直流双极式可逆PWM调速系统设计..

武汉理工大学华夏学院信息工程系

课程设计任务书

课程名称：运动控制系统指导教师：

班级名称：开课系、教研室：自动控制

题目2: 直流双极式可逆PWM调速系统设计

初始条件：

1.直流电机参数：P N＝10 KW，U N＝220 V，I N＝55 A，

n N＝1000 r/min ，Ra＝0.4Ω，直流它励励磁电压220V，电流1.6A

2.进线交流电源：三相380V

3.采用永磁式测速发电机，参数为：23W，110V，0.21A，1900 r/min，

要求完成的主要任务:

1.ASR及ACR电路设计

2.转速反馈和电流反馈电路设计

3.集成脉宽调制电路设计（如3524）

4.驱动电路设计（如IR2110）

5.PWM主电路设计

课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，杜绝抄袭，雷同现象。满足如下要求：

1．可逆运行，转速和电流稳态无差，电流超调量小于5％，转速超调量小于

10％。

2. 对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。

3. 画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。

4. 画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。

指导教师签名：

2016年11月 19 日

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，形成了脉宽调制变换器—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电路，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。

1.2 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。

ASR ACR

PWM

Ks

β

R

1/Ce

α

Un*

Ui*

n

I 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。这时电动机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 g1

U g2

U

-Us

i d

图3 PWM 变换器的驱动电压及输出电压、电流波形

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1

2

ρ<时，γ为负，电动机反转；当1

2

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。

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

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=-=-