计 32.2 电流调节器设计 42.2.1 确定时间常数 42.2.2 选择电流调节其结构 42.2.3 计算电流调节其参数 52.2.4 校验近似条件 52.2.5 计算调节其电阻和电容 52.3 转速调节器设计 62.3.1 确定时间常数 62.3.2 选择转速调节器结构 62.3.3 计算转速调节其参数 62.3.4 检验近似条件 72.3.5 计算调节器电阻和电容 72.3.6 校核转速超调量 73 主电路设计 93.1 主电路原理 93.2 主电路结构设计 93.3 主电路参数计算

2、 104 控制电路设计 124.1 主要原理 124.2 SG3525A内部结构和工作特性 125 保护电路设计 155.1 过电流保护 155.2 过电压保护 156 系统调试 166.1 实验结果 166.1.1 开环机械特性测试 166.1.2 闭环系统调试及闭环静特性测定 186.1.3 系统参数测定 196.2 实验测试波形图 216.2.1 PWM控制器SG3525性能测试 216.2.2 控制电路的测试 236.2.3 系统动态波形的观察 24总 结 25参考文献 261 绪论1.1 设计背景在现代科学技术革命过程中，20世纪末以交流调速为主导方向调速系统日趋完善，其性能可与直流

3、调速系统相媲美，她的控制技术已居于世界先进水平。但由于造价较高，目前在国内应用局限性较大，在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。相对而言，PWM调速系统的出现，弥补了这个空白。PWM调速系统主电路线路简单，功率元件少，开关频率高，其控制水平从1kHz可到达4kHz，电机电流连续，低速性能好，谐波少，稳态精度高，脉动小，损耗和发热都较小，调速范围快，调速系统频带宽，快速响应好，动态抗扰能力强。转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能好、应用最广的直流调速系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以

4、抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。本设计是以直流PWM控制调速系统进行调速，采用转速调节器ASR、以及电流调节器ACR并用PI调节器进行校正，对反馈信号进行采集，处理起到无静差效果。1.2 直流调速系统的方案设计1.2.1 设计已知参数1、拖动设备：直流电动机： ，过载倍数。2、负载：直流发电机： 3、机组：转动惯量1.2.2 设计指标1、D，稳态时无静差。2、稳态转速n=1500r/min,负载电流0.8A。3、电流超调量，空载起动到稳态转速时的转速超调量。1.3 选择PWM控制系统的理由SG3525是一种性能优良，功能全，通用性强的

5、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。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

6、大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。2 调节器设计2.1 转速、电流双闭环设计图2.1 双闭环直流调速控制系统原理图 图2.1中，将转速调节器和电流调节器二者之间实行串级连接。把速度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、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流调节器一般选择PI调节器。 在双闭环直流调速系统的稳态结构图中，转速调节器ASR的输出限幅值决定了电流给定的最大值，电流给定的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。分析

7、系统静特性的关键是掌握PI调节器的特征，PI调节器一般存在两种状况：饱和-输出达到限幅值，不饱和-输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退饱和，此时相当于调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器的作用是使输入偏差电压始终为零。2.2 电流调节器设计2.2.1 确定时间常数 整流装置滞后时间常数，查表得三相桥式电路平均失控时间电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是，为了基本滤平波头应有，则。电流小时间常数：按小时间常数近似处理： （2-1） 2.2.2 选择电流调节其结构根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电

8、流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为： （2-2）检查对电源电压的抗扰性能： （2-3）如图1.1为电流调节器结构图 图2.1 电流调节器的结构图2.2.3 计算电流调节其参数电流调节器超前时间常数： =0.0065s取电流反馈系数： （2-4）电流环开环增益：要求时，由表可得，取，因此 （2-5）于是，ACR的比例系数为： （2-6）2.2.4 校验近似条件 电流环截止频率：晶闸管整流装置传递函数的近似条件：，满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：电流环小时间常数近似处理条件：2.2.5 计算调节其电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻和

9、电容值为：，取； （2-7）,取； （2-8）,取。 （2-9）2.3 转速调节器设计2.3.1 确定时间常数电流环等效时间常数： （2-10）转速滤波时间常数： 转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取 （2-11）2.3.2 选择转速调节器结构按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为： （2-12）2.3.3 计算转速调节其参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为： （2-13）转速开环增益为： （2-14）电压反馈系数 （2-15）ASR的比例系数为： （2-16）如图1.3所示为转速调节器的结构图图2.3 转速调节器结构图2.3.4 检验近似条件转速环截止

10、频率为： （2-17）电流环传递函数简化条件为：转速环小时间常数近似处理条件为：2.3.5 计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取，则 （2-18） （2-19），取。 （2-20）2.3.6 校核转速超调量按退饱和超调量的计算方法计算调速系统空载启动到额定转速时的转速超调量：当时,; （2-21）（2-22）3 主电路设计3.1 主电路原理直流脉宽调速系统采用双闭环调速系统，如图2.1所示。其中具有转速环，称为外环，还有就是电流环，这里称为内环，外环由测速机采集信号经过反馈系数得到电压信号反馈给ASR，内环我们这里采用直流PWM控制系统相结合，其中脉宽调速系统由调制波发生器GM、脉宽调制器U

11、PM、逻辑延时环节DLD以及绝缘栅双极性晶体管的GD和脉宽调制变换器组成。直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速系统控制系统，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交流装置，作为系统的功率驱动器。脉宽调制器是有一个运算放大器和几个输入信号构成电压比较器。运算放大器工作在开环状态，在电流调节器输出的控制信号的控制下，产生一个等幅、宽度受Uc控制的方波脉冲序列，为PWM提供所需要的脉冲信号。逻辑延时环节DLD保证在一个管子发出关断脉冲时，经延时后再发出对另一个管子的开通脉冲，在延时环节中引入瞬时动作限流保护FA信号，一旦桥臂电流超过允许最大电流值时，使工作管子同时封锁，以保护

12、电力晶体管。3.2 主电路结构设计图3.1 直流PWM传动系统结构图图3.2 直流脉宽调速系统主电路图3.3 主电路参数计算 设电网波动系数a,采用的直流斩波得到的PWM波的最大占空比为b，三相不控整流桥电压系数为c，直流斩波器输入电压为，二次相电压有效值,二次相电流有效值，变压器功率P；电机过载倍数，电机电动势系数，电动机额定电压电机额定电流,额定转速,电枢电阻，整流主装置内阻，则有：1、电动机的电动系数： （3-1） 2、考虑电网波动系数（-10%+5%）因此保证电网电压最低时还能正常供电故应考虑其最低值故取电网电压波动系数a=0.9。3、直流斩波的最大占空比b=0.94、三相不控整流桥电

13、压系数c=2.34，因此代入数据即可得：即可得取V因此直流斩波器输入电压，考虑励磁电流此时取：变压器件额定容量 （3-2）4 控制电路设计4.1 主要原理集成脉宽调制控制器SG3525是控制电路的核心，它采用恒频脉宽调制控制方案，适合于各种开关电源、斩波器的控制。本实验电路中用SG3525 产生的脉宽调制信号作为IGBT 的驱动信号。4.2 SG3525A内部结构和工作特性图4.1 SG3525A引脚SG3525 采用16 端双列直插DIP 封装，各端子功能介绍如下:1 脚:INV. INPUT（反相输入端）:误差放大器的反相输入端，该误差放大器的增益标称值为80db，其大小由反馈或输出负载来决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容元件的组合。该误差放大器共模输入电压范