PWM直流双闭环调速系统设计

运动控制系统大作业

直流PWM双闭环调速系统，基本数据如下：

（1）直流电机：额定功率185W，额定电枢电压220VDC，额定电枢电流1.25A，励磁电压220VDC，励磁电流0.16A，额定转速1500rpm，额定转矩12000g·cm，允许过载倍数1.2；

（2）PWM变换器：占空比15%-85%；

（3）时间常数：电磁时间常数10ms,机电时间常数87ms；

（4）控制器的最大输入/输出电压均不超过3V

设计要求：

（1）静态指标,转速/电流无静差；

（2）动态指标，电流超调不超过5%；空载启动到额定转速时的转速超调不超过10%。

请完成转速调节器、电流调节器的设计、理论仿真和调试。

1.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。

双闭环调速系统的结构图

2.电路设计

H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图所示。PWM逆变器的直流电源由

C滤波，以获得恒定的直交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容

U。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动流电压

s

时只好对滤波电容充电，这时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Rz 消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VTz 。

H 桥式直流脉宽调速系统主电路

四单元IGBT 模块型号：20MT120UF 主要参数如下：

CER U =1200V c I =16A *

CN T =100C ︒ kW P CM 9.0= V U sat CE 05.3)(=

2.1给定基准电源

此电路用于产生±15V 电压作为转速给定电压以及基准电压，如图所示：

给定基准电源电路

2.2 双闭环调节器电路设计

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

s T oi 001.0=，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。

图2-3 含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器

2.2.2 转速调节器

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s T on 005.0=。根据和电流环一样的原理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。

3.调节器的参数整定

本设计为双闭环直流调速系统 电路基本数据如下

1)电磁时间常数s T l 001.0=； 2)机电时间常数s T m 087.0=；

3)触发整流环节的允许过载倍数λ=1.2； 设计指标：

1)静态指标：无静差；

2)动态指标：电流超调量%5%≤i σ；空载起动到额定转速时的转速超调量

%10%≤n σ。

计算反馈关键参数： Ct=T/Ia=0.9408

Ce=Ct/9.55=0.0985V.min/r nN=(UN-IN*R)/Ce R=57.78Ω α= Unm/nN=0.002V/(r/min) β=Uim/Idm=2V/A

3.1电流环的设计

1）确定时间常数

PWM 装置滞后时间常数：Ts=0.0017s 。电流滤波时间常数:s T oi 002.0=。T=0.0017+0.002=0.0037s (s T 和oi T 一般都比l T 小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)。

2）选择电流调节器结构

可按典型Ⅰ型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI 型的，其传递函数为

1

()i ACR i

i s W s K s

ττ+= 式中 i K ——电流调节器的比例系数；i τ——电流调节器的超前时间常数。

3）选择电流调节器的参数

ACR 超前时间常数s 01.0l i ==T τ；改电流环开环时间增益:要求5%i σ≤，故应取i 0.5I K T =∑

，因此

1

1.1350037.05

.05.0-∑===

s T K i I

于是，ACR 的比例系数为:

76.023.5178.57*01.01.135=⨯⨯==s i I

i K R K K βτ

4）校验近似条件 电流环截止频率:

11.135-==s K I ci ω

（1）晶闸管装置传递函数近似条件：

s

T 31

i c ≤

ω 即

ci

s T ω＞s 1.196001

.031311-=⨯=

满足近似条件；

（2）忽略反电动势对电流环影响的条件：

,13

l

m ci T T ≥ω

即

ci

m s T T ω<=⨯=-1l 71.10101

.0087.01

313

满足近似条件；

（3）小时间常数近似处理条件：

oi

s ci T T 1

31≤

ω

即

ci

oi s s T T ω>=⨯=-17.180002

.00017.01

31131

满足近似条件。

5）计算调节器电阻和电容

调节器输入电阻为Ω=k R 200，各电阻和电容值计算如下

,24.182445.22.10Ω=Ω⨯==k k R K R i i 取Ωk 20

5.01010

2001.06

3=⨯⨯==

F R C i i i μτ，取F μ5.0 F F R T C oi oi μμ2.01010

40002.0446

30=⨯⨯⨯==

，取F μ2.0 3.2 转速环的设计

1）确定时间常数

（1）电流环等效时间常数 s 0074.00037.022=⨯=∑i T （2）转速滤波时间常数 s T on 005.0=

（3）转速环小时间常数近似处理 s 0124.02=+=∑∑om i n T T T 2）选择转速调节器结构

按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要Ⅱ由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型Ⅱ型系统—选用设计PI 调节器，其传递函数为