直流双极式可逆PWM调速系统设计

目录1 任务分析 01.1概述 01.2双闭环调速系统的结构图 (1)1.3桥式可逆PWM变换器的工作原理 (1)1.4PWM调速系统的静特性 (3)2 电路设计 (4)2.1给定及偏移电源 (5)2.2双环调节器电路 (5)2.2.1 电流调节器 (6)2.2.2 转速调节器 (6)2.3信号产生电路 (7)2.4驱动电路 (8)2.5转速及电流检测电路 (10)3 调节器的参数整定 (10)3.1电流调节器参数的计算 (11)3.2转速调节器参数的计算 (12)3.3参数的校验 (13)3.3.1 电流参数的校验 (13)3.3.2 转速参数的校验 (14)3.3.3 校验退饱和转速超调量 (14)4 心得体会 (15)参考文献 (16)附录 (168)直流双极式可逆PWM调速系统设计1 任务分析1.1 概述采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成脉宽调制变换器—直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统或直流PWM调速系统。

脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器，脉宽调制，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。

与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：1）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，稳态精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。

4）若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。

5）功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率高。

6）直流电流采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。

由于有以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能中，已完全取代了V-M系统。

为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。

经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。

11.2 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。

总体方案简化图如图1所示。

ASR ACRPWMKsβR1/CeαUn*Ui*nI d--图1 双闭环调速系统的结构简化图1.3 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。

MG MOTOR DCVT1VT2VD1VD2VT3VT4VD3VD4Ug1Ug2Ug3Ug4Us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。

OOOOU g1U g4U g2U g3U AB Us-Usi di d1i d2ttttt on Tt onT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，2on Tt >，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 Tt =，平均输出电压为零，武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书3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ont Tρ=，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。

1.4 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ds d di U Ri LE dt=++ (0)on t t ≤<.ds d di U Ri LE 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ddi Ldt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 d ee eU R R n I n I C C C γ=-=-2 电路设计桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图4所示。

PWM 变换器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容6C 滤波，以获得恒定的直流电压s U 。

由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书5为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间传入电阻Rz ，合上电源后，用延时开关将Rz 短路，以免在运行中造成附加损耗。

由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这式电容器两端电压升高称作“泵升电压”。

为了限制泵升电压，用镇流电阻Rx 消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通5VT 。

MAB C限压VD1VD2VD3VD4VD5VD7VD9VD8VD6VD10RzVT1VT2VT3VT4VT5C6Rx图4 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路2.1给定及偏移电源此电路用于产生±15V 电压作为转速给定电压以及基准电压，如图5所示：T11234BRIDGE1LM7815INOUT GNDLM7915INOUTGNDC12200u FC22200u FC310uFC410uF C6104C5104RPn~220V~18V~18V+15V-15VUn*图5 给定及偏移电源电路2.2 双环调节器电路为了实现闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较，决定调节器的输出，反馈的关键是对被控量进行采样与测量。

2.2.1 电流调节器由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。

此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数0.002s oi T =，以滤平电流检测信号为准。

为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。

R0/2R0/2R0/2R0/2RiRbalCiCoiCoiUcUi*-Ui图6 转速反馈电路2.2.2 转速调节器转速反馈电路如图7所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数0.012s on T =。

根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。

R0/2R0/2R0/2R0/2RnRbalCnConConUi*Un*-Un武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书7图7 转速反馈电路2.3 信号产生电路PWM 生成电路如图8所示，SG3524生成的PWM 信号经过一个非门转为两路相反的PWM 信号，为了确保上下两桥臂不会直通发生事故，中间加入电容1C 、2C 进行逻辑延时，后面再加上非门和与门构成的电路。

误差输入RT CT OSC IN-IN+Vref&&SG3524R3R4R5R6C1C2C3PWM1PWM2Vss图8 PWM 生成电路本设计采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。

根据主电路中IGBT 的开关频率，选择适当的t R 、t C 值即可确定振荡频率。

由初始条件知开关频率为10kHz ，可以选择12k t R =Ω，0.01uF t C =。

电路中的PWM 信号由集成芯片SG3524产生，SG3524可为脉宽调制式推挽、桥式、单端及串联型SMPS(固定频率开关电源)提供全部控制电路系统的控制单元。

由它构成的PWM 型开关电源的工作频率可达100kHz,适宜构成100-500W 中功率推挽输出式开关电源。

SG3524采用是定频PWM 电路,DIP-16型封装。

由SG3524构成的基本电路如图9所示，由15脚输入+15V 电压，用于产生+5V 基准电压。

9脚是误差放大器的输出端，在1、9引脚之间接入外部阻容元件构成PI 调节器，可提高稳态精度。

12、13引脚通过电阻与+15V 电压源相连，供内部晶体管工作，由电流调节器输出的控制电压作为2引脚输入，通过其电压大小调节11、14引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。

R1Rt R2C1Ct16153121311141054876912SG3524UcUc1Uc2+15V图9 SG4532管脚构成的电路图SG3524的基准源属于常规的串联式线性直流稳压电源,它向集成块内部的斜波发生器、PWM 比较器、T 型触发器等以及通过16脚向外均提供+5V 的工作电压和基准电压,振荡器先产生0.6V-3.5V 的连续不对称锯齿波电压Vj,再变换成矩形波电压,送至触发器、或非门,并由3脚输出。

振荡器频率由SG3524的6脚、7脚外接电容器CT 和外接电阻器RT 决定,其值为:f=1.15/RTCT 。