直流電機的PWM電流速度雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)課程設計

1、直流電機的PWM電流速度雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)課程設計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)姓 名： 趙強 學 號： U201311856 班 級： 電氣 1303 指導老師： 徐偉 課程評分： 日期： 2016-07-10 目錄一、設計目標與技術參數(shù)二、設計基本原理（一）調(diào)速系統(tǒng)的總體設計（二）橋式可逆PWM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）重要仿真結果（目的為驗證設計參數(shù)的正確性）四、結論參考

2、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：IN=136A；額定轉速：nN：=1460r/min；電樞回路總電阻：R=0.45；電磁時間常數(shù)：Tl=0.076s；機電時間常數(shù)：Tm=0.161s；電動勢系數(shù)：Ce=0.132V*min/r；轉速過濾時間常數(shù)：Ton=0.01s；轉速反饋系數(shù)=0.01 V*min/r；允許電流過載倍數(shù)：=1.5；電流反饋系數(shù)：=0.07V/A；電流超調(diào)量：i5%；轉速超調(diào)量：i10%；運算放大器：R0=4K； 晶體管PWM功率放大器：工作頻率：2KH

3、z；工作方式：H型雙極性。PWM變換器的放大系數(shù)：KS=20。二、設計基本原理（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矩的動態(tài)過程。如圖2-1所示。圖2-1 直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉速波形用雙閉環(huán)轉速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對成本較高，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

4、啟動時啟動電流的動態(tài)過程。在啟動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉速，實現(xiàn)轉速無靜差調(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佳過渡過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結構圖如圖2-2所示，轉速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結，轉速調(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)電機轉速，達到設計要求。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

5、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。（二）橋式可逆PWM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兩端電壓的極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化。圖2-3 橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅動電壓波形如圖2-4所示。圖2-4 PWM變換器的驅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、飽和導通而、截止，這時。當時，、截止，但、不能立即導通，電樞電流經(jīng)、

6、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2-4所示。電動機的正反轉體現(xiàn)在驅動電壓正、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，當正脈沖較窄時，則反轉；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如果定義占空比，電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時，的可調(diào)范圍為01相應的。當時，為正，電動機正轉；當時，為負，電動機反轉；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)生平均轉矩，徒然增大電動機的損耗這

7、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，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。（三）雙閉環(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，因而機械特性關系式比較簡單，電壓平衡方程如下 . 按電壓平衡方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導出機械特性方程式，電樞兩端在一個周期內(nèi)的電壓都是，平均電流用表示，平均轉速，而電樞電感壓降的平

8、均值在穩(wěn)態(tài)時應為零。于是其平均值方程可以寫成則機械特性方程式（四）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖2-5，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。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。圖2-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（五）雙閉環(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

9、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)結構，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉速給定和檢測。由軟件實現(xiàn)轉速、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)硬件結構圖主電路：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、溫度和轉速檢測。電壓、電流和溫度檢測由A/D轉換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機；轉速檢測用數(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行分析比較，若發(fā)生故障立即通知微機

10、進行故障診斷，以便及時處理，避免故障進一步擴大。這也是才用微機控制的優(yōu)勢所在。（六）泵生電壓限制當脈寬調(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部分的動能將變成電能，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 和開關管 VT 組成的泵升電壓限制電路，用R 來消耗掉部分動能。

11、R 的分流電路靠開個器件 VT 在泵升電壓達到允許數(shù)值時接通。（七）主電路參數(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、功率開關管 IGBT 的選擇及各種保護裝置的計算和選擇等。（1）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 和最高反向工作電壓 分別應滿足：（A）（V）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（A)額定反向峰值電壓URM（V)正向平均壓降 （V)反向平均漏電流 （mA)散熱器型號ZP10A1020020000.50.76SZ14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RC（35）T/2，且有（V)，即C15

12、000uF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）IGBT的計算最大工作電流Imax2Us/R=440/0.45=978(A)集電極發(fā)射極反向擊穿電壓 (23)Us=440660v（八）調(diào)節(jié)器參數(shù)計算（1）調(diào)節(jié)器工程設計方法的基本思路 先選擇調(diào)節(jié)器的結構，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)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開始，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)看作是轉速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調(diào)節(jié)器。（2）電流環(huán)的設計下圖2-

13、7為電流環(huán)結構圖圖2-7 電流環(huán)結構圖I確定時間常數(shù)（1）PWM裝置滯后時間常數(shù)：TS=0.0017s。（2）電流濾波時間常數(shù)Toi取0.002s。（3）電流環(huán)小時間常數(shù)Ti。按小時間常數(shù)近似處理，取Ti=TS+Toi=0.0037s。 II選擇電流調(diào)節(jié)器結構根據(jù)設計要求，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 檢查對電源電壓的抗擾性能： ，參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。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)：。電流開環(huán)增益：要求時，應取，因此于是IV 檢驗近似條件電流環(huán)截止頻率

14、：（1） 脈寬調(diào)制變換器傳遞函數(shù)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)近似處理條件滿足近似條件。V 計算ACR的電阻和電容取=4k，則，取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為，故滿足設計要求。（2） 轉速環(huán)的設計下圖2-8為轉速環(huán)動態(tài)結構框圖簡化。圖2-8 轉速環(huán)等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理I 確定時間常數(shù)（1） 電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。已取KIT=0.5，則（2）取轉速濾波時間常數(shù)Ton。取Ton=0.01s。（3）轉速環(huán)最小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取II 選擇轉速調(diào)節(jié)器結構根據(jù)穩(wěn)態(tài)無靜差及其他動態(tài)指標

15、要求，按典型II型系統(tǒng)設計轉速環(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則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為則轉速環(huán)開環(huán)增益于是，ASR的比例系數(shù)為IV 校驗近似條件轉速截止頻率為（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為滿足簡化條件（2）轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為滿足近似條件。V 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取，則，?。?，取；，取。VI 檢驗轉速超調(diào)量當h=5時，查表得，=37.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于這是按線性系統(tǒng)計算的，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)z=0。

16、按ASR退飽和的情況計算超調(diào)量當h=5時，而因此可見轉速超調(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)建Model文件如下圖3-1所示：圖3-1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型上述PI調(diào)節(jié)器的子模型如下圖3-2和圖3-3所示：圖3-2 ASR調(diào)節(jié)器模型圖3-3 ACR調(diào)節(jié)器模型仿真參數(shù)：Ton=0.01s Toi=0.002s TS=0.0017s Tl=0.076s Tm=0.161s=0.007 =0.05 Ce=0.132ACR: Kp=2.84 ASR: Kp=10.49 （二）重要仿真結果（目的為驗證設計參數(shù)的正確性）仿真結果如下圖3-

17、4和圖3-5所示：圖3-4 電流響應圖3-5 轉速響應四、結論從仿真結果中可以看到，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范圍以內(nèi)。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)電流和轉速的響應，修改轉速給定，也可以觀察電動機在不同轉速時的工作情況。本次課程設計終于完成了，從最初的略微了解雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)到現(xiàn)在徹底弄清楚細節(jié)之處，著實耗費了一些功夫，但是在整個課設過程中，自己得到的收獲也是非常的大。不僅是對于電力拖動有了更深層次的理解，還能夠將課堂上學到的理論知識與實

18、踐結合在一起，而且經(jīng)過這次課設，我對MATLAB的使用也更加的熟悉。同時我也是第一次連續(xù)在圖書館借了好幾本書，一天到晚專心泡在圖書館做課設，這份經(jīng)歷是我本學期最大的收獲。一開始課設做的并不順利，因為參數(shù)純粹都是自己瞎設定的，所以到了仿真的時候才發(fā)現(xiàn)，原來這些參數(shù)得到的結果并不能很好的調(diào)速和降低電機的啟動電流。到了后來試了很多次，結合圖書館借閱的資料才設置好了合理的參數(shù)，使得仿真的波形比較理想。如下圖就是其中一次失敗的嘗試。我當初選擇電拖課設其實是迫不得已的，當時大家都說高電壓課設簡單，我就想選高壓，但名額滿了之后只得選擇電拖。但現(xiàn)在看來，我很慶幸選擇了電拖課設，因為這次課設帶給我的收獲真的是非常大，一言難盡！在此，特別感謝我的任課老師夏勝芬老師和徐偉老師！在做課設中間，