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

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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：σ

i ≤5%；转速超调量：σ

i

≤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AB

U 的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。 MG

MOTOR DC

VT1

VT2

VD1VD2VT3VT4VD3VD4Ug1Ug2Ug3

Ug4

Us

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 O

O O U g1

U g2

U

-Us

i 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 U

U 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 U

U =。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 、3

VD 续流，这时AB s U U =-。AB

U 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 t

T ρ=，电压系数d

s

U 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12

ρ<时，γ为负，电动机反转；当12

ρ=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 L

E 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

s d d e U RI E RI C n γ=+=+

则机械特性方程式

0s

d d

e e e

U R R n I n I C C C γ=-=-