双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

电力拖动自动控制系统课程设计报告PWM控制双闭环可逆直流

调速系统设计

学院：信息工程学院

学号：

专业（方向）年级：

学生姓名：

扬州大学信息工程学院

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目录

1. 课程设计任务书 (1)

2．课程设计技术报告 (3)

2.1 方案确定 (3)

2.1.1方案选定 (3)

2.1.2桥式可逆PWM变换器工作原理 (3)

2.1.3系统控制电路图 (6)

2.1.4双闭环直流调速系统静态分析 (6)

2.1.5双闭环直流调速系统稳态结构图 (7)

2.2硬件结构 (9)

2.2.1主电路 (9)

2.2.2泵升压限制 (11)

2.3主电路参数计算及元件选择 (12)

2.3.1整流二极管选择 (12)

2.3.2绝缘栅双极晶体管选择 (12)

2.4调节器参数设计和选择 (13)

2.4.1电流环的设计 (13)

2.4.2转速环的设计 (16)

2.4.3反馈单元 (18)

2.5 系统动态结构图 (19)

2.6 系统仿真

3．心得体会 (20)

4. 参考资料

1、课程设计任务书

1.1、题目

PWM 控制双闭环可逆直流调速系统设计

1.2、设计目的和意义

（1）、通过对电力拖动控制系统的设计，了解电力电子、自动控制原理及电力拖动自动控制系统课程所学内容，初步具备设计电力拖动自动控制系统的能力，为今后从事技术工作打下必要的基础。

（2）、运用《电力拖动控制系统》的理论知识设计出满足任务书要求的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。

1.3、技术数据

（1）、他励直流电动机的参数：电枢电阻Ra=1.64Ω，电枢回路总电感L=10.2mH ，额定电流nom I =6A ，额定电压nom U =110V 。额定转速 n=1000r/min ，电流过载倍数λ=2。励磁电压110V ，励磁电流0.4A 。转动惯量,磁场与电枢互感

2.17。

（2）、电枢回路总电阻R=2Ω,调速系统的最小负载电流o I =1A 。

（3）、主电源：可以选择单相交流220V 供电；

（4）、稳定指标，无静差。

动态指标， %5≤δi

（5）、空载起动到额定转速时转速超调量

15%n δ≤

（6）、给定电压最大值为±10V 。 1.4、设计任务

（1）总体方案的确定；

（2）主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；

（3）系统原理图、稳态结构图、动态结构图；（4）电流环、转速环的参数的设计；

（5）根据电流环、转速环的参数构建仿真模型；（6）进行MATLAB仿真；

2、课程设计技术报告

2.1、方案确定

2.1.1 方案选定

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。

总体方案简化图如图1所示。

图1 双闭环调速系统的结构简化图

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。

2.1.2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。

图2 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3所示。

O O

O O

U g1U g2

U

-Us

i d

图3 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 、3VD 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，2

on 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，2

on 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12ρ<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。

2.1.3 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