1、FUJIANAGRICULTUREANDFORESTRYUNIVERSITY交直流調速系統課程設計學院：機電工程學院_學號：3126108025_專業（方向）年級：電氣工程及其自動化_學生姓名：連愛慶_福建農林大學機電工程學院電氣工程系2015年12月20日目錄課程設計任務書.1課程設計說明書31.任務分析.1.1選擇PWM控制系統的原由.1.2采納轉速電流雙閉環的原由.1.3直流PWM傳動系統構造圖.1.4雙閉環調速系統的構造圖.1.5調速系統起動過程的電流和轉速波形.1.6H橋雙極式逆變器的工作原理.1.7PWM調速系統的靜特色.2.主電路設計.2.1給定基準電源.2.2雙閉環調理器電路設

2、計.電流調理器.轉速調理器.2.3控制電路的設計.2.4驅動電路設計.2.5轉速及電流檢測電路.轉速檢測電路.電流檢測電路.3.調理器的參數整定.3.1系統固有部分的主要參數計算.3.2開初選定的參數.3.3電流環的設計.3.4速度環的設計.參照文件轉速及電流檢測環節電路圖整體設計.心得及總結.參照文件、題目：雙閉環可逆直流脈寬PWM調速系統設計二、設計目的1、對先修課程（電力拖動自動控制系統、電力電子學、自動控制原理等）的進一步理解與運用2、運用電力拖動自動控制系統的理論知識設計出可行的直流調速系統，經過建模、仿真考證理論分析的正確性。也可以制作硬件電路。3、同時可以增強同學們對一些常用單元

3、電路的設計、常用集成芯片的使用以及對電阻、電容等元件的選擇等的工程訓練。達到綜合提升學生工程設計與著手能力的目的。三、系統方案確實定自動控制系統的設計一般要經歷從“機械負載的調速性能（動、靜）一電機參數主電路控制方案”（系統方案確實定）“系統設計仿真研究參數整定向抵達理論實現要求一硬件設計一制版、焊接、調試”等過程，此中系統方案確實定至關重要。為了發揮同學們的主觀能動作用，且防備方案及結果相同，在選定系統方案時，規定外的其余參數有同學自己選定。1、主電路采納二極管不可以控整流，逆變器采納帶續流二極管的功率開關管IGBT構成H型雙極式控制可逆PW變換器；2、速度調理器和電流調理器采納PI調理器；

4、U*nm=U*im=Ucm=10V3、機械負載為抗爭性恒轉矩負載,系統飛輪矩（含電機及傳動機構）GD2=1.5Nm2；4、主電源：可以選擇單相溝通380V供電；變壓器二次相電壓為52V;5、他勵直流電動機的參數：見習題集【4-19】（P96）=1000r/min，電樞回路總電阻R=2Q,電流過載倍數入=2;6、PW裝置的放大系數Ks=11;PWM裝置的延緩時間Ts=0.4ms。四、設計任務a）整體方案確實定；1b）主電路原理及波形分析、元件選擇、參數計算；c）系統原理圖、穩態構造圖、動向構造圖、主要硬件構造圖；d）控制電路設計、原理分析、主要元件、參數的選擇；e）調理器、PW信號產生電路的設計

5、；）檢測及反應電路的設計與計算；五、課程設計報告的要求：1、禁止互相剽竊或代做，一經查出，按不及格辦理；2、報告字數：好多于8000字（含圖、公式、計算式等）。3、形式要求：必然依據福建農林大學本科生課程設計（工科）的規范化要求。4、必然畫出系統總圖，總圖禁止徒手畫，電路圖應潔凈、正確、規范。未進行詳細設計的功能塊贊成用框圖表示，且功能塊之間的連線贊成用標號注明。六、參照資料1、電氣傳動控制系統設計指導李榮生主編機械工業第一版社2004.62、新式電力電子變換技術陳國呈中國電力第一版社3、電力拖動自動控制系統，上海工業大學陳伯機遇械工業第一版社4、電力電子技術王兆安黃俊主編機械工業第一版社20

6、00.1雙閉環可逆直流脈寬PW碉速系統設計1.任務分析1.1選擇PWM控制系統的原由脈寬調制器UPV采納美國硅通用企業(SiliconGeneral)的第二代產品SG3525這是一種性能優秀，功能全、通用性強的單片集成PW控制器。因為它簡單、靠譜及使用方便靈巧，大大簡化了脈寬調制器的設計及調試，故獲得寬泛使用。PWMR統在好多方面擁有較大的優越性：PW調速系統主電路線路簡單，需用的功率器件少。開關頻次高，電流簡單連續，諧波少，電機耗費及發熱都較小。3)低速性能好，穩速精度高，調速范圍廣，可達到1：10000左右。2假如可以與快速響應的電動機配合，則系統頻帶寬，動向響應快，動向抗擾能力強。功率開

7、關器件工作在開關狀態，導通耗費小，當開關頻次適合時，開關消耗也不大，所以裝置效率較高。直流電源采納不可以控整流時，電網功率因數比相控整流器高。變頻調速很快為廣大電動機用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調速方法，在一些中小容量的動向高性能系統中更是已經完滿代替了其余調速方式。因而可知，變頻調速是特別值得自動化工作者去研究的。在變頻調速方式中，PW調速方式特別大家所重視，這是我們采納它作為研究對象的重要原由。1.2采納轉速電流雙閉環的原由同開環控制系統比較，閉環控制擁有一系列長處。在反應控制系統中，不論出于什么原由(外面擾動或系統內部變化)，只需被控制量偏離規定值，就會產生相應的控制作用去除去偏差。

8、所以，它擁有控制攪亂的能力，對元件特色變化不敏感，并能改良系統的響應特色。因為閉環系統的這些長處所以采納閉環系統。單閉環速度反應調速系統，采納PI控制器時，可以保證系統穩態速度偏差為零。可是假如對系統的動向性能要求較高，假如要求快速起制動，突加負載動向速降小等，單閉環系統就難以知足要求。這主假如因為在單閉環系統中不可以完滿依據要求來控制動向過程的電流或轉矩。其余，單閉環調速系統的動向抗攪亂性較差，當電網電壓波動時，必然待轉速發生變化后，調理作用才能產生，所以動向偏差較大。在要求較高的調速系統中，一般有兩個基本要求：一是可以快速啟動3制動；二是可以快速戰勝敗載、電網等攪亂。經過分析發現，假如要求

9、快速起動，必然使直流電動機在起動過程中輸出最大的恒定贊成電磁轉矩，即最大的恒定贊成電樞電流，當電樞電流保持最大贊成值時，電動機以恒加快度升速至給定轉速，此后電樞電流立刻降至負載電流值。假如要求快速戰勝電網的攪亂，必然對電樞電流進行調理。以上兩點都波及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，構成轉速、電流雙閉環調速系統。1.3直流PWM傳動系統構造圖直流PWM控制系統是直流脈寬調制式調速控制系統的簡稱，與晶閘管直流調速系統的差異在于用直流PWM變換器代替了晶閘管變流裝置，作為系統的功率驅動器，系統構成原理如圖1-1所示。此中屬于脈寬調制調速系統主要由調制波發生器GM脈寬調制器UPM

10、邏輯延時環節DLD和電力晶體管基極的驅動器GD和脈寬調制（PWM變換器構成，最重點的零件為脈寬調制器UPM41.4雙閉環調速系統的構造圖直流雙閉環調速系統的構造圖如圖1-2所示，轉速調理器與電流調理器串極聯系，轉速調理器的輸出作為電流調理器的輸入，再用電流調理器的輸出去控制PWM裝置。此中脈寬調制變換器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻次一定、寬度可變的脈沖電壓序列，進而可以改變均勻輸出電壓的大小，以調理電機轉速，達到設計要求。如圖1-3所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增添的。這是在最大電流(轉矩)受限的條件下調速系統所能獲得的最快的起動過程。帶電流截止負反

11、應的單閉環調速系統起動過程1.5調速系統起動過程的電流和轉速波形(b)理想快速起動過程圖1-3調速系統起動過程的電流和轉速波形51.6H橋雙極式逆變器的工作原理脈寬調制器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻次必然寬度可變的脈沖電壓序列，進而均勻輸出電壓的大小，以調理電機轉速。H形雙極式逆變器電路如圖1-4所示。這時電動機M兩頭電壓UAB的極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化。-2-10訃.“圖1-4H形雙極式逆變器電路雙極式逆變器的四個驅動電壓波形如圖1-5所示6Ug2iUg4tOJtonTUg3:他們的關系是：Ug!Ug4Ug2Ug3。在一個開關周期內，當0t時，晶

12、體管VT、VT4飽和導通而VT3、VT2截止，這時UABUs。當tontT時,VT,、VT4截止，但VT3、VT2不可以立刻導通，電樞電流id經VD2、VD3續流，這時UABUs。UAB在一個周期內正負相間，這是雙極式PWM變換器的特色，其電壓、電流波形如圖2所示。電動機的正反轉表此刻驅動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，ton2，則UAB的均勻值為正，電動機正轉，當正脈沖較窄時，則反轉；假如正負脈沖相等，tonT，均勻輸出電壓為零，則電動機停止。雙極式控制可逆PWMfc換器的輸出均勻電壓為7Tton2tonTUsTT假如定義占空比ton，電壓系數則在雙極式可逆變換器中211調速時，的可

13、調范圍為0?1相應的1111。當-時，為正，電2動機正轉；當2時，為負，電動機反轉；當2時，0，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓其實不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，所以電流也是交變的。這個交變電流的均勻值等于零，不產生均勻轉矩，驀地增大電動機的耗費這是雙極式控制的弊端。但它也有益處，在電動機停止時仍舊有高頻微震電流，進而除去了正、反向時靜摩擦死區。雙極式控制的橋式可逆pwr變換器有以下長處:1）電流必然連續。2）可使電動機在四象限運轉。3）電動機停止時有微震電流，能除去靜摩擦死區。4）低速安穩性好，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有益于保證器件的靠譜導通。1.7PWM調速系統的靜特色

14、因為采納了脈寬調制，電流波形都是連續的，所以機械特色關系式比較簡單,電壓均衡方程以下didUsRidLddE(tontT)即可導出機械特色方程式，電樞兩頭在按電壓均衡方程求一個周期內的均勻值,UsRidFE(0tton).一個周期內的電壓都是UdUs，均勻電流用Id表示，均勻轉速nE/Ce，而電樞電感壓降L業的均勻值在穩態時應為零。于是其均勻值方程可以寫成則機械dt特色方程式8UsRIdRCenCeCe綜上所述，當前，采納晶閘管整流供電的直流電動機調速系統已經成為直流調速系統的主要形式。可是晶閘管整流器也有它的弊端，主要表此刻：1）晶閘管一般是單導游電元件，不一樣樣意電流反向，這給電動機實現可

15、逆運轉造成困難2）對過電壓。過電流等十分敏感，只需一超出贊成值都可能在很短的時間內損壞元件3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發，它對溝通電源是一個感性負載，吸取滯后無功功率，所以功率要素很低，假如它在電網中容量大，將造成“電力公害”4）晶閘管整流裝置的輸出電壓時脈動的，并且脈動數老是有限的。因為以上原由，選擇脈寬調制變換器進行改變電樞電壓直流調速系統，因為PWM調速系統在好多方面擁有較大的優勝性：1）PWM調速系統主電路線路簡單，需用的功率器件少2）開關頻次高，電流簡單連續，諧波少，電機耗費及發熱都較小3）低速性能好，穩速精度高，調速范圍廣，可達1：10000左右4）假如可以與快速響應的電動

16、機配合，則系統頻帶寬，動向響應快，動向抗擾能力強5）功率開關器件工作在開關狀態，導通耗費小，當開關頻次適合時，開關耗費也不大，因為裝置效率高。單閉環速度反應調速系統，采納PI控制器時，可以保證系統穩態速度偏差為0，可是假如對系統的動向性能要求較高，假如要求快速起制動，突加負載動向速降小等，單閉環系統就難以知足要求。還有單閉環調速系統的動向抗攪亂性較差，當電網電壓顛簸時，必然待轉速發生變化后，調理作用才產生，所以動向偏差大。在要求較高的調速系統中，一般有兩個基本要求：一是可以快速啟動制動；二是可以快速戰勝敗載、電網等攪亂。2.主電路設計H橋式可逆直流脈寬調速系統主電路的如圖2-1所示。PWMK變

17、器的直流電源由溝通電網經不控的二極管整流器產生，并采納大電容C0濾波，以獲得恒定的直流電壓Us。因為直流電源靠二極管整流器供電，不可以能回饋電能，電動體制動時只能對濾波電容充電，這時電容器兩頭電壓高升稱作“泵升電壓”為了限制泵升。電壓，用鎮流電阻Rz耗費掉這些能量，在泵升電壓達到贊成值時接通VTz。9ru圖2-1H橋式直流脈寬調速系統主電路主要參數以下：UCER=1200Vlc=16ATCN*=100CPCM0.9kWUcE?t)3.05V2.1給定基準電源此電路用于產生土15V電壓作為轉速給定電壓以及基準電壓，如圖2-2所示：iug-:卍VGND-IMVd-Iq,口門圖2-2給定基準電源電路

18、2.2雙閉環調理器電路設計為了實現閉環控制，必然對被控量進行采樣，此后與給定值比較，決定調理器的輸出，反應的重點是對被控量進行采樣與丈量。102.2.1電流調理器因為電流檢測中經常含有溝通重量，為使其不影響調理器的輸入，需加低通濾波。此濾波環節傳達函數可用一階慣性環節表示，由初始條件知濾波時間常數Toi0.001s，以濾平電流檢測信號為準。為了均衡反應信號的延緩，在給定通道上加入相同的給定濾波環節，使二者在時間上配合適合。2.2.2轉速調理器轉速反應電路如圖2-4所示，由測速發電機獲得的轉速反應電壓含有換向紋波，所以也需要濾波，由初始條件知濾波時間常數Ton0.005S。依據和電流環相同的原理

19、，在轉速給定通道上也加入相同時間常數的給定濾波環節圖2-4PI型電轉速調理器2.3控制電路的設計雙閉環控制電路的工作原理對雙閉環控制電路的穩態工作原理的分析，可依據系統的穩態構造框圖。剖析穩態工11作原理的重點是要認識PI調理器的穩態特色，一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和-輸出未達到飽和狀態。當調理器飽和時，輸出為恒值，輸入值的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調理器退出飽和，換句話說，飽和的調理器臨時間隔了輸入與輸出間的聯系，相當于是該調理環開環；不飽和的調理器，PI的作用使輸入偏差電壓都為0。在實質的正常運轉時，電流調理器是不會達到飽和狀態的，所以，只有轉速調理器飽和和不

20、飽和兩種狀況。當轉速調理器不飽和時，兩個調理器都不飽和，穩態時，它們的輸入偏差電壓都是0。而當轉速飽和時，ASR俞出達到限幅值，轉速環呈開環轉態，轉速的變化對系統不再產生作用，雙閉環系統相當于一個電流無靜差的單電流閉環調理系統。在穩態工作點上，轉速是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決于轉速和負載電流。PI調理器的俞出量在動向過程中決定于輸入量的積分，抵達穩態時，輸入為0，輸出的穩態值與輸入沒關，而是由它后邊環節的需要決定的。雙閉環調速系統的靜特色在負載電流小于Idm時表現為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調理作用。當負載電流達到Idm時，對應于轉速

21、調理器的飽和輸出，這時，電流調節器起主要調理作用，系統表現為電流無靜差，獲得過電流的自動保護。這樣的靜特色比帶電流截止負反應的單閉環系統靜特色好。對其啟動過程的分析，因為在啟動過程中轉速調理器ASF經歷了不飽和、飽和、退保和三種狀況，整個動向過程就分紅I、II、III三個階段。第一個階段是電流上漲階段。突加給定電壓U后，經過兩個調理器的跟從作用，Uc、Ud0、Id都隨著上漲，可是在Id沒有達到負載電流Idl從前，電動機還不可以轉動。當Id=Idl，電動機開始啟動。因為機電慣性的作用，轉速不會很快增添，所以轉速調理器ASR的輸入偏差電壓的數值仍較大，其輸出電壓保持限幅值逼迫電樞電流Id快速上漲。

22、直到Id=Idm，Ui=Uim，電流調理器很快就壓制了Id的增添，標記住這一階段的結束，在這一階段中，ASR很快就進入并保持飽和狀態，而ACF一般不飽和；第二個階段是恒流上漲階段，是起動過程中的主要階段。在這個階段中，ASR素來是飽和的，轉速環相當于開環，系統成為在恒值電流給的那個Uim下的電流調理系統，基本上保持電流Id恒定，所以系統的加快度恒定，轉速呈線性增添，與此同時，電動機的反電動勢E也按線性增添，對電流調理系統來說，E是一個線性漸增的擾動量。為了戰勝這個擾動，Udo和Uc也必然基本上按線性增添，才能保持Id恒定。當ACR采納PI調理器時，要使其輸出量按線性增添，其輸入偏差電壓必須保持

23、必然的恒值，也就是說，Id應略低于Idm，其余還應指出，為了保證電流環的這類調節作用，在起動過程中ACF不該飽和，電力電子裝置UPE的最大輸出電壓也需留有余地，這些都是設計時必然注意的。第三階段是轉速調理階段。當轉速上漲到給定值時，轉速調理器ASR的輸入偏差減小到零，但其輸出卻因為積分作用還保持在限幅值Uim,所以電動機仍在12加快，使轉速超調。轉速超調后，ASR俞入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態，Ui和Id很快降落。可是，只需Id仍大于負載電流Idl，轉速就連續上漲。直到ld=ldl時，轉矩Te=TI，貝U轉速n才能抵達峰值，今后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應，假如調理器參數整

24、定的不夠好，也會有一段振蕩過程。在最后的轉速調理階段內，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導的轉速調理作用，而ACR貝使Id趕快跟從其給定值，或許說，電流內環是一個電流隨動子系統。綜上所述，雙閉環直流調速系統的起動過程有以下三個特色：對其動向抗擾性能的分析，動向原理圖框圖關于調速系統，最重要的動向性能是抗擾性能。主假如抗負載擾動和抗電網電壓擾動的性能。從動向性能上看，因為擾動作用點不一樣樣，存在著能否實時調理的差異。負載擾動可以比較快的反應到被調量n上，進而獲得調理，而電網電壓擾動的作用被調量稍遠，因為增設了電流內環，電壓顛簸可以經過電流反應獲得實時的調理，不用等它影響到轉速此后才能反應回來，

25、抗擾性能大有改良。2.4驅動電路設計驅動電路中V5起保護作用，防備EXB84的6腳承受過電壓，經過VD檢測能否過電流，接VZ3的目的是為了改變EXBg塊過流保護起控點，以降低過高的保護閥值進而解決過流保護閥值太高的問題。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證堅固的電壓。VZ1和VZ2防備柵極和射極出現過電壓，Rge是防備IGBT誤導通。針對EXB84存在保護盲區的問題，可將EXB84的6腳的超快速恢復二極管VDI換為導通壓降大一點的超快速恢復二極管或反向串聯一個穩壓二極管，也可采納對每個脈沖限制最小脈寬使其大于盲區時間，防備IGBTS窄脈寬下的低輸出大功耗狀態。針對EXB84軟關斷保護不可以

26、靠的問題，可以在EXB84的5腳和4腳間接一個可變電阻，4腳和地之間接一個電容，都是用來調理關斷時間，保證軟關斷的靠譜性。針對負偏壓不足的問題，可以考慮提高負偏壓。一般采納的負偏壓是-5V，可以采納-8V的負偏壓（自然負偏壓的選擇遇到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制），輸人信號被接到15腳，EXB84正常工作驅動IGBT.132.5轉速及電流檢測電路2.5.1轉速檢測電路轉速檢測電路如圖2-5所示。與電動機同軸安裝一臺測速發電機，進而引出與被調量轉速成正比的負反應電壓Un,與給定電壓U；比較較后，獲得轉速偏差電壓Un輸送給轉速調理器。測速發電機的輸出電壓不只表示轉速的大小，還包括轉速的方向

27、，測速電路如圖15所示，經過調理電位器即可改變轉速反應系數。2.5.2電流檢測電路經過霍爾傳感器丈量電流的電流檢測電路原理如圖2-6所示A-hzii*収池流流過的霍爾電流傳感器的構造以以下圖。用一環形導磁資料作成磁芯，套在被測電導線上，將導線中電流感生的磁場齊集起來，在磁芯上開一氣隙，內置一個霍爾線性器件，器件通電后，即可由它的霍爾輸出電壓獲得導線中流通的電流。閉環霍爾電流傳感器主要有以下特色：1）可以同時丈量隨意波形電流，如：直流、溝通、脈沖電流；142）副邊丈量電流與原邊被測電流之間完滿電氣間隔，絕緣電壓一般為2kV?12kV;3）電流丈量范圍寬，可丈量額定1mA-50kA電流；4）追蹤速

28、度di/dt50A/卩s;5）線性度優于0.1%IN;6）響應時間1卩s;7）頻次響應0?100kHz。3.調理器的參數整定本設計為雙閉環直流調速系統主要元件/參數的選擇1.他勵直流電動機的參數：Pnom=3kwUnom=48VInom=3.7A,n=500r/min，電樞電阻Ra=6.5，電樞回路總電阻R=8。電樞回路電磁時間常數Tl=5ms,機電時間常數Tm=200ms電源電壓Us=60V,給定值和ASR、ACR的輸出限幅值均為10V,電流反應系數=0.05V.min/r,電動勢轉速比Ce=0.18V.min/r,GD2=60N*M22.技術指標和要求電動機可以實現可逆運轉。要求穩態無靜差。動向過渡過程時間t