PWM脉宽直流调速系统设计课程设计-.docx

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1、设计题目及分析设计遨目：转速电流双闭环限制的H型双极式PWM直流调速系统直流电动机1UN=4SV.1N=3.7A.nN=20()rmin允许过载倍数2=2：电板回路电磁时常,=OO15s,机电时常=0,2s:PWM环节的放大倍数：阳=4.8.：电枢回路总电阻：R=IQ:电枢电阻Ra=O.50.电流反馈系统=1.33VA,转速反馈系数a=0.05Vmin,电动势转速比Ce=O.18Vmir.转速电流调整器输入输出限解电压Ug=Og=ov.采纳MAT1.AB对双闭环系统进行仿真,绘制直流调速系统仿式框图.仿真.得出启动转速，起动电流，直流电压Ud，ASRACR输出电压的波形。井对结果i行分析.直流

2、调速系统具有调速范困广、精度高、动态性能好和易于限制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并具体分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后依据自动限制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真探讨的基础上，木文设计了一套试验用双闭环直流调速系统，具体介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及限制电路的具体实现。对系统的性能指标进行r试险测试,表明所设计的双闭环调速系统运行秘定牢苑，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采纳

3、MAT1.AB软件中的限制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机协助设计，并用Similink进行动态数字仿我，同时食看仿真波形，以此验证设计的调速系统是否可行。一、双闭环直流调速系统的工作原理1、双闭环直流调速系统的介绍双闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速（电压）低了给定值,速度调整器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调整器工作在开环状态,速度调整器的输出电压作为电流给定值送入电流调整器，此时则以最大电流给定值使电流调整器输出移信任号,直流电压快速上升，电流也随即增大直到等于最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电

4、流（堵转电流）可以通过整定速度谢整蹲的输出限幅值来变更。在电动机转速上升到绐定转速后,速度谢整器输入端的偏差信号减小到近于零，速度调整冷和电流调整器退Hl饱和状态，闭环调整起先起作用。对负载引起的转速波动,速度调整器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调整器、电流调整器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变更，从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调整器的小时间常数，还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变更进行快速调盛，可以在电动机转速还将来得及发生变更时,快速使电流豆原到原来值，从而使速度更好地稳定于某一转速卜.运行。2、双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈

5、分别起作用，可在系统中设置两个调整器，分别调整转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，如图11所示。把转速调整器的输出当作电流调整器的输入,再用电流调整器的轴出去限制电力电子变换器UPE0从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环：快速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图1-1转速、电流双闭环直流调速系统其中：ASR-转速调整器ACR-电流调整器TG-测速发电机TA-电流互感器IPE-电力电子变换器转速给定电压Un-转速反馈电压Ui工电流给定电压5-电流反馈电压事实上在正常运行时，电流调整咕始终为不饱和状态，而转速调推器则处于饱和和不饱和两种状态。

6、双闭环直流调速系统的稳态结构图如图2所示。图3双闭环口流调速系统的动态结构图图中We(三)和Wq(三)分别表示转速调整器和电流谢整器的传递函数。为了引出电流反馈.在电动机的动态结构图上必需把电流1.标示出来。电机在启动过程中，转速调整器经验了不饱和、饱和、退保和三种状态，整个动态过程可分为图4中的三个阶段。双闭环直流隔速系统启动过程的传速和电流波形如图4所示。图4中所示的启动过程，阶段I是电潦上升阶段，电流从O到达最大允许值Idm,ASR饱和、ACR不饱和；阶段H时恒流升速阶段，Id基本保持在klm,电动机加速到了给定值n*,ASR饱和、ACR不饱和：阶段In时转速调整阶段（退饱和阶段），AS

7、R不饱和、ACR不饱和。双闭环直潦调速系统的起动过程利用饱和非线性限制，获得了准时间最优限制，但却带来了转速超调。2.2H桥PWM变换器脉宽调制器的作用是：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肯定宽度可变的脉冲电压序列，从而变更平均输出电压的大小，以调整电机的转速。由于题目中给定为转速、电流双闭环限制的H型双极式PwM直流调速系统，电动机M两端电JKUaH的极性随开关器件驱动电用的极性变更而变更。通过谢整开关管的导通和关断时间，即占空比，可以达到对直流电机进行调速的目的。H型双极性PWM变换器如图5所示。图5桥式可逆PwM变换器电路双极式限制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如

8、图6所示。图6双极式限制可逆PW变换涔的驱动电纸、舱出电汽和电流波形它们的关系是：Ue=Uu=-1.k=-U*。在个开关周期内，当Ot3时，晶体管VTkVT4饱和导通而VT2、VT3截止，这时UAB=US。当SIST时，VTKVT4截止，但VT2、VT3不能马上导通，电枢电流匕经VD2、VD3续流，这时UAB=-US.UAB在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电Jffi、电流波形如图6所示。电动机的、Tt*z正反特体现在驱动电压正负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，2,则UAB的平均值为正，电动机正转：当正脉冲较窄时，则反转；假如正负脉=T冲相等，“一5,平均输出电压为零，则电动

9、机停止转动.双极式限制可逆PWM变换器的输出平均电压为假如定义占空比0=t,电压系数7=上，则在双极式可逆变换器中TUKr=2p-调速时，0的可谓范用为01,相应的y=ll,当OAg时，7为正，电动机正转：当夕Y1.时，y为负，电动机反转：当0=,时，7=0,电动机22停止。但是电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的.3系统参数的选取3.1 PWM变换器滞后时间常数TSPWM限制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本祥。当限制电压UC变更时,PWM变换器输出平均电压Ud按现行规律变更，但其响应会有延迟，最大的时延是周开关周期T。PWM装置的

10、延迟时间TsT.般选取Ts=y=0.(X)IS(3)其中，f一一开关器件IGBT的频率.3.2 电流滤波时间常数和转速滤波时间常数PWM变换器电流谑波时间常数的选择与品闸管限制电路仃所区分,这里选择电流谑波时间常数Toi=0.002s-220-136x0.2146()=0.132Vmin/rGD2R22.5O.5=0,8s375-C7375-O.13221111T1.1.5102T1=-=0.03S(5)R0.5(6)4电流调整器ACR的设计4.1电流环小时间常数计算按小时间按常数近似处理，T”取错误I未找到引用源.=Toi+Ts=0.002+0.(X)1=0.003(7)4.2电流调整器结构

11、选择依据设计要求5%,并保证稳态时在电网电压的扰动下系统无静差，可以按典型I型系统设计电流调整器，电流环限制对象是双惯性的，因此可以采纳Pl调整器，其传递函数可见式（8）。(8).（、K,（r,5+1）wAS=-y检查对电源电压的抗扰性能：i=-=10.分析可知，各项指标q0.003都是可以接受的。4.3电流调整器参数计算电流调整器超前时间常数：ri=Tl=0.03.V。电流环开环增益：要求645%，依据典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系可知，应取KlTn=O.5,因此,T110.003于是，ACR的比例系数为IZKIrM166.70.030.5,“KI=-=1.25KJi40

12、x0.054.4校验近似条件(10)电流环截止频率：=K1=166.7S-1(I)PWM变换装置传递函数的近似条件=333.3s,见3T3x0.001（三）满意近似条件.(2)校验忽视反电动势变更对电流环动态影响的条件3.M-=3I=40.8JciVTraT1V0.18x0.003ti满意近似条件。4.5调整器电容和电阻值计算按所用运算放大器取R0=40k,各个电阻和电容值的计算如下:取50kf2R1=K1Jf11=2540三50kG=V磊=6取6心=色芈=O取。01R040l0jPl型电流调整沿原理图如图7所示。u；(三)C)图7含给定波波与反馈涉波的PI型电流调整潜由以上计算可得电流调整器

13、传递函数为WAOt(三)=K,(r,s+I)1.25(O.O3s+l)0.05s(14)校正成典型I型系统的电流环动态结构图如图8所示。图8电流环的动态结构图5速度调整器ASR设计5.1 时间常数的设定在电流调整器的设计中为r达到电流超调的要求(5%),KlTit=0.5,所以电流环等效时间常数-为：Kl=2Ti=20.003=0.006s(15)KI转速环小时间常数Tsn。按小时间常数处理处理，取T11=-+=0.006+0.01=0.016(16)Kl5.2转速调整器结构选择为了实现转速无解差，在负数扰动作用点前必需有个积分环节，它应当包含在转速调整器ASR中。现在扰动作用点后面已经有了个

14、积分环节，因此转速环开环调整器应当有两个积分环节，所以应当设计成典型11型系统,这样的系统同时也能满意动态抗扰性能好的要求.由此可见，ASR也应当采纳Pl调整器，其传递函数为WASR(三)=幺3(17)5.3转速调整器参数计算按跟随性和抗扰性好的原则，取上5,则ASR的超前时间常数为：rn=hTiil=50.016=0.08s(19)转速环的开环增益为:2hilt225O.OI6j=468.755j(20)于是可得ASR的比例系数为:(h+lgT,6x().05x0.132x0.18IhaRT.2x5x0.007x0.5x0.0165.4校验近似条件转速环的截止频率为：*=Kn1.=468.8X0.()8=37.5ST例气也=78.6/3V0.003(1)电流环传递函数简化条件(22)满意简化条件。(2)转速环小时间常数近似处理条件畿W离=*%满意荷化条件。3)校核转速超调量当h=5时，由典型II里系统的阶跃输入跟随性能指标的关系可知，%=37.6%,不能满意设计的要求。事实上，突加阶跃给定时，ASR饱和,不符合线性系统的前提，应当按ASR退饱和的状况重新计算超调量。系统空载启动到额定转速时的转速超调量：136x0.5学=曰一学导