双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

交直流调速课程设计任务书一、题目：双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计二、设计目的1、对先修课程（电力电子学、自动控制原理等）的进一步理解与运用2、运用《电力拖动控制系统》的理论知识设计出可行的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。

也可以制作硬件电路。

3、同时能够加强同学们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。

达到综合提高学生工程设计与动手能力的目的。

三、系统方案的确定自动控制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能（动、静）→电机参数→主电路→控制方案”（系统方案的确定）→“系统设计→仿真研究→参数整定→直到理论实现要求→硬件设计→制版、焊接、调试”等过程，其中系统方案的确定至关重要。

为了发挥同学们的主管能动作用，且避免方案及结果雷同，在选定系统方案时，规定外的其他参数有同学自己选定。

1、主电路采用二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器；2、速度调节器和电流调节器采用PI调节器；3、机械负载为反抗性恒转矩负载，调速范围D=2；系统飞轮矩（含电机及传动机构）GD2=100Nm24、主电源：可以选择单相交流220V供电；变压器二次电压为67V；5、他励直流电动机的参数：略6、PWM装置的放大系数K S=4.8;PWM装置的延迟时间T S=0.4ms。

四、设计任务a）总体方案的确定；b）主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；c）系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图；d）控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择；e）调节器、PWM信号产生电路的设计；f）检测及反馈电路的设计与计算；五、课程设计报告的要求：1、不准相互抄袭或代做，一经查出，按不及格处理；2、报告字数：不少于8000字（含图、公式、计算式等）。

3、形式要求：以《福建农林大学本科生课程设计》（工科）的规范化要求撰写。

要求文字通顺、字迹工整、公式书写规范、报告书上的图表允许徒手画，但必须清晰、正确且要有图题。

4、必须画出系统总图，总图不准徒手画，电路图应清洁、正确、规范。

未进行具体设计的功能块允许用框图表示，且功能块之间的连线允许用标号标注。

六、参考资料1、电气传动控制系统设计指导李荣生主编机械工业出版社 2004.62、新型电力电子变换技术陈国呈中国电力出版社3、电力拖动自动控制系统，上海工业大学陈伯时机械工业出版社4、电力电子技术王兆安黄俊主编机械工业出版社 2000.1双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计1.任务分析1.1选择PWM控制系统的理由脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（Silicon General）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。

由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。

PWM系统在很多方面具有较大的优越性：1） PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。

2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。

3）低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：10000左右。

4）如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。

5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。

6）直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。

由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。

在变频调速方式中，PWM调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。

1.2采用转速电流双闭环的理由同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。

在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。

因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。

由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。

单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。

但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。

另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。

在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。

通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。

如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。

以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。

1.3直流PWM传动系统结构图图1-1 直流PWM传动系统结构图直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管变流装置，作为系统的功率驱动器，系统构成原理如图1所示。

其中属于脉宽调制调速系统主要由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管基极的驱动器GD和脉宽调制（PWM）变换器组成，最关键的部件为脉宽调制器。

1.4双闭环调速系统的结构图直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM 装置。

其中脉宽调制变换器的作用是：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一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。

图1-2 双闭环调速系统的结构图1.5 调速系统起动过程的电流和转速波形如图2所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。

这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程(b)理想快速起动过程图1-3 调速系统起动过程的电流和转速波形1.6 H 桥双极式逆变器的工作原理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一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。

H 形双极式逆变器电路如图3所示。

这时电动机M 两端电压AB U 的极性随开I dtI d I dcr(a)(b)关器件驱动电压的极性变化而变化。

图1-4 H 形双极式逆变器电路双极式逆变器的四个驱动电压波形如图4所示。

OOOOU g1U g2U-Usi d图1-5 H 形双极式逆变器的驱动电压波形他们的关系是：1423g g g g U U U U ==-=-。

在一个开关周期内，当0ont t ≤<时，晶体管1V T 、4V T 饱和导通而3V T 、2V T 截止，这时AB s U U =。

当on t t T ≤<时，1V T 、4V T 截止，但3V T 、2V T 不能立即导通，电枢电流d i 经2VD 、3V D 续流，这时AB s U U =-。

ABU 在一个周期内正负相间，这是双极式PWM 变换器的特征，其电压、电流波形如图2所示。

电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。

当正脉冲较宽时，2on T t >，则AB U 的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，2on T t =，平均输出电压为零，则电动机停止。

双极式控制可逆PWM 变换器的输出平均电压为21on onon d s s t T t t U U U TTT -⎛⎫=-=- ⎪⎝⎭如果定义占空比on t Tρ=，电压系数d sU U γ=则在双极式可逆变换器中21γρ=-调速时，ρ的可调范围为0～1相应的1~1γ=-+。

当12ρ>时，γ为正，电动机正转；当12ρ<时，γ为负，电动机反转；当12ρ=时，0γ=，电动机停止。

但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。

这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点。

但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区。

双极式控制的桥式可逆PWM 变换器有以下优点： 1）电流一定连续。

2）可使电动机在四象限运行。

3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。

4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。

1.7 PWM 调速系统的静特性由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下d s d di U Ri LE dt =++ (0)on t t ≤<.d s d di U Ri L E dt=++ ()on t t T ≤<按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是d s U U γ=，平均电流用d I 表示，平均转速/e n E C =，而电枢电感压降d di L dt的平均值在稳态时应为零。

于是其平均值方程可以写成则机械特性方程式0sd d eeeU R R n I n I C C C γ=-=-综上所述，目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统已经成为直流调速系统的主要形式。

但是晶闸管整流器也有它的缺点，主要表现在：1） 晶闸管一般是单向导电元件，不允许电流反向，这给电动机实现可逆运行造成困难2）对过电压。

过电流等十分敏感，只要一超过允许值都可能在很短的时间内损坏元件3）晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，它对交流电源是一个感性负载，吸取滞后无功功率，因此功率因素很低，如果它在电网中容量大，将造成“电力公害”4）晶闸管整流装置的输出电压时脉动的，而且脉动数总是有限的。

由于以上原因，选择脉宽调制变换器进行改变电枢电压直流调速系统，因为PWM 调速系统在很多方面具有较大的优越性： 1）PWM 调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小 3）低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达1：10000左右4）如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因为装置效率高。