1、转速电流双闭环H形双极式PWM：流调速系统的设计题目：习题217设计姓 名：许云东学号：20110103020任课教师：同志梅1 .设计要求32 .设计分析4(1) 双闭环调速系统结构图 4(2) .双闭环直流调速控制系统原理图 5(3) .双闭环调速系统的动态结构框图 53 .转速环参数的设计： 5(1)确定时间常数：5(2)选择转速调节器结构 6(3)计算转速调节器参数： 6(4)校验近似条件： 6(5)计算调节器电阻和电容： 7(6)验证空载起动到额定转速时的超调量： 74 .电流环参数的设计：8(1)确定时间常数8(2)选择电流调节器的结构 8(3)计算电流调节器参数 8(4)校验近似
2、条件9(5)计算调节器的电阻电容： 95 .直流双闭环系统的完整硬件实现原理图如下： 106 .原理图上实现所要求的直流调速系统的原理如下： 107.原理图上每个元件选定的依据及其分析： 11(1) 转速调节器11(2) 电流调节器11(3) SG3524K 片 11(4) H型双极式可逆 PW版式电路 12(5) ,三相整流变压器、晶闸管整流调速装置 12(6) 转速检测电路12总结12参考文献13摘要：伺服系统对数控技术、自动化、电气工程及其自动化、机电一体化等专业是一门很重要的专业技术课。伺服系统的作用是联系数控装置与被控设备的中 问环节，起着传递指令信息和反馈设备运行状态信息的桥梁作用
3、。在当代工业上PWMI制调速系统已经被广泛地应用，具优点还是日益突现，而带有双闭环的调 速系统更是受到广泛欢迎。在本次设计中，为了使调速达到高精度、高准度的要 求，我使用了电流调节器和转速调节器，以此来组成双闭环，电流环为内环，转 速环为外环。这样的设计能够达到任务要求的静态指标和动态指标。特别是把此 两环校正为典型I型和典型II型后的性能指标更是达到了要求。本次设计中的电流调节器和电压调节器都是使用 pi调节器，pi调节器是由运放和各种电子元器 件组成的，由于本次设计时间有限所以就没有把相应的参数给调出来了。关键字：PWM调速系统；电流调节器；直流调速；双闭环；双极式；SG35241 .设计
4、要求有一转速、电流双闭环控制的H形双极式PWMT流调速系统已知电动机参数 为：PN=200W,UN=48V,IN=3.7A,N=20O rmin,电枢电阻 Ra=6.5Q ,电枢回路总 电阻=8Q,允许电流过载倍数 =2,电势系数 Ce=0.12V.min/r,电磁时间常数 Tl=0.15s ,机电时间常数Tm=0.2s,电流反馈滤波时间常数 Toi=0.001s ,转速反 馈滤波时间常数Ton=0.005s,调节器输入输出电压 U*nm=U*im=Ucm=10VM节器 输入电阻R0=40。已计算出电力晶体管 D202勺开关频率f=1kHz, PWW节的 放大倍数Ks=4.8.试对该系统进行动
5、态参数设计，设计指标：稳态无静差，电流超调量5 =5% 空载启动到额定转速时的转速超调量 。=2侬；过渡过程时间ts=0.1s。2 .设计分析(1)双闭环调速系统结构图直流双闭环调速系统的结构图如图i所示，转速调节器与电流调节器用级连 接，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 PW喋置。其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。图1双闭环调速系统结构图(2).双闭环直流调速控制系统原理图(3).双闭环调速系统的动态结构框图3 .转速环参
6、数的设计:(1)确定时间常数D电流环等效时间常数Ki1一 二2 =0.004 SKi2)转速滤波时间常数Ton由已知条件知Ton=0.005s3)转速环小时间常数T”Tn =2T Ton = 0.009s(2)选择转速调节器结构由于设计要求无静差，且要求设计为典 II系统，转速调节必须含有积分环 节；故转速调节器ASR选择PI调节器，其传递函数为WaSR (s) = K nnS 1nS(3)计算转速调节器参数:按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR勺超前时间常数为. n=hTn=5 0.009 = 0.045s所以转速环开环增益 ：Kn = h2 2 =62= 1481.5s”2h2
7、T：n 2 25 0.009210转速反馈系数 :由Unm =口0m可知：豆=0.05nnom于是，可以算出ASR的比例系数为:h 1 :CeTm6 1.35 0.12 0.2 广，Kn = = =5.42hR： K n 10 0.05 8 0.009(4)校验近似条件:转速环截止频率：b。=1481.5 0.045-66.7s41)校验电流环传递函数简化条件：切cn 8cn，满足简化条件。5TV i 5 0.0022)校验小时间常数近似处理条件:11cn 32T- iTon= 74.5sJ1ocn ,满足条件。cn3i 2T.iTon -3 2 0.002 0.005(5)计算调节器电阻和电
8、容:已知R=40KQ,各电阻和电容值计算如下：Rn =KnR0 =5.4m40 = 216KC ,可近似取 220KC. n0.0456Cn = n =3 M10 NF =0.20年，取 0.20件Rn 220 104Ton 4 0.0056 , m ,Con=n=rx10 NF =0.5忤，取 0.5NFR040 103(6)验证空载起动到额定转速时的超调量：当h=5时，查表得，n=37.6%,不能满足设计要求。实际上，由于这是按 线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该 按ASR!饱和的情况重新计算超调量。设理想空载起动时，负载系数z=0,已知直流电机参数：
9、Pnom =0.2 KW Unom=48 V, 1nom =3.7 A, No 200 r/min , Ra = 6.5 Q , R=8Q ; PWMg 置放大系数K=4.8;时间常数 Tm=0.2s , T产0.015s；当 h=5 时：CmaL% =81.2% ；而 Annom = IdnomR = 3.7C8 = 246.7r/.，又因品Ce0.12/min,为 cn% =(-Cmax%) *2( -z)-2nom 上Cbn Tm因止匕6n%=81.2%M2M2M纯7 M 0.009 = 18.0% 20% ,满足空载起动到额2000.2定转速时的超调量的设计要求4.电流环参数的设计:(
10、1)确定时间常数1)整流装置滞后时间常数Tso因为 f=1khz ,所以 Ts=0.001s2)电流滤波时间常数七。由题中已知条件知Toi =0.001s3)电流环小时间常数之和TTioT i =Toi +Ts=0.001+0.001=0.002s(2)选择电流调节器的结构根据设计要求6iE5%,并保证稳态电流无静差，因此可按典I系统设计电流调节器ACR电流调节器AC他用PI调节器，其传递函数如下式：WACR S - Kiis(3)计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数:i =Tl = 0.015s,电流环开环增益：要求电35%时，按课本上表3-1 ,应取Ti K=0.5,因Ti 0.002
11、.35电流反馈系数P：因为U*m =10V=P*Jnom所以：P = 0- = 1 21nom又根据已知条件知Ks=4.8于是，ACR勺比例系数为KiK ,握 1k二 2500.015 81.35 4.8= 4.63(4)校验近似条件电流环截止频率：-ci=Ki = 250s1)校验晶闸管装置传递函数近似条件:113Ts -3 0.0011=333.3s ,1 ： ci满足近似条件2)校验忽略反电动势对电流环影响的条件:0.2 0.015=54.7s 满足近似条件。3)校验电流环小时间常数近似处理条件:113 TsToi1 13 - 0.001 0.0011=333.3s满足近似条件(5)计算
12、调节器的电阻电容:已知R0 =40KC ,各电阻和电容值计算如下：Ri =KiR =4.63父40心=185.20 , 近似取 R =185K。Ci =1= O.0 1 506忤=0.081 忤取 0.08年Ri185 103Coi =4T0i =4、0.0031 M106 Hz =0.1 坪。取 0.他FR 40 1035 .直流双闭环系统的完整硬件实现原理图如下：6 .原理图上实现所要求的直流调速系统的原理如下：主电路系统是由10V直流电源，转速调节器 ASR电流调节器ACR SG3524 芯片,H型双极式可逆PW断式电路，三相整流变压器、晶闸管整流调速装置、 测速发电机和霍尔电流互感器组
13、成。 转速调节器与电流调节器用极联结， 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PW喋置，然 后通过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。与此同 时，由测速发电机检测电机的实时转速，并用霍尔电流互感器对电枢电流进行实 时跟踪，以达到设计要求。7 .原理图上每个元件选定的依据及其分析：(1)转速调节器对于一个控制系统而言，最关键的是控制器的设计，控制器设计的好坏关系 到控制系统性能的优劣。控制器要求实时性强，通用性强，具有较强的智能，在 满足性能指标的前提下应尽可能的简单。转
14、速反馈电路各个参数在已经算出，并标注在图中。这里选用PI控制器，因为设计要求无静差，且要求设计为典 II系统，转速调节必须含有积分环节， 同时，PI控制器还能在满足设计要求的前提下，尽可能的提高系统的稳定性。(2)电流调节器电流反馈电路各个参数在已算出，并标注在图中。由于要求6i 5% ,并保证稳态电流无静差，所以电流调节器也选择 PI调节器。(3) SG3524芯片采用集成脉宽调制器SG352在为脉冲信号发生的核心元件。它的主要作用 是用它来产生系统所需要的PWM1号。根据主电路中IGBT的开关频率，选择适当的R,Ct值即可确定振荡频率。由 初始条件知开关频率为1kHz,可以选择Rt=2kQ
15、, Ct=0.001uf。 SG352派用是 定频PWMfe路,DIP-16型封装。由SG352物成的基本电路如原理图所示，由15脚输入+10V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+10V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弓|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。(4) H型双极式可逆 PW断式电路“H型是双极性驱动电路的一种，也称为桥式电路。其电路是由四个晶闸 管和四个续流二极管组成，。四个晶闸管分为两组，VT侪口 VT的一
16、组，VT/口 VT3 为另一组。同一组的晶闸管同步导通或关断，不同组的晶闸管的导通与关断正好 相反。在每个PWMB期里，当控制信号为高电平时，晶闸管 VT侪口 VT而通，止匕 时另一组晶闸管输入信号为低电平，因此 VT刖VT3B止。电枢绕组承受从 A到 B的正向电压；当控制信号输入为低电平时，晶闸管 VT侪口 VT做止，此时另一 组晶闸管输入为高电平，因此 VT2WVT3t通，电枢绕组承受从B到A的反向电 压，这就是所谓的“双极”。(5),三相整流变压器、晶闸管整流调速装置整流变压器和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直 流电。(6)转速检测电路转速检测电路与电动机同轴安装一台
17、测速发电机， 从而引出与被调量转速成 正比的负反馈电压nU,与给定电压*nU相比较后，得到转速偏差电压 nU输送 给转速调节器。测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小， 还包含转速的方向， 通过调节电位器即可改变转速反馈系数。总结脉冲宽度调制PWMS是指保持开关周期T不变，调节开关导通时间t对脉冲的宽度进行调制的技术。PWM空制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优 点而成为电力电子技术等领域最广泛应用的控制方式。利用SG352磔成PWMI制器设计了一个基于PWM6制的直流调速系统，本系统采用了电流转速双闭环控 制，并且设计了完善的保护措施，既保障了系统的可靠运行，又使系统具有较高 的动、静态
18、性能。双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形 的。按照ASR&起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上 升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。 从起动时间上看，n阶段恒流升速是主 要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有 一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR勺作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR勺作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。参考文献1电力拖动自动控制系统一一运动控制系统（3版），阮毅、陈伯时，机械工 业出版社2电力拖动自动控制系统（2版），陈伯时，机械工业出版社3王兆安，刘进军.电力电子技术.第5版.北京：机械工业出版社，2009. 4百度文库.
