双闭环不可逆PWM直流调速系统.docx
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双闭环不可逆PWM直流调速系统
双闭环不可逆PWM直流调速系统
运动控制系统课程设计
题目：
双闭环不可逆PWM直流调速系统
院系：
工学院电气与电子工程系
专业：
自动化
班级：
自动化1202
姓名：
王学松
学号：
201202022007
指导教师：
王选诚
二〇一五年七月
运动控制系统课程设计任务书
一、基本情况
学时：
1周学分：
1学分适应班级：
自动化1201-1202
二、进度安排
本设计共安排1周，合计30学时，具体分配如下：
实习动员及准备工作：
2学时
总体方案设计：
4学时
硬件设计：
12学时
撰写设计报告：
8学时
答辩：
4学时
教师辅导：
随时
三、基本要求
1、课程设计的基本要求
运动控制系统课程设计的主要内容包括：
理论设计与撰写设计报告等。
其中理论设计又包括总体方案选择，硬件系统设计、硬件设计包括单元电路，选择元器件及计算参数等；课程设计的最后要求是写出设计总结报告，把设计内容进行全面的总结，若有实践条件，把实践内容上升到理论高度。
2、课程设计的教学要求
运动控制系统课程设计课程设计的教学采用相对集中的方式进行，以班为单位全班学生集中到设计室进行。
做到实训教学课堂化，严格考勤制度，在实训期间累计旷课达到2节以上，或者迟到、早退累计达到4次以上的学生，该课程考核按不及格处理。
在实训期间需要外出查找资料，必须在指定的时间内方可外出。
课程设计的任务相对分散，每5-6名学生组成一个小组，完成一个课题的设计。
小组成员既有分工、又要协作，同一小组的成员之间可以相互探讨、协商，可以互相借鉴或参考别人的设计方法和经验。
但每个学生必须单独完成设计任务，要有完整的设计资料，独立撰写设计报告，设计报告雷同率超过60%的课程设计考核按不及格处理。
四、设计题目及控制要求
题目：
双闭环不可逆PWM直流调速系统
要求：
1．稳态无静差σi≤5%，转速超调量σn≤20%；
2．完成系统个环节的原理图设计和参数计算；
3．根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求；
4．调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施；
设计不可逆转速、电流双闭环直流调速系统，基本技术数据参数如下：
直流电动机：
Pn=10kw，Un=220V，In=53.5A，nN=1500r/min，λ=1.5，Ra=0.37Ω，I∑=2mH，Tm=0.063s，GD2=125Nm2，电枢回路总电阻R∑=0.58Ω。
五、设计报
设计完成后，必须撰写课程设计报告。
设计报告必须独立完成，格式符合要求，文字（不含图形、程序）不少于3000字，图形绘制规范。
设计报告的格式如下：
1、封面
2、摘要
3、目录
4、正文
（1）所作题目的意义、本人所做的工作及系统的主要功能；
（2）方案选择及论证；
（3）硬件电路设计及描述（包括硬件的选型及电路图、输入输出接线图等的设计）；
5、心得体会
6、参考文献不少于5篇。
六、考核方法
运动控制系统课程设计的考核方式为考查，考核结果为优秀、良好、中等、及格和不及格五等，分数在90-100之间为优秀，80-89分之间为良好，70-79分之间为中等，60-69分之间为及格，60分以下为不及格。
考核分三个方面进行：
平时表现20%；设计过程25%；设计报告40%；设计答辩15%。
有下列情形之一者，课程设计考核按不及格处理：
1、设计期间累计迟到、早退达4次；
2、设计期间累计旷课达2节；
3、设计报告雷同率超过60%或无设计报告；
4、不能完成设计任务，达不到设计要求。
摘要
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分重要的作用。
直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛的应用。
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、节约能源都具有重要的意义。
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。
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。
首先描述了变频器的发展历程，提出了PWM调速方法的优势，指出了PWM调速方法的发展前景，点出以PWM变频调速方式应用最为广泛，本文将对PWM的理论进行详细论述。
在此基础上，做出SG3525单片机控制的PWM变频调速系统的整体设计，然后对各个部分分别进行论证，力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。
关键词：
直流调速双闭环PWMSG3525直流电机
第1章绪论
1．1 直流调速系统的概述
三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。
首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。
同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。
直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。
直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。
从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。
近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。
1．2 研究课题的目的和意义
在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。
双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。
用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。
大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。
若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。
这样，就有了建立工程设计方法的可能性。
1．3 设计内容和要求
1.3.1 设计要求
（1）该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作；
（2）系统静特性良好，无静差（静差率S≤2）；
（3）动态性能指标：
转速超调量δn≤8%，电流超调量δi≤5%，动态最大转速降Δn≤8~10%；调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s；
（4）系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续；
（5）调速系统中设置有过电压、过电流保护，并且有制动措施；
（6）主电路采用三项全控桥；
1.3.2 设计内容
（1）根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。
（2）调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）。
（3）驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发电路均可）。
（4）动态设计计算：
根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。
（5）绘制双闭环直流不可逆调速系统电器原理图（要求用计算机绘图），并用Orcad或Matlab软件进行拖动控制系统仿真以及硬件仿真。
（建立传递函数方框图），并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。
1.3.3 技术参数
（1）晶闸管整流装置：
Rrec=0.15Ω，Ks=36；
（2）负载电机额定数据：
Pn=10kW，UN=220V，IN=53.5A，nN=1500r/min，
Ra=0.37Ω，λ=1.5；
（3）系统主电路RƩ=0.58Ω，Tm=0.063s；
第2章系统总体方案设计
2. 1设计分析
2.1.1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2.1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。
图2.1双闭环调速系统的结构图
2.1.2直流双闭环系统的原理
ASR（速度调节器）根据速度指令Un*和速度反馈Un的偏差进行调节，其输出是电流指令的给定信号Ui*（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。
ACR（电流调节器）根据Ui*和电流反馈Ui的偏差进行调节，其输出是UPE（功率变换器件的）的控制信号Uc。
进而调节UPE的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te与TL不相等转速会相应的变化。
整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，转速不变后，达到稳定。
2.1.3双闭环调速系统优点
一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态[1]。
这种理想的起动过程如图2.2所示。
为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。
根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。
因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。
采用转速、电流双闭环控制系统。
如图2.3所示。
图2.2理想启动过程
图2.3双闭环直流调速控制系统原理图
图2.4双闭环直流调速系统动态结构图
参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图如图2.4所示。
2.1.4转速、电流双闭环控制系统
（a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统（b）理想的快速起动过程
图2.5直流调速系统的电流、转速启动特性曲线
双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。
双闭环调速系统在突加给定电压Un*由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图2.5所示。
由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。
第Ⅰ阶段：
0～t1是电流上升阶段。
突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，当Id≥Idl后，电动机开始转动。
由于电机惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压∆Un=Un*－Un数值较大并使其输出达到饱和值U*im，强迫电流Id迅速上升。
当Id=Idm时，Ui≈U*im，电流调节器ACR的作用使Id不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。
在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。
第Ⅱ阶段：
t1～t2是恒流加速阶段。
这一阶段是起动过程的主要阶段。
在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定U*im作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。
又Ud0=RdId+CξФn，n↑→Ud0↑→Uct↑，这样才能保持Id=cont。
由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压ΔUi=U*i-Ui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，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流Ud0m也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。
第Ⅲ阶段：
t2以后是转速调节阶段。
此时n=n*，Un=U*n，ΔUn=0，但由于积分作用，U*i=U*im，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。
当n>n*时，ΔUn<0，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压U*i迅速下降，Id也迅速下降。
但由于Id>Idl，在一段时间内，转速仍继续增加。
当Id=Idl时，Tξ=TL，，n达到最大值（t3时刻）。
此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流Id也出现一段小与IdL的过程，直到稳定。
在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。
由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使Id尽快地跟随ASR的输出量U*i，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。
综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：
1饱和非线性。
在不同情况下表现为不同结构的线性系统。
2准时间最优控制。
Ⅱ阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。
采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍地得到应用。
3转速必超调。
按照PI调节器的特性，只有转速超调，ASR的输入偏差电压ΔUn为负值，才能使ASR退饱和。
这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速必超调。
2.1.5PWM变换器介绍
脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。
PWM变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。
下面分别对各种形式的PWM变换器做一下简单的介绍和分析。
不可逆PWM变换器分为无制动作用和有制动作用两种。
图2.6（a）所示为无制动作用的简单不可逆PWM变换器主电路原理图，其开关器件采用全控型的电力电子器件。
电源电压Us一般由交流电网经不可控整流电路提供。
电容C的作用是滤波，二极管VD在电力晶体管VT关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。
（a）原理图（b）电压和电流波型
图2.6简单的不可逆PWM变换器电路
电力晶体管VT的基极由频率为f，其脉冲宽度可调的脉冲电压Ub驱动。
在一个开关周期T内，当0≤t≤ton时，Ub为正，VT饱和导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；当ton≤t≤T时，Ub为负，VT截止，电枢失去电源，经二极管VD续流。
电动机电枢两端的平均电压为Ud=Uston/T=ρUs式中，ρ=Ud/U5=ton/T——PWM电压的占空比，又称负载电压系数。
tonρ的变化范围在0～1之间，改变，ρ即可以实现对电动机转速的调节。
图2.6（b）时电动机电枢的脉冲端电压ud、平均电压ud和电枢电流id的波型。
由图可见，电流是id脉动的，其平均值等于负载电流Idl=TL/Cm（TL——负载转矩，Cm——直流电动机在额定磁通下的转矩电流比）。
由于VT在一个周期内具有开关两种状态，电路电压平衡方程式也分为两阶段，即在0≤t≤ton期间U5=Rid+Ldid/dt+E在ton≤t≤T期间0=Rid+Ldid/dt+E式中，R，L——电动机电枢回路的总电阻和总电感；E——电动机的反电动势。
PWM调速系统的开关频率都较高，至少是1～4kHz，因此电流的脉动幅值不会很大，再影响到转速n和反电动势E的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视n和E为恒值。
这种简单不可逆PWM电路中电动机的电枢电流iD不能反向，因此系统没有制动作用，只能做单向限运行，这种电路又称为“受限式”不可逆PWM电路。
这种PWM调速系统，空载或轻载下可能出现电流断续现象，系统的静、动态性能均差。
图2.7（a）动作用的不可逆PWM变换电路，该电路设置了两个电力晶体管VT1和VT2，形成两者交替开关的电路，提供了反向电流的-id通路。
这种电路组成的PWM调速系统可在第I、II两个象限中运行。
VT1和VT2的基极驱动信号电压大小相等，极性相反，即Ub=-Ub2。
当电动机工作在电动状态时，在一个周期内平均电流就为正值，电流id分为两段变化。
在0≤t≤ton期间，Ub1为正，VT1饱和导通；Ub2为负，VT2截止。
此时，电源电压U5加到电动机电枢两端，电流id沿图中的回路1流通。
在ton≤t≤T期间，Ub1和Ub2改变极性，VT1截止，原方向的电流id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使VT2不可能导通。
因此，电动机工作在电动状态时，一般情况下实际上是电力晶体管VT1和续流二极管VD2交替导通，而VT2则始终不导通，其电压、电流波型如图2.7（b）所示，与图2-1没有VT2的情况完全一样。
如果电动机在电动运行中要降低转速，可将控制电压减小，使Ub1的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使电动机电枢两端的平均电压Ud降低。
但是由于惯性，电动机的转速n和反电动势E来不及立刻变化，因而出现Ud这时电力晶体管VT2能在电动机制动中起作用。
在ton≤t≤T期间，VT2在正的Ub2和反电动势E的作用下饱和导通，由E-Ud产生的反向电流-id沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，一部分能量消耗在回路电阻上，一部分转化为磁场能存储在回路电感中，直到t=T为止。
在T≤t≤ton（也就是0≤t≤ton）期间，因Ub2变负，VT2截止，-id只能沿回路4经二极管VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上产生的压降使VT1承受反压而不能导通。
在整个制动状态中，VT2和VD1轮流导通，VT1始终截止，此时电动机处于发电状态，电压和电流波型图2.7（c）。
反向电流的制动作用使电动机转速下降，直到新的稳态。
图2.7有制动作用的不可逆PWM变换电路
这种电路构成的调速系统还存在一种特殊情况，即在电动机的轻载电动状态中，负载电流很小，在VT1关断后（即ton≤t≤T期间）沿回路2径VD2的续流电流id很快衰减到零，如在图2.7（d）中的ton～T期间的t2时刻。
这时VD2两端的压降也降为零，而此时由于Ub2为正，使VT2得以导通，反电动势E经VT2沿回路3流过反向电流-id，产生局部时间的能耗制动作用。
到了0≤t≤ton期间，VT2关断，-id又沿回路4经VD1续流，到t=t4时-id衰减到零，VT1在Ub1作用下因不存在而反压而导通，电枢电流再次改变方向为-id沿回路１经VT1流通。
在一个开关周期内，VT1、VD1、VT2、VD1四个电力电子开关器件轮流导通，其电流波形示图2.7（d）。
综上所述，具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的调速系统，电动机电枢回路中的电流始终是连续的；而且，由于电流可以反向，系统可以实现二象限运行，有较好的静、动态性能。
可逆PWM变换器主电路的结构形式有T型和H型两种，其基本电路如图2.8所示，图中2.8（a）PWM变换器电路，（b）为H型PWM变换器电路。
图2.8可逆PWM变换器电路
T型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于50V的电动机的可控电压源；但是T型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为H型电路的一半。
H型电路是实际上广泛应用的可逆PWM变换器电路，它由四个可控电力电子器件（以下以电力晶体管为例）和四个续流二极管组成的桥式电路，这种电路只需要单极性电源，所需电力电子器件的耐压相对较低，但是构成调速系统的电动机电枢两端浮地。
第3章电路设计
3.1 PWM（双极式）主电路设计
H型变换器电路在控制方式上分为双极式、单极式和受限单极式三种。
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C0滤波，以获得恒定的直流电压Us。
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。
3.2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。
3.2.1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Toi=0.002s，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3.1给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器
3.2.2转速调节器
转速反馈电路如图3.2所示，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Ton=0.01s。
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。
图3.2含给定滤波与反馈滤波的PI型电转速调节器
3.3信号产生电路
本设计采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。
根据主电路中IGBT的开关频率，选择适当的Rt、Ct值即可确定振荡频率。
电路中的PWM信号由集成芯片SG3524产生，SG3524采用是定频PWM电路,DIP-16型封装。
由SG3524构成的基本电路如图3.3所示，由15脚输入+15V电压，用于产生+5V基准电压。
在6、7引脚之间接入外部阻容元件构成PI调节器，可提高稳态精度。
12、13引脚通过电阻与+15V电压源相连，供内部晶体管工作，由电流调节器输出的控制电压作为2引脚输入，通过其电压大小调节12、13引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。
图3.3SG3524管脚图
图3.4SG3524引脚接线图
图3.5SG3524内部框图
主要参数：
输入电压Uimax：
40V输出电流：
500mA好散功率：
1W
3.4IGBT基极驱动电路原理
工作原理如图3.6所示
图3.6EXB841内部结构图
EXB841系列驱动器的各引脚功能如下：
脚1：
连接用于反向偏置电源的滤波电容器；
脚2：
电源（+20V）；
脚3：
驱动输出；
脚4：
用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作；
脚5：
过流保护输出；
脚6：
集电极电压监视；
脚7、8：
不接；
脚9：
电源；
脚10、11：
不接；
脚14、15：
驱动信号输入（-，＋）；
3.5基于EXB841驱动电路设计
驱动电路中V5起保护作用，避免EXB841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C
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