..word.zl-..word.zl-電力拖動課程設計題目：直流電機的PWM電流速度雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)xx：強學號：U201311856班級：電氣1303指導教師：徐偉課程評分：日期：2016-07-10目錄一、設計目標與技術(shù)參數(shù)二、設計根本原理〔一〕調(diào)速系統(tǒng)的總體設計〔二〕橋式可逆口取乂變換器的工作原理〔三〕雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析〔四〕雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)框圖〔五〕雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路〔六〕泵升電壓限制〔七〕主電路參數(shù)計算和元件選擇〔八〕調(diào)節(jié)器參數(shù)計算三、仿真〔一〕仿真原理〔含建模及參數(shù)〕〔二〕重要仿真結(jié)果〔目的為驗證設計參數(shù)的正確性〕四、結(jié)論參考文獻附錄1：調(diào)速系統(tǒng)總圖附錄2：調(diào)速系統(tǒng)仿真圖一、設計目標與技術(shù)參數(shù)直流電機的PWM電流速度雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計目標如下:額定電壓：Un=220V;額定電流：＜=136A;額定轉(zhuǎn)速：nN:=1460r/min；電樞回路總電阻：R=0.45Q；電磁時間常數(shù)：Tl=0.076s；機電時間常數(shù)：T=0.161s；電動勢系數(shù)：C=0.132V*min/r;轉(zhuǎn)速過濾時間常數(shù)：T=0.01s；轉(zhuǎn)速反應系數(shù)a=0.01V*min/r；e on允許電流過載倍數(shù)：入=1.5；電流反應系數(shù)：8=0.07丫/人；電流超調(diào)量：。產(chǎn)5%；轉(zhuǎn)速超調(diào)量：。產(chǎn)10%；運算放大器：R0=4KQ；晶體管PWM功率放大器：工作頻率：2KHz;工作方式：H型雙極性。PWM變換器的放大系數(shù)：KS=20。二、設計根本原理〔一〕調(diào)速系統(tǒng)的總體設計在電力拖動控制系統(tǒng)的理論課學習中已經(jīng)知道，采用PI調(diào)節(jié)的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要是因為在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中不能隨心所欲的控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。如圖2-1所示。..word.zl-..word.zl-.word.zl-.word.zl-(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程(b)理想快速起動過程圖2」直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對本錢較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態(tài)過程。在啟動過程的主要階段，只有電流負反應，沒有轉(zhuǎn)速負反應，不讓電流負反應發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機過載能力的條件下獲得最正確過渡過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)造圖如圖2-2所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，到達設計要求。直流PWM控制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速控制系統(tǒng)的簡稱，與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別在于用直流PWM變換器取代了晶閘管變流裝置。- 中、TA- 中、TA圖2-2格速、電;在以閡環(huán)I，清心速系統(tǒng)結(jié)杓ASR-H1速調(diào)在蕾A(?R~也流調(diào)行器TG—測速發(fā)電網(wǎng)TA—電流出感器UPE—電力也『變換器

〔二〕橋式可逆口黃乂變換器的工作原理脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。橋式可逆PWM變換器電路如圖2-3所示。這是電動機M兩端電壓。裂的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓的極性變化而變化。g4OUg2O圖2-4PWMg4OUg2O圖2-4PWM變換器的驅(qū)動電壓波形圖2-3橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅(qū)動電壓波形如圖2-4所示。Ugl+U他們的關(guān)系是：U=U=-U=-U。在一個開關(guān)周期，當0<t<t時，晶體管g1 g4 g2 g3 onVT、VT飽和導通而VT、VT截止，這時U=U。當t<t<T時，VT、VT截止，1 4 3 2 ABs on 1 4但VT、VT不能立即導通，電樞電流i經(jīng)VD、VD續(xù)流，這時U=-U。U在一個3 2 d 2 3 AB sAB

周期正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2-4所示。電動機T的正反轉(zhuǎn)表達在驅(qū)動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，t>—，那么U的平on2 ABT均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，當正脈沖較窄時，那么反轉(zhuǎn)；如果正負脈沖相等，t=—，平均on2輸出電壓為零，那么電動機停頓。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為tUT一tonU- onTsTtU如果定義占空比p=T，電壓系數(shù)y二江s那么在雙極式可逆變換器中"2p-1調(diào)速時，p的可調(diào)圍為0調(diào)速時，p的可調(diào)圍為0?1相應的丫=-1~+1當P>-時，Y為正，電動機正轉(zhuǎn);乙11當P<5時，y為負，電動機反轉(zhuǎn)；當P=5時，丫=0，電動機停頓。但電動機停頓時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停頓時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑〞的作用。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點：1〕電流一定連續(xù)。2〕可使電動機在四象限運行。3〕電動機停頓時有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4〕低速平穩(wěn)性好，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通?！踩畴p閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析由于采用了脈寬調(diào)制，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關(guān)系式比擬簡單，電壓平衡方程如下diU=Ri+L—d+E(0<1<1).sddt on—iU—Ri+L——+E(1<1<T)s— 1 on.word.zl-.word.zl-.word.zl-.word.zl-按電壓平衡方程求一個周期的平均值，即可導出機械特性方程式，電樞兩端在一個周期TOC\o"1-5"\h\zI八 八 「，〃 丁di的電壓都是U=、U,平均電流用/表示，平均轉(zhuǎn)速〃=￡7。，而電樞電感壓降七一的ds d e 力平均值在穩(wěn)態(tài)時應為零。于是其平均值方程可以寫成yU=RI+E=RI+Cnsd de那么機械特性方程式y(tǒng)uRIR[

n= l--I=n-一ICCd0Cdee e〔四〕雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)構(gòu)造框圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)構(gòu)造圖如圖2-5，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和——輸出到達限幅值；不飽和——輸出未到達限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是為零。Un圖2巧雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)構(gòu)造框圖實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會到達飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況?！参濉畴p閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路中的UPE是直流PWM功率變換器。系統(tǒng)的特點：雙閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)造，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測。由軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)，系統(tǒng)由主電路、檢測電路、控制電路、給定電路、顯示電路組成。如圖2-6所示。圖2-6雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件構(gòu)造圖主電路：三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動機供電。檢測回路：包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測。電壓、電流和溫度檢測由A/D轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機；轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速〔光電碼盤〕。故障綜合：利用微機擁有強大的邏輯判斷功能，對電壓、電流和溫度等信號進展分析比擬，假設發(fā)生故障立即通知微機進展故障診斷，以便及時處理，防止故障進一步擴大。這也是才用微機控制的優(yōu)勢所在?！擦潮蒙妷合拗飘斆}寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機減速或停車時，儲存在電機和負載傳動局部的動能將變成電能，并通過PWM變壓器回饋給直流電源。一般直流電源由不可控的整流器供電，不可能回饋電能，只好對濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓〃。如果要讓電容器全部吸收回饋能量，將需要很大的電容量，或者迫使泵升電壓很高而損壞元器件。在不希望使用大量電容器〔在容量為幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)中，電容至少要幾千微法〕從而大大增加調(diào)速裝置的體積和重量時，可以采用由分流電阻R和開關(guān)管VT組成的泵升電壓限制電路，用R來消耗掉局部動能。R的分流電路靠開個器件VT在泵升電壓到達允許數(shù)值時接通?！财摺持麟娐穮?shù)計算和元件選擇主電路參數(shù)計算包括整流二極管計算，濾波電容計算、功率開關(guān)管IGBT的選擇及各種保護裝置的計算和選擇等?！?〕整流二極管及濾波電容的計算根據(jù)二極管的最大整流平均I和最高反向工作電壓U分別應滿足：f R

I>1,1x7 +2氏Llx6/2=3.3〔A〕f o(AV)U>1.1義％2*U=1.lx.v.2xlio=l71〔V〕R 2選用大功率硅整流二極管，型號和參數(shù)如下所示:型號額定正向平均電流I〔A)額定反向峰值電壓URM〔V)正向平均壓降U 〔V)F反向平均漏電流I 〔mA)R散熱器型號ZP10A10200?20000.5?0.76SZ14在設計主電路時，濾波電容是根據(jù)負載的情況來選擇電容C值，使RC2〔3~5〕T/2,且有U =0.9x110x0.95=94〔V)dmax2xC>1.5x0.02，即C>15000uF故此，選用型號為CD15的鋁電解電容，其額定直流電壓為400V，標稱容量為22000uF。〔2〕1687的計算最大工作電流 Imax-2Us/R=440/0.45=978(A))(2?3)Us=440?660v集電極一發(fā)射極反向擊穿電壓(BV)(2?3)Us=440?660vCEO CEO〔八〕調(diào)節(jié)器參數(shù)計算〔1〕調(diào)節(jié)器工程設計方法的根本思路先選擇調(diào)節(jié)器的構(gòu)造，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù),以滿足動態(tài)性能指標。設計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原那么是：從環(huán)開場，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴展。在這里是：先從電流環(huán)人手，首先設計好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器?！?〕電流環(huán)的設計下列圖2-7為電流環(huán)構(gòu)造圖.word.zl-.word.zl-..word.zl-圖2-7電流環(huán)構(gòu)造圖I.確定時間常數(shù)〔1〕PWM裝置滯后時間常數(shù)：TS=0.0017s?！?〕電流濾波時間常數(shù)Toi取0.002s。〔3〕電流環(huán)小時間常數(shù)T：。按小時間常數(shù)近似處理，取TD=TS+Toi=0.0037s。II選擇電流調(diào)節(jié)器構(gòu)造根據(jù)設計要求，oi%V5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可以按典型I型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為TS+1(s)*\K^rsri檢查對電源電壓的抗擾性能：TJTzi=0.076/0.0037=20.54<30，參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以承受的。III計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：T.=Tl=0.076s。電流開環(huán)增益：要求oi%V5%時，應取KTzi=0.5，因此KI=KI=0.5Tzi0.5s-1=135.14s-10.0037于是=KIT=KITRiPKs135.14x0.076x0.210.05x20=2.84IV檢驗近似條件電流環(huán)截止頻率：3.=K=135.14s-1ciI(1)脈寬調(diào)制變換器傳遞函數(shù)近似條件3Ts3Ts―3x0.0017s-1=196.08s-1>3.ci滿足近似條件。〔2〕忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件,11 ； 1, =3.i s-1=27.12s-1<3.TTl\0.161x0.076 cc滿足近似條件。

〔3〕電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件=180.78s-1>=180.78s-1>3.Ci3TTsTi.300.0017X0.002滿足近似條件。V計算ACR的電阻和電容取R0二4k。,那么R=KR=2.84x4=11.36kQ,取R=12kQ

ii0 , iC=￡iRi0.07612000xC=￡iRi0.07612000x106目F=6.33目FCoi4T oiR04x0.0024X103 o =43%<5% ,，一 .一，按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以到達的動態(tài)指標為i ，故滿足設計要求。（2）轉(zhuǎn)速環(huán)的設計下列圖2-8為轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)構(gòu)造框圖簡化。圖2-8轉(zhuǎn)速環(huán)等效成單位負反應系統(tǒng)和小慣性的近似處理I確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)1/0。已取KJ=0.5，那么Ei1 ,=2T=2x0.0037=0.0064sKeiI〔2〕取轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)下回。取Ton=0.01s?！?〕轉(zhuǎn)速環(huán)最小時間常數(shù)T。按小時間常數(shù)近似處理，取XnT=2T+T=0.0074s+0.01s=0.0174sXn Xi on

II選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器構(gòu)造根據(jù)穩(wěn)態(tài)無靜差及其他動態(tài)指標要求，按典型II型系統(tǒng)設計轉(zhuǎn)速環(huán)，ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為III選擇ASR參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原那么，取h=5，那么ASR的超前時間常數(shù)為t=hT,=5X0.0174s=0.087sn Zn那么轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益K=h-1-= 6 s-2=396.35s-2N2h2T2 2X25X0.01742￡n于是，ASR的比例系數(shù)為-10.49(h+1)PCT_ 6x0.272x0.132x-10.49 e-m- 2haRT 2x5x0.00667x2.85x0.0174￡nIV校驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為3-KT-396.35X0.087-34.48s-1cnNn〔1〕電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為13：13513：135：1400.0037st-63.70s-1>3cn滿足簡化條件〔2〕轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為1K 1.135.14一I—i- s-1-38.74s-1>33\T 3\,0.01 ,0on滿足近似條件。V計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取R0-4kQ，那么取42kQ；Rn-KR0-10.49X4kQ-41-96取42kQ；0.08742x100.08742x103X106NF=2.07NF，取2從F；C=工=4x0.01義］06.F=10從F，取10日F。

onR4x10：0VI檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時，查表得，O=37.6%,不能滿足設計要求。實際上，由于這是按線性系統(tǒng)計n算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。設理想空載起動時，負載系數(shù)2=0。按ASR退飽和的情況計算超調(diào)量TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一巾/△c an TC%=( ma^-),2(人一Z) N,—￡n-\o"CurrentDocument"nC n Tb Nm當h=5時，竺ma^%=81.2%CbIR136x0.450.132IR136x0.450.132.=463.64rmin-min因此463.640.0174c%=81.2%x2x1.5xx=8.36%<10%

n 1460 0.161可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足要求。三、仿真〔一〕仿真原理〔含建模及參數(shù)〕在Matlab中進入Simulink環(huán)境，創(chuàng)立Model文件如下列圖3-1所示:圖3-1圖3-1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型.word.zl-.word.zl-.word.zl-.word.zl-上述PI調(diào)節(jié)器的子模型如下列圖3-2和圖3-3所示:圖3-2ASR調(diào)節(jié)器模型上述PI調(diào)節(jié)器的子模型如下列圖3-2和圖3-3所示:圖3-2ASR調(diào)節(jié)器模型圖3-3ACR調(diào)節(jié)器模型仿真參數(shù)：T=0.01sa=0.007ACR:Kp=2.84Ti=0.002s TS=0.0017sP=0.05 Ce=0.132Ti=0.076sT=0.161s1 K 2.84——=_p= K t 0.076ii=37.31=120.461 K 10.49=120.46ASR:Kp=10.49——=_p= ASR:Kp=10.49K tn 0.087i〔二〕重要仿真結(jié)果〔目的為驗證設計參數(shù)的正確性〕仿真結(jié)果如下列圖3-4和圖3-5所示:

FileToolsViewSimLilationHe=lp◎,瑞⑥心?主，奈?，Ready T=2.0-(}Q圖3-4 電流響應Ready1=2,000圖3-5轉(zhuǎn)速響應四、結(jié)論從仿真結(jié)果中可以看到，電動機的啟動過程經(jīng)歷了電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速超調(diào)后的調(diào)節(jié)三個階段。與該電動機的開環(huán)系統(tǒng)相比，電動機啟動電流大幅度下降，電流環(huán)發(fā)揮了調(diào)節(jié)作用，使最大電流限制在設定的圍以。修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，可以觀察在不同參數(shù)條件下雙閉環(huán)系統(tǒng)電流和轉(zhuǎn)速的響應，修改轉(zhuǎn)速給定，也可以觀察電動機在不同轉(zhuǎn)速時的工作