1、 *学院毕业设计基于 PLC 的直流电机调速系统设计学 生： 学 号：专 业： 班 级：指导教师： *学院自动化与电子信息学院*年摘 要设计选用日本三菱公司FX 2N-16MT基本单元和FX 2N-4AD，FX 2N-2DA 模拟量输/输出扩展模块，并利用其功能指令设计的直流脉宽双闭环调速系统，实现了调速过程速度快、精度高,控制系统的参数便于调试和高工作可靠性，通过给定的调速系统硬件配置和梯形图，经模拟调试输出信号验证了各项指标均满足调速系统的要求。关键词：PLC；调速系统；应用3ABSTRACTThe double closed-loop DC PWM speed system of dir
2、ect motor uses the FX2N-16MT basic unit of Japanese Mitsubishi company and FX2N-4ADs, FX2N-2DA emulation input/ output expanding mold , making use of its function instruction. It realizes fast adjust mend of the speed course , high precision, which make it easy to debug control procedure and work re
3、liable, which is a development direction in the industrial control. Hardware disposition and ladder chart are given in this text. It can be adjusted by emulation and various index signs of output signal all satisfy the requirements of the adjust system.Key words：PLC；Adjusting Speed System；Applicatio
4、n目录1.1 直流调速系统的发展史概述 .11.2 可编程控制器 PLC 21.2.1 PLC 的发展概述 21.2.2 PLC 的特点 31.3 选题背景及论文主要内容 .41.3.1 选题背景 41.3.2 论文的主要内容 4第 2 章 直流调速系统 62.1 调速系统的性能指标 .62.1.1 稳态性能指标 72.1.2 动态指标 82.2 PWM 直流调速系统 .102.2.1 直流电动机的 PWM 控制原理 102.2.2 PWM 直流调速系统的组成 112.2.3 PWM 调速系统的主要参数 172.3 双闭环直流脉宽调速系统 .192.3.1 电流、转速反馈环节 192.3.2
5、设计中的调节器计算 212.3.3 双闭环脉宽调速系统的起动过程 25第 3 章 现代 PLC 控制技术 273.1 PLC 的组成和分类 .273.2 PLC 的工作原理 .273.3 PLC 电机控制系统设计的基本内容和步骤 .293.3.1 PLC 的硬件设计的一般步骤 293.3.2 PLC 软件设计的一般步骤 303.3.3 设计中用到的模块 31第 4 章 基于 PLC 的直流电机调速系统设计 334.1 设计任务 .334.2 脉宽调制系统特有部分设计 .334.3 PLC 硬件设计 .354.4 PLC 软件设计 37结束语 .39致谢 .40参考文献（主要及公开发表的文献）
6、.41附录 .435第 1 章 引 言传统直流电动机双闭环调速系统采用的是继电器控制，加PI 调节器及校正装置，实现控制系统稳定运行。但由于继电器，集成运算放大器，电气元件的老化易出故障而损坏，而且结线复杂，使其工作可靠性较差。采用 PLC 设计的直流电动机双闭环调速系统能有效地克服上述缺点，并且具有结构简单，调试修改参数方便，工作可靠，性能价格比较高的优点。同时，PLC 控制的直流电动机双闭环调速系统实现了数字化控制 1314。1.1 直流调速系统的发展史概述电机调速的发展与电力电子技术的发展是不可分离的，电机调速和电力电子技术相互结合，相互促进，实现了现代的电气传动控制：一弱点检测、判断并
7、发出控制信息，用强电来执行控制的使命。从这个角度上看，可以说，现代电气控制技术是强电与弱点相结合的技术。早期的电机控制只是利用电器来控制电动机的启动、制动、正反转和分级调速。随着技术的进步，生产工艺对电机控制提出了越来越高的要求，诸如精确稳定的运行速度、无极调速、快速反向、准确定位等等。直流电机变压和弱磁调速可以比较好的满足这些要求，于是诞生了旋转变流机组供电的直流调速系（Ward-Leonard系统） ，简称G-M系统。对调速性能要求再高时，则引入电机型放大器、磁放大器、电子放大器等放大装置进行反馈控制。到上世纪五十年代，机组供电直流调速系统的控制技术发展到了巅峰的阶段，也正是它的缺点暴露的
8、最充分的时候：它的设备多、体积大、费用高、效率低、安装须地基、运行有噪音、维修不方便等等日益称为生产上的负担。为了解决这些矛盾，人们开始采用水银整流器和闸流管等静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子传动控制系统。1957年，可控的半导体器件-晶闸管问世，由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能上还是在可靠性上都具有明显的优势，60年代成了晶闸管的时代，这种静止式变流装置供电的直流调速系统称为晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统） 。70年代以来，国际上电力电子技术突飞猛进，推出了新一代的开和关都能控制的“全控式”电力电子器件，如门极可关断晶闸管（GTO） 、大功率晶体管（GTR）
9、、场效应晶闸管（P-MOSFET）等，自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了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 13510。1.2 可编程控制器 PLC可编程序控制器的英文为 Programmable Controller，在二十实际七十至八十年代一直简称为 PC。由于到 90 年代，个人计算机发展起来，也简称为 PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国 AB 公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller） ，为了方便，仍简称
10、 PLC 为可编程序控制器 615。1.2.1 PLC 的发展概述1968年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器，满足了 GM 公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代 PLC 产品了。在八十年代至九十年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。由于 PLC 人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分 DCS 的市场（过程控制）并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业 PC（IPC）的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC 和 FCS 也挤占了一部分 PLC
11、 市场，所以近年来 PLC 增长速度总的说是渐缓。目前全世界有200多厂家生产 300多品种 PLC 产品，主要应用在汽车（23%） 、粮食加工（16.4%） 、化学/制药（14.6%） 、金属/矿山（11.5%） 、纸浆/造纸（11.3%）等行业。我国市场上流行的有如下几家 PLC 产品：施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum 等产品；罗克韦尔公司（包括 AB 公司）PLC 产品，目前有 SLC、Micro Logix、Control Logix 等产品；西门子公司的产品，目前有 SIMATIC S7-400/300/200
12、系列产品；GE 公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品 6。71.2.2 PLC 的特点1. 编程方法简单易学梯形图是使用最多的 PLC 编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象可观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序 617。2. 可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的
13、 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。3. 配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据
14、运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。4. 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。5. 系统的设计、建造
15、工作量小，维护方便，容易改造PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。6. 体积小，重量轻，能耗低以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.3 选题背景及论文主要内容1.3.1 选题背景在现代工业中，为了实现各种生产工艺过程的要求，需要采用各种各样的生产机械，这些生产机械大多采用电动机拖动。多数生产机械的任务是将电
16、能转换为机械能，以机械运动的形式来完成各种工艺要求。随着工业技术的不断发展，各种生产机械根据其工艺特点，对生产机械和拖动的电动机也不断提出各种不同的要求，有的要求电动机能迅速启动、制动和反转；有的要求多台电动机之间的转速按一定得比例协调运动；有的要求电动机达到极慢的稳速运动；有的要求电动机启、制动平稳，并能准确地停止在给定的位置。上述这些不通的工业要求，都是靠电动机及其控制系统和机械传动装置实现的。可见各种拖动系统都是通过控制转速来实现的，因直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速的特点，故被广泛的应用在需要调速或快速正方向的电力拖动领域中 1。鉴于以上原因，本文对直流拖动控制
17、系统进行研究，并对系统进行改造和升级。从直流调速系统的动态性能来讲，具有一定得意义。91.3.2 论文的主要内容本文是设计一个基于 PLC 的控制电路为电流、转速双闭环、主电路为双极性可逆 H 形直流脉宽调速的可逆直流调速系统。采用专用集成驱动电路，本设计选用汤姆森公司的 UAA4002型产品。对直流电机调速系统进行了研究和设计，具体做了以下的工作：1.对双闭环控制的 PWM 直流调速系统进行了理论研究。2.对现代 PLC 控制技术进行了研究。3.采用 visio 2003 软件对相关电路进行设计、绘制。4.对调速系统的 PLC 控制部分进行设计。第 2 章 直流调速系统人为机械特性方程式为：
18、 nTKRUnNfeadNe 02式中，U N、 N额定电枢电压、额定磁通量；Ke、K t与电机有关的常数；Rad、R a电枢外加电阻、电枢内电阻；n0、n载转速、转速降；T周期。可得，当分别改变U N、 N和R ad时，可以得到不同的转速!，从而实现对速度的调节。由于=F(I f),当改变励磁电流I f时，可以改变磁通量的大小，从而达到改变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流I f和磁通量只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻R ad时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。特性，通过改变电枢电压调节直流电机速度的方法被
19、广泛采用。改变电枢电压可通过多种途径实现，如利用晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等 13。2.1 调速系统的性能指标一台需要转速控制的设备，其生产工艺对控制性能都有一定的要求，例如本文设计的调试系统要求稳态无静差，动态过渡过程时间 ts0.1s,电流超调量%5%，空载起动到额定转速时的转速超调量 %10%。所有这些要求，都i n可以转化成运动控制系统的稳态和动态指标，作为设计系统时的依据。各种生产机械对调速系统提出了不同的转速控制要求，归纳起来有以下三个方面 13：11（1）调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档（有级）
20、地或者平滑（无级）地调节转速。（2）稳速。以一定的精度在所需转速上稳定地运行，不因各种可能的外来干扰（如负载变化、电网电压波动等）而产生过大的转速波动，以确保产品质量。（3）加、减速控制。对频繁起、制动的设备要求尽快地加、减速，缩短起、制动时间，以提高生产率；对不宜经受剧烈速度变化的生产机械，则要求起、制动尽量平稳。以上三个方面有时都须具备，有时只要求其中一项或两项，其中有些方面之间可能还是相互矛盾的。为了定量地分析问题，一般规定几种性能指标，以便衡量一个调速系统的性能。2.1.1 稳态性能指标运动控制系统稳定运行时的性能指标称为稳态指标，又称静态指标。例如，调速系统稳态运行时调速范围和静差率
21、，位置随动系统的定位精度和速度跟踪精度，张力控制系统的稳态张力误差等等。下面我们具体分析调速系统的稳态指标 135。（1）调速范围 D生产机械要求电动机能达到的最高转速 nmax和最低转速 nmin之比称为调速范围，用字母 D 表示，即其中 nmax 和 nmin 一般指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可以用实际负载的转速。在设计调速系统时，通常视 nmax为电动机的额定转速 nnom。（2）静差率 S当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载变到额定负载时所对应的转速降落 n nom与理想空载转速 n0称为静差率 S，即显然，静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳定程
22、度，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定程度就越高。由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是孤立的，必须同时提高才有意义。2.1.2 动态指标运动控制系统在过渡过程中的性能指标称为动态指标，动态指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标两类 13。（1）跟随性能指标在给定信号（或称参考输入信号）R（t）的作用下，系统输出量 C（t）的变化情况用跟随性能指标来描述。对于不同变化方式的给定信号，其输出响应不一样。通常，跟随性能指标是在初始条件为零的情况下，以系统对单位阶跃输入信号的输出响应（称为单位阶跃响应）为依据提出的，如图2-1所示。具体的跟随性指标有下述几项：图 2-1 随性能
23、指标的单位阶跃响应曲线1.上升时间 tr单位阶跃响应曲线从零起第一次上升到稳态值 所需的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。132.超调量动态过程中，输出量超过输出稳态值的最大偏差与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量，即超调量用来说明系统的相对稳定性，超调量越小，说明系统的相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。3.调节时间 ts调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个动态响应过程的快慢。原则上它应该是系统从给定信号阶跃变化起，到输出量完全稳定下来为止的时间，对于线性控制系统，理论上要到 才真正稳定。实际应用中，一般将单位阶跃响应曲线衰减到与稳态值的误差进入并且不再超出允许误差带（通常取稳
24、态值的5%或2%）所需的最小时间定义为调节时间。（2）抗扰性能指标图 2-2 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标1动态降落C max%系统稳定运行时，突加一个约定的标准的负扰动量，在过渡过程中所引起的输出量最大降落值C max叫做动态降落，用输出量原稳态值 C1 的百分数来表示。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值 C2 （C 1 - C2 )是系统在该扰动作用下的稳态降落。2恢复时间 tv从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值 C2 之差进入某基准量 Cb 的5%（或2%）范围之内所需的时间，定义为恢复时间 tv，其中 Cb 称为抗扰指标中输出量的基准值。调速系统的动态指
25、标以抗扰性能为主，而随动系统指标则以跟随性能为主。2.2 PWM 直流调速系统2.2.1 直流电动机的 PWM 控制原理制调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。图2-3是脉宽调制型调速系统原理图和波形图。开关VT表示脉宽调制器，调速系统的外加电源Us，为固定的直流电压，当开关VT闭合时，直流电流经过VT给电动机M供电；开关VT断开时，直流电源供给M的电流被切断，M的储能经二极管VD续流，电枢两端电压接近为零。如果开关VT按照某固定频率开闭而改变周期内的接通时间时，控制脉冲宽度相应改变，从而改变了电动机两端平均电压，达到调速目的1212。T+_+_V TV DUdM_ _- -
26、 - -+Usutto nUd控制电路图 2-3（a) 原理图 （b) 波形图152.2.2 PWM 直流调速系统的组成由GTR构成的脉宽调速系统的组成如下图2-4 1212，其中GM为三角波振荡器，UPW 为脉宽调制器， GD为基极驱动器, PWM为脉宽调制变换器，FA为瞬时动作的限流保护环节。电动机M的转速n由测速发电机 TG测量，速度反馈信号U n 与速度给定电压U m* 同时加在速度调节器 ASR的输入端，构成调速系统的速度外环。电动机的电枢电流I a 由电流传感器 TA检测，其输出电压U i 与速度调节器输出电压U i*同时加到电流调节器ACR 的输入端，构成调速系统的电流内环。M_
27、 _- - -T G_ _- - -F AP W MG DD L DU P WG MA C RA S RUsUdT AUcUiUi*_UnUn*+ +图 2-4 双闭环控制的脉宽调速系统原理框图（1）锯齿波发生器，如图2-5，它是由两个运算放大器组成，它们形成自激震荡，A 1输出正负对称的方波脉冲，A 2输出锯齿波。这种锯齿波发生器线性度好，调整简便，在工程中应用广泛，其震荡频率为 4(2-1)(45412RCfX式中， 为电位器R P的分压系数。X+-+A1+-+A2Rb a l 4Rb a l 3R1R2R3R4R5CV Z1V Z2RPXUo 2图2-5 锯齿波发生器（二）脉宽调制器 4
28、这是最关键的部件，它是将输入直流控制信号转换成为与之成比例的方波电压信号，以便对电力晶体管进行控制，从而得到希望的方波输出电压。实现上述电压脉宽变换功能的环节称为脉冲宽度调制器，简称脉宽调制器。 -+A3UP W MR0R0R0RbUs aUbUc图 2-6 脉宽调制器图 2-6 为脉宽调制器的原理图，它是一个电压-脉宽变换电路，由 ACR 输出的控制电压 Uc 进行控制，其输出电压的脉冲宽度与 Uc 成正比。运算放大器A3 工作在开环状态，它能输出正、负的饱和电压。它的输入端有三个信号，除Uc 外，还有调制信号 Ua（也就是图 2-5 的 Uo2）和偏移电压 Ub。控制电压 Uc 的极性与幅
29、值随时可变，与 Uo2 相减，从而在运算放大器 A3的输出端得到周期不变、脉冲宽度可变的调制输出电压 Upwm。为了在 Uc=0 时电压比较器的输出端得到正、负半周期脉冲宽度相等的调制输出电压 Upwm；另一个输入信号端是加一负的偏移电压 Ub，其值为 max21s这时 Upwm 如图 2-7a 所示。当 Uc0 时，使输入端合成电压为正的宽度增大，即锯齿波过零的时间提前，经比较器倒相后，在输出端得到正半波比负半波窄的调制输出电压（图 2-7b） 。当 Uc 0us a+ uc+ ubup w mup w m图 2-7 锯齿波脉宽调制波形图（二）基极驱动电路 4211脉宽调制器输出的脉冲信号经
30、过信号分配和逻辑延时后，送给基极驱动电路作功率放大，以驱动主电路的电力晶体管，每个晶体管应有独立的基极驱动电路。为了确保晶体管在开通时能迅速达到饱和导通，关断时能迅速截止，正确设计基极驱动电路时非常重要的。基极驱动电路有多种，下面介绍一种集成电路，它可以使电力晶体管具有多种自保护功能，且保证电力晶体管运行于参数最优的条件下。大规模集成电路UAA4002是为一塑封16引线双列直插式集成电路，是由法国汤姆森半导体公司研制和生产。其端子排列与原理图如图2-8所示。RTIN H123456781 61 51 41 31 21 11 09UAA4002IB 1UUC CUC EICRS DRDG N D
31、IB 2ECTR-U-S H程序流程图P L C 的型号选择P L C 模块选择I / O 分配 ， 设置和安装系统联机调试系统投入运行软件设置编辑应用程序程序的修改和调试确定控制对象及控制范围软件设计硬件设计图 2-8 UAA4002模块14脚：接正电源；2脚：接负电源；9脚：接零，提供参考的电位；5脚：输入端；3脚：封锁端，高电位时完全封锁输出信号，零电位时选择电位输入；16脚：经一小电阻RB接被驱动功率晶体管基极，输出正向驱动电流I B1；1脚：经一小电感L接驱动功率晶体管基极，输出反向基极关断电流I B2;15脚（V+）：是UAA4002输出级电源输入端，经一外接电阻接到正电源V CC
32、；7脚：最小导通时间整定值。它经一电阻RT接零，从而整定t onmin，在1 12s间调节。为了使开关辅助网络中的电容充分放电，逻辑处理器的输出脉冲有一最小的宽度，这个最小导通时间必须至少是RCD网络时间常数的四倍。tonmin保护是最高优先保护，在t onmin内无任何其它保护能中止导通t onmin保护功能不能舍弃不用。8脚:最大导通时间整定端。它经一电容C T接地。t onmax保是一重要保护。11脚:退饱和保护阐值整定端。它经一电阻RSD接零，从而整定退饱和保护阂值；12脚:功率晶体管集电极电流限制端。电流信号输入为负，绝对值0. 2V时，过流保护动作。若封锁该功能，12脚直接接地；1
33、3脚:通过抗饱和二极管接被驱动晶体管的集电极。起到抗饱和作用。（三）脉宽调制变换器 134510可逆PWM变换器主电路的结构有H型，T型等类型，本论文主要讨论的是常用的H型变换器，它是由4个电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。H型变频器在控制方式上分双极式、单极式和受限单级式三种。这里着重分析双极式H型PWM变换器。19ub 3U sub 1V T 1V T 2V D 1V D 2M_ _A Bub 2ub 4V T 4V T 3V D 3 V D 4ia12 43图 2-9 H 型双极性可逆 PWM 变换器H 型 PWM 变换器的开关器件分为 VT1， VT4 和 VT2， VT3 两
34、组进行通、断控制。组内两器件 VTl，VT4 同时导通或关断，两组间的器件 VTI， VT4和 VT2，VT3 则是交替的导通和关断，其栅极驱动信号规律为 ub1 =ub4，u b2=ub3=-ub1。工作状态与波形如下：(a) 正向运行，如图 2-10 所示第 1 阶段，当电机工作在轻载情况下，在 0tt on期间，u bl ，u b4 为正，VT1和 VT4 导通；u b2 、 ub3 为负，VT2 和 VT3 截止。电枢电流 ia 沿回路 1(经 VTl和 VT4)流通，电动机两端电压 UAB=+US。第 2 阶段，在 ton t T 期间，u bl 、u b4 为负，VTI 和 VT4
35、 截止；u b2 、u b3为正，在电枢电感 La 的作用下，电枢电流沿回路 2(经 VD2 和 VD3 )流通，电动机两端电压 UAB= -US 。(b) 反向运行，如图 2-11 所示第 1 阶段，在 0tt on 期间，u b2 、u b3 为负，VT2 和 VT3 截止，VD1， VD4续流，并钳位使 VT1 和 VT4 截止。电枢电流-i d沿回路 4(经 VD4 和 VD1)流通，电动机两端电压 UAB = +US。 第 2 阶段，在 ton t T 期间，u b2 、 ub3 为正，VT2 和 VT3 导通，u bl 、u b4 为负，使 VTl 和 VT4 保持截止。电枢电流-
36、i d沿回路 3(经 VT2 和 VT3)流通，电动机两端电压 UAB = +USt- USUdEidTto n+ USoUS/ i图 2-10 正向电动运行时电压、电流波形 US/ i+ USto nTotidEUd- US图 2-11 反向电动运行时电压、电流波形 双极式控制方式是指在一个 PWM 周期里，电机电枢的电压极性呈正负变化。因此其平均电压 Ud 计算公式为： ssonsonond UTttTt )12()12()( 21式中 a 一 ton/T 为 PWM 波形的占空比；由上式可知，电枢绕组所受的平均电压取决于占空比 的大小，当 =0时，U d=Us，电动机反行，且速度最大；当
37、 =1 时， Ud=Us，电动机正行，且速度最大;当 a=1/2 时，U d = 0，电动机不动。但电枢两端的瞬时电压和流过电枢的瞬时电流都不为零，而是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增加了电动机的损耗，当然是不利的。但是这个交变电流使电动机产生高频微振，可以消除电动机正、反向切换时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用，有利于快速切换。双极式可逆 PWM 变换器的优点是:电流一定连续，可以使电动机实现四象限动行;电动机停止时的微振交变电流可以消除静摩擦死区 ;低速时由于每个电力电子器件的驱动脉冲仍较宽而有利于保证器件的可靠导通;低速平稳性好，可达到很宽的调速范围。双极
38、式可逆 PWM 变换器存在如下缺点 :在工作过程中，四个电力电子器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两只电力电子器件直通的事故，为了防止直通，在上下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。2.2.3 PWM 调速系统的主要参数采用电力晶体管的 PWM 调速系统不同于其它直流调速系统的特殊问题主要有：1.电流与转速的脉动量计算；2.UPW 和 PWM 变换器的传递函数；3.电力晶体管的安全区与缓冲电路；4.电力晶体管的开关过程，开关损耗及最佳开关频率；5.泵升电压限制等。针对上面的问题就涉及到以下的参数 2。1.对不可逆和单极式可逆PWM调速系统在电流连续情况下的电流脉动与转速脉动
39、进行分析，得到(2-2)sldITi)1(（2-3）oslm812）（当=0.5时，脉动量达最大(2-4)sldITi4max(2-5)lmos32ax对双极式可逆PWM调速系统在电流连续情况下的电流脉动与转速脉动进行分析，得到(2-6)sldITi2)1(2-7)lmos6ax(2-8)sldITi2ax2.脉宽调制器和PWM变换器合起来可以看成是一个滞后环节，其传递函数在满足 时，可近似为Tc31(2-9)1)(TsKWPWMP求出脉宽调制变换器的传递函数后，便可画出双闭环脉宽调速系统的动态结构图 8。如图2-12所示。 Un*( s )+ +_ _Ui*( s )A S RA C RUc
40、 t( s )Ud( s )E ( s )Id( s )IL( s )+n ( s )1To 1To 1TKpwmRlTmeC1soi1sTon图 2-12 双闭环脉宽调速系统的动态结构图3.分析PWM变换器中电力晶体管的开关过程，并对各种负载下的开关损耗进行计算，从而得出总损耗最小的最佳开关频率。对单级式变换器有23(2-9)32)(6.0frlsoptTf对双极式有 (2-10)32)(.0frlsoptf两式中 nomsI2.3 双闭环直流脉宽调速系统一般地, 静态性能较好的调速系统都采用转速、电流双闭环控制方案, 脉宽调速系统也不例外。脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调
41、速系统，或直流 PWM 调速系统， PWM 在很多方面有较大优越性 13：（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，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。（4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗绕能力强。（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高。（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。2.3.1 电流、转速反馈环节根据自动控制原理，转速反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自
42、动产生纠正偏差的作用。转速降落整是由负载引起的转速偏差，因此，闭环调速系统应该减少转速降落 137。直流电动机全电压启动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机不利，对过载能力低的电力电子器件来说也不利。采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上负载电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零。而且有些生产机械的电动机可能会出现堵转情况，由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给工作带来不便。所以系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪个物理量基本保持不变，就应该引入哪个物理
43、量的负反馈。所以引入电流负反馈就能保持电流基本不变，使它不超过允许值。但是这种作用只应在上述的启动和堵转时存在，在正常运行是取消，让电流自由地随着负载增减，这种当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，应该在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套（或串级）联接，把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脉宽调速器。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环，转速环在外面，称作外环 1。综上所述，转速调节器和电流调节器在直流调速系统中的作用可分别归纳如
44、下 1：1.转速调节器的作用1）转速调节器是调试系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用 PI 调节器，则可实现无静差。2）对负载变化起抗扰作用。3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2.电流调节器的作用1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压 Ui*(即外环调节器的输出量)变化。2) 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个
45、作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。252.3.2 设计中的调节器计算（一）电流调节器的设计 291. 确定时间常数（1）脉宽调制器和 PWM 变换器的滞后时间常数 Tpwm与传递函数的计算。A5.7860RUIs3.2nomsI晶体管放大区的时间常数为ssfTce 159.014.326电流上升时间 的计算公式为rt95.01lnkTtcer式中 晶体管导通时的过饱和驱动系数，一般取 ，本例中1k 25.1k取 2，则1sskTtcer 103.95.2ln1.095.ln1电流下降时间 的计算公式为ft205.lnkTtcef 式中 晶体管截止时的负向过驱动系数，一般取 。本实例2k 2
46、1k中 取 2，则 sskTtcef 06.05.ln19.05.ln2最佳开关频率为 HzztTaffrlsop 26710)6.103.(253.)(32.0 66 开关频率 选为 ，此开关频率已能满足电流连续的要求。于是开关fkHz6.2周期 。msfTPWM4.01脉宽调制器和 PWM 变换器的放大系数为8.410idPWMUK于是可得脉宽调制器和 PWM 变换器的传递函数为104.1)( ssTPWMsP（2）电流滤波时间常数 取 。oim5.0（3）电流环小时间常数 。soiPi 9.2选择电流调节器结构根据设计要求， %5%，而且 ，因此可按典 1 型i106.59ilT系统设计
47、。电流调节器选用 PI 型，其传递函数为sKWisACR1)(3选择电流调节器参数sTli05.要求 %5%时，应取 因此i,iIK1156.09.ssTiI于是 48.3.310.PWMiIiKR4.校验近似条件 1156.sIci27(1) 要求 ,现 ciPWMT31 113.804.3ssP ci(2) 要求 ,现 cilm 119.45.21Tlm ci(3) 要求 ,现 = cioiPWM31oiPWM3 114.7503ss.ci可见均满足要求。5计算 ACR 的电阻和电容取 ，则kRo40取kRKoii 2.139408.3kRi130取FCii 4.1563 47.取RToi
48、i 05.104.63 F.按照上述参数,电流环可以达到的动态反指标为 =4.35,故满足设i计要求。（二）转速调节器设计 291. 确定时间常数（1）电流环等效时间常数为 。sTi018.2（2）取转速滤波时间常数 。on5.（3） 。sTonin6.022ASR 结构设计根据稳态无静差及其他动态指标要求，按典 2 型系统设计转速环，ASR 选用PI 调节器，其传递函数为sKWnsASR1)(3选择 ASR 参数取 ，则5hshTnn 034.68.5222 59.1KnN则 6.108.05.136)( nmenhaRTC4校验近似条件1123.4.29ssKnNcn（1） 要求 ，现 。icT51.0.5i cn（2） 要求 ，现onicn23 。11.05.9.131 ssToni cn可见均能满足要求。5计算 ASR 电阻和电容取 ，则kRo40取 430kRKon 4.2056.1k取FCn341.0取RTon 5.105.63F47.6校验转速超调量 129nmnNbTzC)(
