自動化1132陳絮10212413209

1、武漢理工大學華夏學院課 程 設 計 報 告 書題 目：直流雙極式可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)設計與仿真系 名：信息工程系 專業(yè)班級：自動化1132 姓 名： 董嘉源 學 號：10212413219 指導教師： 蔡金萍 2016 年 6 月 22 日課程設計任務書9學生姓名： 董嘉源 專業(yè)班級： 自動化1132 指導教師： 工作單位： 信息工程系 題目: 直流雙極式可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)設計與仿真 一、初始條件：1.直流電機參數(shù)： PN10 KW，UN220 V，IN55 A，nN1000 r/min ，Ra0.4，直流它勵勵磁電壓220V，電流1.6A2.進線交流電源：三相380V3. 采用永磁式測速發(fā)電機

2、，其參數(shù)：23W，110V，0.21A，1900 r/min， 二、要求完成的主要任務: 1.PWM主電路設計2.轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋電路設計3.集成脈寬調(diào)制電路設計4.驅(qū)動電路設計5.ASR及ACR電路設計6.仿真研究三、設計報告撰寫要求1.內(nèi)容要求一般要求包括如下內(nèi)容： 目錄編制課程設計的目錄，目錄的各級標題按照章節(jié)順序排列，統(tǒng)一用阿拉伯數(shù)字表示，一級標題為1,2,3，二級標題為1.1,1.2,1.3，三級標題為1.1.1,1.1.2等。 緒論課程設計正文前的引言。應對課題研究的目的意義，研究現(xiàn)狀，課題研究內(nèi)容，預期研究目標等進行綜合論述。正文是課程設計的主體，根據(jù)任務書要求的設計內(nèi)容完成設

3、計任務。應對系統(tǒng)總體設計方案的實用性和可行性進行論證，設計系統(tǒng)主電路及控制驅(qū)動電路，說明系統(tǒng)工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計算過程，給出仿真模型和仿真結(jié)果，并對結(jié)果進行分析。電路圖紙、元器件符號及文字符號應符合國家標準。課程設計說明書應嚴格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，堅決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象。 結(jié)論內(nèi)容總結(jié)，應說明完成的主要設計任務、存在的主要問題及設計中的體會。 參考文獻相關文摘不少于5篇，注意參考文獻的格式。2. 格式要求（1）紙張格式：要求統(tǒng)一用A4紙打印，頁面設置上空2.5cm，下空2.0cm，左空2.5cm，右空2.0cm（2）正文層次：統(tǒng)一用阿拉伯數(shù)字表示，標題一般不超過3級，格式左對齊，正文

4、內(nèi)容層次序號為：1.1.11.1.1.。（3）正文標題；一級標題為黑體小2號，二級標題為黑體小三號，三級標題為黑體四號，四級標題為黑體小四號。（4）正文內(nèi)容格式：宋體五號，1.25倍行距。（5）參考文獻格式：參考文獻不少于5個，按作者、文獻名、出版地、出版社和出版時間等順序書寫。如：1劉國鈞，陳紹業(yè)圖書館目錄北京：高等教育出版社，1957 2 戴軍，袁惠新.膜技術在含油廢水處理中的應用.膜科學與技術，2002.4. 圖表要求：所有曲線、圖表、電路圖、流程圖、程序框圖、示意圖等必須采用計算機輔助繪圖。圖序及圖名置于圖的下方；表序及表名置于表的上方；圖表一律采用采用阿拉伯數(shù)字連續(xù)編號。3.裝訂順序

5、設計報告按照如下順序裝訂： 封面任務書目錄正文參考文獻評分表。四時間安排：2016.6.132016.6.15 收集課程設計相關資料2016.6.162016.6.19 系統(tǒng)設計2016.6.202016.6.21 系統(tǒng)仿真2016.6.222016.6.24 撰寫課程設計及答辯 2016 年 6 月 12 日目 錄1概述- 12設計思路- 22.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖- 22.2 橋式可逆PWM變換器-23電路設計- 53.1 給定及偏移電路- 53.2雙環(huán)調(diào)節(jié)器電路- 63.21 電流調(diào)節(jié)器- 63.22 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器- 63.3 信號產(chǎn)生電路- 73.4 驅(qū)動電路- 83.5 轉(zhuǎn)速及電流檢

6、測電路- 94 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定- 104.1 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)- 104.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)- 115 MATLAB仿真- 135.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖- 135.2 仿真結(jié)果- 136 心得體會- 14參考文獻- 151 概述脈沖寬度調(diào)制 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量，通信，功率控制與變換等許多領域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導通時間的改變

7、，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。  脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。 多數(shù)負載(無論是電感性負載還是電容性負載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通

8、常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個PWM控制器，每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比是接通時間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作： * 設置提供調(diào)制方波的片上定時器/計數(shù)器的周期 * 在PWM控制寄存器中設置接通時間 * 設置PWM輸出的方向，這個輸出是一個通用I/O管腳 * 啟動定時器 * 使能PWM控制器  PWM的一個優(yōu)點是從

9、處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。 對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網(wǎng)絡可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 總之，PWM既經(jīng)濟、節(jié)約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計應用中使用的有效技術。 2 設計思路2.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本次設計要求采用P

10、WM控制和變換器實現(xiàn)電機調(diào)速的功能，為了使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能都達到比較高的標準，還是采用了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的控制方式。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，達到設計要求。電路總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2 橋式可逆PWM變換器圖2  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3所示。圖3 

11、PWM變換器的驅(qū)動電壓波形他們的關系是：。在一個開關周期內(nèi)，當時，晶體管1VT、4VT飽和導通而3VT、2VT截止，這時。當時，1VT、4VT截止，但3VT、2VT不能立即導通，電樞電流經(jīng)2VD、3VD續(xù)流，這時。在一個周期內(nèi)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3所示。電動機的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，當正脈沖較窄時，則反轉(zhuǎn)；如果正負脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動機停止。 雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 ：÷èø  如果定義占空比，電壓系

12、數(shù)= 則在雙極式可逆變換器中 gr=-調(diào)速時，的可調(diào)范圍為01相應的。當時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當時，為負，電動機反轉(zhuǎn)；當時，電動機停止。但電動機停止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，在電動機停止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）電動機停止

13、時有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。 4）低速平穩(wěn)性好，每個開關器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。3 電路設計H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖4所示。PWM逆變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，以獲得恒定的直流電壓由于電容量較大，突加電源時相當短路，勢必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電阻或電抗），合上電源以后，延時用開關將短路，以免在運行中造成附加損耗。 濾波電容器往往在PWM裝置的體積和重量中占有不小的份額，因此電容量的選擇是PWM裝置設計中的重要問題。但對于PWM變

14、換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當電機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rb消耗掉這些能量，在泵升電壓達到允許值時接通VT5。圖4 H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路3.1 給定及偏移電路此電路用于產(chǎn)生±15V電壓作為轉(zhuǎn)速給定電壓以及基準電壓，如圖5所示：圖5 給定及偏移電路3.2雙環(huán)調(diào)節(jié)器電路3.21 電流調(diào)節(jié)器電流反饋電路原理圖如圖6所示。圖中為電流給定電壓，為電流負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。其中， 

15、;, 。圖6 電流反饋電路3.22 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速反饋電路原理圖如圖7所示，圖中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出時電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。其電路結(jié)構(gòu)與電流調(diào)節(jié)器雷同， ， 。=圖7 轉(zhuǎn)速反饋電路3.3 信號產(chǎn)生電路PWM生成電路如圖8所示，SG3524生成的PWM信號經(jīng)過一個非門轉(zhuǎn)為兩路相反的PWM信號，為了確保上下兩橋臂不會直通發(fā)生事故，中間加入電容進行邏輯延時，后面再加上非門和與門構(gòu)成的電路。圖8 信號產(chǎn)生電路本設計采用集成脈寬調(diào)制器SG3524作為脈沖信號發(fā)生的核心元件。根據(jù)主電路中IGBT的開關頻率，選擇適當?shù)闹导纯纱_定振蕩頻率。由初始條件知開關頻率為10kHz，

16、可以選擇。 電路中的PWM信號由集成芯片SG3524產(chǎn)生，SG3524可為脈寬調(diào)制式推挽、橋式、單端及串聯(lián)型SMPS(固定頻率開關電源)提供全部控制電路系統(tǒng)的控制單元。由它構(gòu)成的PWM型開關電源的工作頻率可達100kHz,適宜構(gòu)成100-500W中功率推挽輸出式開關電源。SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。 由SG3524構(gòu)成的基本電路如圖9所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產(chǎn)生+5V基準電壓。9腳是誤差放大器的輸出端，在1、9引腳之間接入外部阻容元件構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，可提高穩(wěn)態(tài)精度。12、13引腳通過電阻與+15V電壓源相連，供內(nèi)部晶體管工作，由電流調(diào)節(jié)

17、器輸出的控制電壓作為2引腳輸入，通過其電壓大小調(diào)節(jié)11、14引腳的輸出脈沖寬度，實現(xiàn)脈寬調(diào)制變換器的功能實現(xiàn)。圖9 SG3524管腳電路SG3524的基準源屬于常規(guī)的串聯(lián)式線性直流穩(wěn)壓電源,它向集成塊內(nèi)部的斜波發(fā)生器、PWM比較器、T型觸發(fā)器等以及通過16腳向外均提供+5V的工作電壓和基準電壓,振蕩器先產(chǎn)生0.6V-3.5V的連續(xù)不對稱鋸齒波電壓,再變換成矩形波電壓,送至觸發(fā)器、或非門,并由3腳輸出。振蕩器頻率由SG3524的6腳、7腳外接電容器和外接電阻器決定,其值為:f=1.15/。考慮到對的充電電流為(1.2-3.6/ 一般為30A-2mA),因此的取值范圍為1.8k100k,

18、 為0.001F0.1F,其最高振蕩頻率為300kHz。 開關電源輸出電壓經(jīng)取樣后接至誤差放大器的反相輸入端,與同相端的基準電壓進行比較后,產(chǎn)生誤差電壓送至PWM比較器的一個輸入端,另一個則接鋸齒波電壓,由此可控制PWM比較器輸出的脈寬調(diào)制信號。3.4 驅(qū)動電路IGBT驅(qū)動采用了集成芯片IR2110，IR2110采用14端DIP封裝，引出端排列如圖10所示。圖10 IR2110管腳圖它的各引腳功能如下：  腳1（LO）是低端通道輸出； 腳2（COM）是公共端； 腳3（Vss）是低端固定電源電壓； 腳5（Us）是高端浮置電源偏移電壓；&

19、#160;腳6(UB)是高端浮置電源電壓；腳7（HO）是高端輸出； 腳9（VDD）是邏輯電路電源電壓； 腳10（HIN）、腳11（SD）、腳12（LIN）均是邏輯輸入； 腳13（Vss）是邏輯電路地電位端外加電源電壓，其值可以為0V； 腳4、腳8、腳14均為空端。 IGBT驅(qū)動電路如圖11所示。IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標準的CMOS輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達500V，du/dt=±50V/ns，在15V下的靜態(tài)功耗僅有1.6mW；輸出的柵極驅(qū)動電

20、壓范圍為1020V，邏輯電源電壓范圍為515V，邏輯電源地電壓偏移范圍為5V5V。IR2110采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。推挽式驅(qū)動輸出峰值電流2A，負載為1000pF時，開關時間典型值為25ns。兩路匹配傳輸導通延時為120ns，關斷延時為94ns。IR2110的腳10可以承受2A的反向電流。圖11 IR2110驅(qū)動電路3.5 轉(zhuǎn)速及電流檢測電路 轉(zhuǎn)速檢測電路如圖12。與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓輸送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。測速發(fā)電機的輸出電壓不僅表示轉(zhuǎn)速的大小，還包含轉(zhuǎn)速的方向，測速電路如

21、圖12所示，通過調(diào)節(jié)電位器即可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。圖12 轉(zhuǎn)速檢測電路4 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定4.1 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)運算放大器的電路原理，可以容易的導出： 根據(jù)以上的過程分析，本次課程設計的電流調(diào)節(jié)器的具體參數(shù)選取方式如下。由于采用的PWM的頻率為10kHz，所以整流裝置的滯后時間常數(shù)，不妨取。PWM的每個正脈沖的時間為=0.05ms，為了基本濾平電流，應有(12) =0.05ms，所以，取電流濾波時間常數(shù)。故有。檢查對電源電壓的抗擾性能：，這一指標表明動態(tài)降落非常的小，但是恢復時間相對來說較長，但是也在可以接受的范圍內(nèi)。 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)：。 電流開環(huán)增

22、益：要求，故應取，因此。 不妨設為12.33V于是,可以算出電流調(diào)節(jié)器ACR的比例系數(shù)為：校驗近似條件的驗證如下： 有電流環(huán)截止頻率： 1.PWM整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 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 =<滿足近似條件。 3.電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 w=>滿足近似條件。 下面開始計算PI調(diào)節(jié)器中的相關電子元器件的取值 按照圖6不妨取=50k，則各電阻和電容值為： ,取，取38，取3.3由以上原件構(gòu)成的PI調(diào)節(jié)器的動態(tài)跟隨指標為，滿足設計

23、要求。4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和。按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)關系有： 對于中頻寬h的選擇，一般取5能夠滿足跟隨和抗擾性能都較好的原則，如果不能滿足系統(tǒng)的動態(tài)性能要求則做適當?shù)恼{(diào)整。電阻電容的取值如下： 根據(jù)以上討論，本設計中的ASR設計如下： 電流環(huán)等效時間常數(shù)為，前面已經(jīng)選擇,則有 轉(zhuǎn)速濾波常數(shù)根據(jù)測速發(fā)電機的紋波情況，取于是轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為å=由題意可以算的： (設為14.5V)則可得到：下面驗證近似條件是否滿足： 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為

24、60;=>滿足條件 。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 =>滿足條件 。下面開始計算實現(xiàn)電路所需要的電器元件的取值,取，取W，取，取4 MATLAB仿真4.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖如圖13所示：圖13 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖其中，限幅值的計算為：4.2 仿真結(jié)果ASR，ACR輸出電壓波形如圖14圖14 ASR，ACR輸出電壓波形圖6 心得體會 這次課程設計歷時兩周，在整整一個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。經(jīng)過這次課程設計我感受頗多。在正式進行設計之前，我參考了一些網(wǎng)上的資料，通過對這些設計方案來開拓自己的思路，最后終于有了自己的思路。課程設計是實踐課的一種，在很大程度上實現(xiàn)了動手與動腦，理論與實際的相互結(jié)合，既是對工業(yè)環(huán)境的一個簡單縮影，又是對理論知識的一種檢驗，很好地實