直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统课程设计

直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统课程设计LT一、设计目标与技术参数直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统的设计目标如下：额定电压：U N=220V；额定电流：I N=136A；额定转速：n N：=1460r/min；电枢回路总电阻：R=0.45Ω；电磁时间常数：T l=0.076s；机电时间常数：T m=0.161s；电动势系数：C e=0.132V*min/r；转速过滤时间常数：T on=0.01s；转速反馈系数α=0.01 V*min/r；允许电流过载倍数：λ=1.5；电流反馈系数：β=0.07V/A；电流超调量：σi ≤5%；转速超调量：σi≤10%；运算放大器：R=4KΩ；晶体管PWM功率放大器：工作频率：2KHz；工作方式：H型双极性。

PWM变换器的放大系数：K S=20。

二、设计基本原理（一）调速系统的总体设计在电力拖动控制系统的理论课学习中已经知道，采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环调速系统就难以满足需要。

这主要是因为在单闭环调速系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。

如图2-1所示。

图2-1 直流调速系统启动过程的电流和转速波形用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。

在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。

直流双闭环调速系统的结构图如图2-2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。

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。

（二）桥式可逆PWM 变换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。

桥式可逆PWM 变换器电路如图2-3所示。

这是电动机M 两端电压ABU 的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。

MGMOTOR DCVT1VT2VD1VD2VT3VT4VD3VD4Ug1Ug2Ug3Ug4Us图2-3 桥式可逆PWM 变换器电路双极式控制可逆PWM 变换器的四个驱动电压波形如图2-4所示。

O OO O U g1U g2U-Usi d图2-4 PWM 变换器的驱动电压波形 他们的关系是：1423g g g g UU U U ==-=-。

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

当on t t T ≤<时，1VT 、4VT 截止，但3VT 、2VT 不能立即导通，电枢电流d i 经2VD 、3VD 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2-4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 on on d s s t T t t U U U T T T -⎛⎫=-=- ⎪⎝⎭如果定义占空比on tT ρ=，电压系数dsU 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，起着所谓“动力润滑”的作用。

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。

（三）双闭环直流调速系统的静特性分析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 UU 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ddi 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s d d e U RI E RI C n γ=+=+则机械特性方程式0sd de e eU R R n I n I C C C γ=-=-（四）双闭环直流调速系统的稳态结构框图双闭环直流系统的稳态结构图如图2-5，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。

一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。

当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。

当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。

图2-5双闭环直流调速系统的稳态结构框图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。

因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

（五）双闭环直流调速系统的硬件电路双闭环直流调速系统主电路中的UPE 是直流PWM 功率变换器。

系统的特点：双闭环系统结构，实现脉冲触发、转速给定和检测。

由软件实现转速、电流调节，系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路组成。

如图2-6所示。

图2-6 双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图主电路：三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。

检测回路：包括电压、电流、温度和转速检测。

电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速（光电码盘）。

故障综合：利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流和温度等信号进行分析比较，若发生故障立即通知微机进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。

这也是才用微机控制的优势所在。

（六）泵生电压限制当脉宽调速系统的电动机减速或停车时,储存在电机和负载传动部分的动能将变成电能，并通过PWM 变压器回馈给直流电源。

一般直流电源由不可控的整流器供电，不可能回馈电能，只好对滤波电容器充电而使电源电压升高，称作“泵升电压”。

如果要让电容器全部吸收回馈能量，将需要很大的电容量，或者迫使泵升电压很高而损坏元器件。

在不希望使用大量电容器（在容量为几千瓦的调速系统中，电容至少要几千微法）从而大大增加调速装置的体积和重量时，可以采用由分流电阻R 和开关管VT 组成的泵升电压限制电路，用R 来消耗掉部分动能。

R 的分流电路靠开个器件VT 在泵升电压达到允许数值时接通。

（七）主电路参数计算和元件选择主电路参数计算包括整流二极管计算，滤波电容计算、功率开关管 IGBT 的选择及各种保护装置的计算和选择等。

（1）整流二极管及滤波电容的计算根据二极管的最大整流平均 fI 和最高反向工作电压 R U 分别应满足：3.32/61.121.1I )(f =⨯≈÷⨯>AV o I （A ）17111021.121.1U 2R =⨯⨯=⨯⨯>U （V ） 选用大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容C 值，使RC ≥（3~5）T/2，且有9495.01109.0U max d =⨯⨯=（V) 2.00.51C 2⨯≥⨯，即C ≥15000uF故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400V ，标称容量为22000uF 。

（2）IGBT 的计算最大工作电流 Imax ≈2Us/R=440/0.45=978(A) 集电极－发射极反向击穿电压）（CEO BV）（CEO BV ≥(2～3)Us=440～660v（八）调节器参数计算（1）调节器工程设计方法的基本思路 先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。

再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。

设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。

在这里是：先从电流环人手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

（2）电流环的设计下图2-7为电流环结构图图2-7 电流环结构图I ．确定时间常数（1）PWM 装置滞后时间常数：T S =0.0017s 。

（2）电流滤波时间常数T oi 取0.002s 。

（3）电流环小时间常数T ∑i 。

按小时间常数近似处理，取T ∑i =T S +T oi =0.0037s 。

II 选择电流调节器结构根据设计要求，%5%iσ≤，并保证稳态电流无差，可以按典型I 型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的，因此电流调节器选用PI 型，其传递函数为*1()i ACR i i s W s K s ττ+=检查对电源电压的抗扰性能：/0.076/0.003720.5430l i T T ∑==< ，参照典型I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

III 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：0.076i l T s τ==。

电流开环增益：要求%5%i σ≤时，应取0.5I i K T ∑=，因此110.50.5135.140.0037I i K s s T --∑===于是135.140.0760.21 2.840.0520i i I R K K Ks τβ⨯⨯===⨯IV 检验近似条件电流环截止频率：1135.14ci I K s ω-==（1） 脉宽调制变换器传递函数近似条件 1111s 196.08330.0017ci s Ts ω--==>⨯ 满足近似条件。