直流双闭环调速系统(课程设计)[1]

摘要在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。

直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。

研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。

不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。

本文基于PWM的双闭环直流调速系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。

首先描述了变频器的发展历程，提出了PWM调速方法的优势，指出了未来PWM调速方法的发展前景，点出了研究PWM调速方法的意义。

应用于直流电机的调速方式很多，其中以PWM变频调速方式应用最为广泛，而PWM变频器中，H型PWM变频器性能尤为突出，作为本次设计的基础理论，本文将对PWM的理论进行详细论述。

在此基础上，本文将做出SG3525单片机控制的H型PWM变频调速系统的整体设计，然后对各个部分分别进行论证，力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。

关键词：直流调速，双闭环，PWM，SG3525，直流电机目录第一章直流调速系统的方案设计……………………………………………1.1设计技术指标要求……………………………………………………………………1.2现行方案的讨论与比较………………………………………………………………1.3选择PWM控制调速系统的理由………………………………………………………1.4采用转速、电流双闭环的理由…………………………………………………………第二章 PWM控制直流调速系统主电路设计…………………………………2.1主电路结构设计………………………………………………………………………2.1.1 PWM变换器介绍……………………………………………………………………2.1.2泵升电路…………………………………………………………………………2.2 参数设计………………………………………………………………………………2.2.1 IGBT管的参数………………………………………………………………………2.2.2缓冲电路参数………………………………………………………………………2.2.3泵升电路参数………………………………………………………………………第三章 PWM控制直流调速系统控制电路设计………………………………3.1检测环节………………………………………………………………………………3.1.1电流检测环节………………………………………………………………………3.1.2电压检测环节………………………………………………………………………3.2调节器的选择与调整…………………………………………………………………3.2.1调节器限幅…………………………………………………………………………3.2.2调节器锁零…………………………………………………………………………3.3 系统的给定电源、给定积分器………………………………………………………3.3.1给定电源GS…………………………………………………………………………3.3.2给定积分器…………………………………………………………………………3.4 触发电路的确定………………………………………………………………………3.4.1选用触发电路时须考虑的因素……………………………………………………3.4.2触发电路同步电压的选取…………………………………………………………第四章参数计算………………………………………………………………4.1电流调节器的设计………………………………………………………………………4.2速度调节器设计………………………………………………………………………第五章课程设计总结参考文献第一章 直流调速系统的方案设计1.1 设计技术指标要求1.直流电动机：型号：DJ15；功率：485W ；电枢电压：220V ；电枢电流：1.2A额定转数：1600rpm2.调速范围：1：12003.起动时超调量：电流超调量:%5≤i σ；转速超调量: %5≤n σ1.2 现行方案的讨论与比较直流电动机的调速方法有三种：（1）调节电枢供电电压U 。

（2）改变电动机主磁通Φ。

（3）改变电枢回路电阻R 。

改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。

弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。

改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转变流机组。

（2）静止可控整流器。

（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。

用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。

1.3 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。

1.4 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。

第二章 PWM 控制直流调速系统主电路设计2.1 主电路结构设计2.1.1 PWM 变换器介绍脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM 变换器。

PWM 变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。

下面分别对各种形式的PWM 变换器做一下简单的介绍和分析。

不可逆PWM 变换器分为无制动作用和有制动作用两种。

图2-1（a ）所示为无制动作用的简单不可逆PWM 变换器主电路原理图，其开关器件采用全控型的电力电子器件。

电源电压s U 一般由交流电网经不可控整流电路提供。

电容C 的作用是滤波，二极管VD 在电力晶体管VT 关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。

图2-1 简单的不可逆PWM 变换器电路（a ）原理图 （b ）电压和电流波型电力晶体管VT 的基极由频率为f ，其脉冲宽度可调的脉冲电压b U 驱动。

在一个开关周期T 内，当on t t ≤≤0时，b U 为正，VT 饱和导通，电源电压通过VT 加到电动机电枢两端；当T t t on ≤≤时，b U 为负，VT 截止，电枢失去电源，经二极管VD 续流。

电动机电枢两端的平均电压为s s on d U U Tt U ρ== 式中，Tt U U on d ==5ρ——PWM 电压的占空比，又称负载电压系数。

ρ的变化范围在0～1之间，改变，ρ即可以实现对电动机转速的调节。

图2-1（b ）绘出了稳态时电动机电枢的脉冲端电压d u 、平均电压d u 和电枢电流d i 的波型。

由图可见，电流是d i 脉动的，其平均值等于负载电流m L dl C T I /=（L T ——负载转矩，m C ——直流电动机在额定磁通下的转矩电流比）。

由于VT 在一个周期内具有开关两种状态，电路电压平衡方程式也分为两阶段，即 在on t t ≤≤0期间 E dtdi L Ri U d d ++=5 在T t t on ≤≤期间 E dtdi L Ri d d ++=0 式中，R ，L ——电动机电枢回路的总电阻和总电感；E ——电动机的反电动势。

PWM 调速系统的开关频率都较高，至少是1～4kHz ，因此电流的脉动幅值不会很大，再影响到转速n 和反电动势E 的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视 n 和E 为恒值。

图2-2（a ）所示为具有制动作用的不可逆PWM 变换电路，该电路设置了两个电力晶体管VT1和VT2，形成两者交替开关的电路，提供了反向电流的d i -通路。

这种电路组成的PWM 调速系统可在第I 、II 两个象限中运行。

VT1和VT2的基极驱动信号电压大小相等，极性相反，即2b b U U -=。

当电动机工作在电动状态时，在一个周期内平均电流就为正值，电流d i 分为两段变化。

在on t t ≤≤0期间，1b U 为正，VT1饱和导通；2b U 为负，VT2截止。

此时，电源电压5U 加到电动机电枢两端，电流d i 沿图中的回路１流通。

在T t t on ≤≤期间，1b U 和2b U 改变极性，VT1截止，原方向的电流d i 沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使VT2不可能导通。