雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、交交直直流流調(diào)調(diào)速速系系統(tǒng)統(tǒng) 課課程程設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 學(xué) 號(hào)： 3126108025 專業(yè)（方向）年級(jí)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 連愛(ài)慶 福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院電氣工程系2015 年 12 月 20 日目錄目錄 一一 課程設(shè)課程設(shè)計(jì)計(jì)任務(wù)任務(wù)書(shū)書(shū).1.1 二二 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū).3.31.1.任務(wù)分析任務(wù)分析.1.1 選擇 PWM 控制系統(tǒng)的理由.1.2 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由.1.3 直流 PWM 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.1.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖.1.5 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形.1.6 H 橋雙極式逆變器的工作原理.1.7 PWM 調(diào)速系

2、統(tǒng)的靜特性.2.2.主電路設(shè)計(jì)主電路設(shè)計(jì).2.1 給定基準(zhǔn)電源.2.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì).2.2.1 電流調(diào)節(jié)器.2.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器.2.3 控制電路的設(shè)計(jì).2.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).2.5 轉(zhuǎn)速及電流檢測(cè)電路.2.5.1 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路.2.5.2 電流檢測(cè)電路.3.3.調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定.3.1 系統(tǒng)固有部分的主要參數(shù)計(jì)算.3.2 預(yù)先選定的參數(shù).3.3 電流環(huán)的設(shè)計(jì).3.4 速度環(huán)的設(shè)計(jì).4.4.轉(zhuǎn)速及電流檢測(cè)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)速及電流檢測(cè)環(huán)節(jié).5.5.電路圖總體設(shè)計(jì)電路圖總體設(shè)計(jì).6.6.心得及總結(jié)心得及總結(jié).參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).1一、題目：雙閉環(huán)可逆直流脈寬一、題目：雙閉環(huán)可逆直流

3、脈寬 PWMPWM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)目的二、設(shè)計(jì)目的1、對(duì)先修課程（電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)、電力電子學(xué)、自動(dòng)控制原理等）的進(jìn)一步理解與運(yùn)用2、運(yùn)用電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論知識(shí)設(shè)計(jì)出可行的直流調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)建模、仿真驗(yàn)證理論分析的正確性。也可以制作硬件電路。3、同時(shí)能夠加強(qiáng)同學(xué)們對(duì)一些常用單元電路的設(shè)計(jì)、常用集成芯片的使用以及對(duì)電阻、電容等元件的選擇等的工程訓(xùn)練。達(dá)到綜合提高學(xué)生工程設(shè)計(jì)與動(dòng)手能力的目的。三、系統(tǒng)方案的確定三、系統(tǒng)方案的確定自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般要經(jīng)歷從“機(jī)械負(fù)載的調(diào)速性能（動(dòng)、靜）電機(jī)參數(shù)主電路控制方案” （系統(tǒng)方案的確定）“系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真研究參數(shù)整定直到理論實(shí)現(xiàn)

4、要求硬件設(shè)計(jì)制版、焊接、調(diào)試”等過(guò)程，其中系統(tǒng)方案的確定至關(guān)重要。為了發(fā)揮同學(xué)們的主觀能動(dòng)作用，且避免方案及結(jié)果雷同，在選定系統(tǒng)方案時(shí)，規(guī)定外的其他參數(shù)有同學(xué)自己選定。1、主電路采用二極管不可控整流，逆變器采用帶續(xù)流二極管的功率開(kāi)關(guān)管IGBT 構(gòu)成 H 型雙極式控制可逆 PWM 變換器；2、速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器；U*nm=U*im=Ucm=10V3、機(jī)械負(fù)載為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,系統(tǒng)飛輪矩（含電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）GD2=1.5Nm2；4、主電源：可以選擇單相交流 380V 供電；變壓器二次相電壓為 52V；5、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)：見(jiàn)習(xí)題集【4-19】 （P96）=1000r/m

5、in，電樞回路總電阻 R=2,電流過(guò)載倍數(shù) =2；6、PWM 裝置的放大系數(shù) Ks=11；PWM 裝置的延遲時(shí)間 Ts=0.4ms。2四、設(shè)計(jì)任務(wù)四、設(shè)計(jì)任務(wù)a）總體方案的確定；b）主電路原理及波形分析、元件選擇、參數(shù)計(jì)算；c）系統(tǒng)原理圖、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、主要硬件結(jié)構(gòu)圖；d）控制電路設(shè)計(jì)、原理分析、主要元件、參數(shù)的選擇；e）調(diào)節(jié)器、PWM 信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)；f）檢測(cè)及反饋電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算；五、課程設(shè)計(jì)報(bào)告的要求：五、課程設(shè)計(jì)報(bào)告的要求：1、不準(zhǔn)相互抄襲或代做，一經(jīng)查出，按不及格處理；2、報(bào)告字?jǐn)?shù)：不少于 8000 字（含圖、公式、計(jì)算式等） 。3、形式要求：必須按照福建農(nóng)林大學(xué)本科生

6、課程設(shè)計(jì) （工科）的規(guī)范化要求。4、必須畫(huà)出系統(tǒng)總圖，總圖不準(zhǔn)徒手畫(huà)，電路圖應(yīng)清潔、正確、規(guī)范。未進(jìn)行具體設(shè)計(jì)的功能塊允許用框圖表示，且功能塊之間的連線允許用標(biāo)號(hào)標(biāo)注。六、參考資料六、參考資料1、電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo) 李榮生主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2004.62、新型電力電子變換技術(shù) 陳國(guó)呈 中國(guó)電力出版社3、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，上海工業(yè)大學(xué) 陳伯時(shí) 機(jī)械工業(yè)出版社4、電力電子技術(shù) 王兆安 黃俊主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2000.13雙閉環(huán)可逆直流脈寬雙閉環(huán)可逆直流脈寬 PWMPWM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.任務(wù)分析任務(wù)分析1.11.1 選擇選擇 PWMPWM 控制系統(tǒng)的理由控制系統(tǒng)的理由

7、脈寬調(diào)制器 UPW 采用美國(guó)硅通用公司（Silicon General）的第二代產(chǎn)品SG3525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強(qiáng)的單片集成 PWM 控制器。由于它簡(jiǎn)單、可靠及使用方便靈活，大大簡(jiǎn)化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試，故獲得廣泛使用。PWM 系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性 ：1） PWM 調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。2） 開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到 1：10000 左右。4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。5） 功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，

8、當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。 6） 直流電源采用不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 變頻調(diào)速很快為廣大電動(dòng)機(jī)用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調(diào)速方法，在一些中小容量的動(dòng)態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式。由此可見(jiàn)，變頻調(diào)速是非常值得自動(dòng)化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中，PWM調(diào)速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對(duì)象的重要原因。 1.21.2 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由同開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化） ，只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用

9、去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用 PI 控制器時(shí)，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)速4系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動(dòng)態(tài)誤差較大。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個(gè)基本要求：一是能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過(guò)分析

10、發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動(dòng)，必須使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。以上兩點(diǎn)都涉及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.1.3 3 直流直流 PWMPWM 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖 1-1系統(tǒng)構(gòu)成原理直流 PWM 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖直流 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(jiǎn)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，作

11、為系統(tǒng)的功5率驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖1-1所示。其中屬于脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)主要由調(diào)制波發(fā)生器 GM、脈寬調(diào)制器 UPM、邏輯延時(shí)環(huán)節(jié) DLD 和電力晶體管基極的驅(qū)動(dòng)器 GD 和脈寬調(diào)制（PWM）變換器組成，最關(guān)鍵的部件為脈寬調(diào)制器 UPM。1.41.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1-2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)

12、電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖 1-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1.51.5 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-3所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程 (b)理想快速起動(dòng)過(guò)程6圖 1-3 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形1.61.6 H H 橋雙極式逆變器的工作橋雙極式逆變器的工作原理原理脈寬調(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

13、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(jī)轉(zhuǎn)速。H 形雙極式逆變器電路如圖1-4所示。這時(shí)電動(dòng)機(jī) M 兩端電壓的極性ABU隨開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。圖 1-4 H 形雙極式逆變器電路雙極式逆變器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖1-5所示。7OOOOUg1Ug4Ug2Ug3UABUs-Usidid1id2tttttonTtonT圖 1-5 H 形雙極式逆變器的驅(qū)動(dòng)電壓波形他們的關(guān)系是：。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)1423ggggUUUU 時(shí)，晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止，這時(shí)。當(dāng)0ontt 1VT4VT3VT2VTABsUU時(shí)，、截止，但、不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)、onttT 1VT4VT3VT

14、2VTdi2VD續(xù)流，這時(shí)。在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式 PWM 變換3VDABsUU ABU器的特征，其電壓、電流波形如圖 2 所示。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，則的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正2onTtABU轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，平均輸出電壓為2onTt零，則電動(dòng)機(jī)停止。8雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為21ononondsstTttUUUTTT如果定義占空比，電壓系數(shù)ontTdsUU則在雙極式可逆變換器中 21調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為 01 相應(yīng)的。當(dāng)時(shí)，為正，11 12電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停1

15、2120止。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)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(dòng)機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)。雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：1）電流一定連續(xù)。2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行。3）電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4）低速平穩(wěn)性好，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。1.71.7 PWMPWM 調(diào)速系統(tǒng)的靜特性調(diào)速系統(tǒng)的靜特性由于采用了脈寬調(diào)制，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較

16、簡(jiǎn)單，電壓平衡方程如下 .dsddiURiLEdt(0)ontt dsddiURiLEdt()onttT 按電壓平衡方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式，電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的電壓都是，平均電流用表示，平均轉(zhuǎn)速，dsUUdI/enE C而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫(xiě)成則ddiLdt機(jī)械特性方程式90sddeeeURRnInICCC綜上所述，目前，采用晶閘管整流供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。但是晶閘管整流器也有它的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：1） 晶閘管一般是單向?qū)щ娫?，不允許電流反向，這給電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行造成困難2）對(duì)過(guò)電壓。過(guò)電流

17、等十分敏感，只要一超過(guò)允許值都可能在很短的時(shí)間內(nèi)損壞元件3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，它對(duì)交流電源是一個(gè)感性負(fù)載，吸取滯后無(wú)功功率，因此功率因素很低，如果它在電網(wǎng)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(shí)脈動(dòng)的，而且脈動(dòng)數(shù)總是有限的。由于以上原因，選擇脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行改變電樞電壓直流調(diào)速系統(tǒng)，因?yàn)?PWM 調(diào)速系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性：1）PWM 調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá) 1：10000 左右4）如果可以與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)

18、態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因?yàn)檠b置效率高。單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用 PI 控制器時(shí)，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為 0，但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。還有單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才產(chǎn)生，因此動(dòng)態(tài)誤差大。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個(gè)基本要求：一是能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。2.2.主電路設(shè)計(jì)主電路設(shè)計(jì)H 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖2-1所示。PWM 逆變

19、器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒0C定的直流電壓。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動(dòng)sU10機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這時(shí)電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓” 。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻 Rz 消耗掉這些能量，在泵升電壓達(dá)到允許值時(shí)接通 VTz。圖 2-1 H 橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路主要參數(shù)如下：=1200V =16A =100 CERUcI*CNTCkWPCM9 . 0VUsatCE05. 3)(2.12.1 給定基準(zhǔn)電源給定基準(zhǔn)電源此電路用于產(chǎn)生15V 電壓作為轉(zhuǎn)速給定電壓以及基準(zhǔn)電壓，如圖 2-2 所示：圖 2-2 給定

20、基準(zhǔn)電源電路2.22.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對(duì)被控量進(jìn)行采樣，然后與給定值比較，決定調(diào)11節(jié)器的輸出，反饋的關(guān)鍵是對(duì)被控量進(jìn)行采樣與測(cè)量。2.2.12.2.1 電流電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器由于電流檢測(cè)中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時(shí)間常數(shù)，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。為了平衡反饋信號(hào)的延遲，在0.001oiTs給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時(shí)間上配合恰當(dāng)。圖 2-3 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型電流調(diào)節(jié)器2.2.22.2.2 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速反饋電路如圖

21、 2-4 所示，由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)和電流sTon005. 0環(huán)一樣的原理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時(shí)間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖 2-4 PI 型電轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器122.32.3 控制電路的設(shè)計(jì)控制電路的設(shè)計(jì)雙閉環(huán)控制電路的工作原理對(duì)雙閉環(huán)控制電路的穩(wěn)態(tài)工作原理的分析，可根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。分析穩(wěn)態(tài)工作原理的關(guān)鍵是要了解 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和-輸出達(dá)到限幅值；不飽和-輸出未達(dá)到飽和狀態(tài)。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，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(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器

22、暫時(shí)隔斷了輸入與輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于是該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)；不飽和的調(diào)節(jié)器，PI 的作用使輸入偏差電壓都為 0。在實(shí)際的正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的，因此，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和和不飽和兩種情況。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是 0。而當(dāng)轉(zhuǎn)速飽和時(shí)，ASR 輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速環(huán)呈開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生作用，雙閉環(huán)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速是由給定電壓決定的，ASR 的輸出量是由負(fù)載電流決定的，而控制電壓的大小則同時(shí)取決于轉(zhuǎn)速和負(fù)載電流。PI 調(diào)節(jié)器的輸出量在動(dòng)態(tài)過(guò)程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，

23、輸入為 0，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 Idm 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm 時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時(shí)，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。這樣的靜特性比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。對(duì)其啟動(dòng)過(guò)程的分析，由于在啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退保和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成 I、II、III 三個(gè)階段。第一個(gè)階段是電流上升階段。突加給定電壓 U 后，經(jīng)過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，Uc、Ud0、Id 都跟著上升，但是在

24、 Id 沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流 Idl 以前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) Id=Idl，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值強(qiáng)迫電樞電流 Id 迅速上升。直到 Id=Idm，Ui=Uim，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 Id 的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束，在這一階段中，ASR 很快就進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR 一般不飽和；第二個(gè)階段是恒流上升階段，是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR 始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給的那個(gè) Uim 下13的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 Id 恒定，因而系統(tǒng)的加

25、速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)，與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì) E 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，E 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量。為了克服這個(gè)擾動(dòng)，Udo 和 Uc 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 Id 恒定。當(dāng) ACR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)，Id 應(yīng)略低于 Idm，此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過(guò)程中 ACR 不應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅

26、值 Uim，所以電動(dòng)機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR 輸入偏差電壓變負(fù)，使它開(kāi)始退出飽和狀態(tài)，Ui 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于負(fù)載電流 Idl，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到 Id=Idl 時(shí)，轉(zhuǎn)矩 Te=Tl，則轉(zhuǎn)速 n 才能到達(dá)峰值，此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的不夠好，也會(huì)有一段振蕩過(guò)程。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR 和 ACR 都不飽和，ASR 起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而 ACR 則使 Id 盡快跟隨其給定值，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)： 對(duì)其動(dòng)態(tài)抗擾性能的分析，動(dòng)態(tài)原

27、理圖框圖對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。從動(dòng)態(tài)性能上看，由于擾動(dòng)作用點(diǎn)不同，存在著能否及時(shí)調(diào)節(jié)的差別。負(fù)載擾動(dòng)能夠比較快的反應(yīng)到被調(diào)量 n 上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用被調(diào)量稍遠(yuǎn)，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。2.42.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路中V5起保護(hù)作用，避免EXB841的6腳承受過(guò)電壓，通過(guò)VD1檢測(cè)是否過(guò)電流，接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過(guò)流保護(hù)起控點(diǎn)，以降低過(guò)高的保護(hù)閥值從而解決過(guò)流保護(hù)閥值太高的問(wèn)題。R1和C1及VZ4接

28、在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現(xiàn)過(guò)電壓，Rge是防止IGBT誤導(dǎo)通。針對(duì)EXB841存在保護(hù)盲區(qū)的問(wèn)題，可將EXB841的6腳的超快速恢復(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大一點(diǎn)的超快速恢復(fù)二極管或反向串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管，也可采取對(duì)每個(gè)脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時(shí)間，避免IGBT過(guò)窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對(duì)EXB841軟關(guān)斷保護(hù)不可靠的問(wèn)題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一個(gè)可變電阻，4腳和地之間接一個(gè)電容，都是用來(lái)調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間，保證14軟關(guān)斷的可靠性。針對(duì)負(fù)偏壓不足的問(wèn)題，可以考慮提高負(fù)偏壓。一般采用的負(fù)偏壓是-5V，可以采用-8V的負(fù)偏壓(當(dāng)然負(fù)偏壓的選擇

29、受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制)，輸人信號(hào)被接到15腳，EXB841正常工作驅(qū)動(dòng)IGBT.2.52.5 轉(zhuǎn)速及電流檢測(cè)電路轉(zhuǎn)速及電流檢測(cè)電路2.5.12.5.1 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路如圖 2-5 所示。與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速nU*nU偏差電壓輸送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓不僅表示轉(zhuǎn)速的大小，nU還包含轉(zhuǎn)速的方向，測(cè)速電路如圖 15 所示，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器即可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。圖 2-5 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路2.5.22.5.2 電流檢測(cè)電路電流檢測(cè)電路通過(guò)霍爾傳感器測(cè)量電流的電流檢測(cè)電路原理如

30、圖 2-6 所示。圖 2-6 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯，套在被測(cè)電流流過(guò)的導(dǎo)線上，將導(dǎo)線中電流感生的磁場(chǎng)聚集起來(lái)，在磁芯上開(kāi)一氣隙，15內(nèi)置一個(gè)霍爾線性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導(dǎo)線中流通的電流。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點(diǎn)： 1）可以同時(shí)測(cè)量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流； 2）副邊測(cè)量電流與原邊被測(cè)電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV12kV； 3）電流測(cè)量范圍寬，可測(cè)量額定1mA50kA電流； 4）跟蹤速度di/dt50A/s； 5）線性度優(yōu)于0.1IN； 6）響應(yīng)時(shí)間1s； 7）頻率響應(yīng) 0100kHz。3.3.調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定整定本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要元件主要元件/ /參數(shù)的選擇參數(shù)的選擇1.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)：Pnom=3kw，Unom=48V，Inom=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(shí)間常數(shù) Tl=5ms，機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm=200ms,電源電壓 Us=60V,給定值和 ASR 、ACR 的輸出限幅值均為10V，電流反饋系數(shù)=0.05V.min/r,電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比 Ce