双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统.doc

摘要： 直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工业等工业部门中得到广泛应用。直流时机转速的控制方法可以分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单等特点，一直在传动领域占有统治地位。 本文对双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调整系统原理出发，逐步建立了闭环直流PWM调整系统的模型。 双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计 设计分析 双闭环调整系统的传动系统结构图： 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，作为系统的功率驱动器，系统构成原理图如下所示： 直流PWM传动系统结构图 其中属于脉宽调制调速系统主要由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管基极的驱动器GD和脉宽调制（PWM）变换器组成。最关键的部件为脉宽调制器。 模拟式脉宽调制器本质为电压-脉冲变换装置，它是由一个运算放大器和几个输入信号构成电压比较器。去处放大器工作在开环状态，在电流调节器的输出控制信号Uс的控制下，产生一个等幅、宽度受Uс控制的方波脉冲序列，为PWM变频器提供所需的脉冲信号。脉宽调制器按所加输入端调制信号不同，可分为锯齿波脉宽、三角波脉宽调制器。目前就用较多脉宽调制信号由数字方法来产生，如专用集成PWM控制电路及单片微机所构成的脉宽调制器。 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。 双闭环调速系统的结构图 调速系统起动过程的电流和转速波形 如图2所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。桥器的工作原理）滤波，以获得恒定的直流电压由于电容量较大，突加电源时相当短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管。为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻R0（或电抗），合上电源以后，延时用开关将R0短路，以免在运行中造成附加损耗。 滤波电容器往往在PWM装置的体积和重量中占有不小的份额，因此电容量的选择是PWM装置设计中的重要问题。但对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rb消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VT5。 图5：桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图 三、 元件的选择与参数的计算 直流电动机拖动的机械装置系统。主要动机技术数据为：UN=48V，IN=3.7A，nN=200r/min,Rd=6.5Ω，电枢回路总电阻R=8Ω,电枢回路电磁时间常数Tt=5ms,机电时间常数Tm=200ms,电源电压Us=60V，给定值和ASR、ACR的输出限幅值均为10V,电流反馈系统β=1.33V/A，转速反馈系数α=0.05V·min/r，电动势转速比Ce=0.18V·min/r。调速范围D=2；系统飞轮矩（含电机及传动机构）GD2=100Nm2;主电源：可以选择单相交流220V供电，变压器二次电压为67V；PWM装置的放大系数Ks=4.8；PWM装置的延迟时间Ts=0.4ms。 技术指标和要求： 电动机能够实现可逆运行。要求稳态无静差。动态过渡过程时间ts≤0.1s，电流超调量бi%≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量бi%≤10%。 电流调节器参数计算 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 要求得具体参数，则需要知道及，为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 则可得到电流环放大系数，要求5%即可取=0.5有，则可得到 其中，=0.005s，选取时间常数,则有；;Ks=4.8，=1.33 则可求得 则有电流环传递函数为： 此时电流超调量=4.3%，小于5%，符合系统要求。 转速调节器参数计算 由公式（1-22）可知转速调节器的传递函数为，又由式（1-21）及（