1、双闭环可逆直流脉宽 PWM 调速系统设计及 MATLAB 仿真验证 专 业：电力传动学 号：201020305139姓 名：杨 耀指导老师：王笑宇成都理工大学工程技术学院课程设计1目录目录 .1中英文摘要 .2摘要 .2Abstract .2正文 .3双闭环可逆直流脉宽 PWM 调速系统设计 .3设计分析 .3主电路设计 .8电流调节器参数计算 .9信号产生电路 .11GTR 驱动电路原理 .12辅助回路设计 .13转速给定电路设计 .13转速检测设计 .14MATLAB 仿真设计 .15双闭环调速系统仿真框图 .15仿真结果 .15结果分析 .19总结 .19参考文献 .20成都理工大学工程
2、技术学院课程设计2中英文摘要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。Abstract With dc motor speed control is
3、 easy, rev, braking performance is good, smooth and in wide range speed adjustment characteristics in metallurgy, machinery manufacturing, light industry, etc. Is widely used in the industrial sector. The rotational speed of dc timing control method can be divided into two categories, namely excitat
4、ion control method with the armature voltage control method. This paper mainly studies the dc speed regulation system, it mainly consists of three parts, including parts, power control, direct current motor. For a long time, the dc motor because of its adjustment speed is more flexible, simple metho
5、d and so on, have been occupied dominant position in the field of transmission.In this paper, the double closed-loop irreversible dc PWM speed regulating system, a further study from the principle of dc adjusting system, gradually establish a closed-loop dc PWM adjustment model of the system.成都理工大学工
6、程技术学院课程设计3正文 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
7、开环状态，在电流调节器的输出控制信号 U 的控制下，产生一个等幅、宽度受 U 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成都理工大学工程技术学院课程设计4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
8、、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成都理工大学工程技术学院课程设计5IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a) (b)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）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程图 2 调速系统起动过程的电流和转速波形H 桥式可逆 PWM 变换器的工作原理PWM 控制的示意图如图 3 所示:可控开关 S 以一定的时间间隔重复地接通和
9、断开，当 S 接通时，供电电源 Us 通过开关 S 施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电动机储能：当开关 S 断开时，中断了供电电源 Us 向电动机电流继续流通。图 3：PWM 控制示意图这样，电动机得到的电压平均值 Uas为：成都理工大学工程技术学院课程设计6Uas=tonUs/T=Uas在系统主电路部分，采用的是大功率 GTR 为开关元件、H 桥电路为功率放大电路所构成的电路结构，如图 4 所示。图中，四只 GTR 分为两组，VT1 和 VT4为一组，VT2 和 VT3 为另一组。同一组中的两只 GTR 同时导通，同时关断，且两组晶体管之间可以是交替的导通和关断。脉宽调制器的作用是：用
10、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。图 4：H 桥式可逆 PWM 变换器正向运行（如图 a）所示:第 1 阶段，在 0tt on期间，Ub1、Ub4 为正，VT1、VT4 导通，Ub2、Ub3为负，VT2、VT3 截止，电流 id沿回路 1 流通，电动机 M 两端电压 UAB=+Us；第 2 阶段，在 tontT 期间，Ub1、Ub4 为负，VT1、VT4 截止，VD2、VD3续流，并使 VT2、VT3 保持截止，电流 id沿回路 2 流通，电动机 M 两端电压UAB=-Us;反向运行（如图 b）所示：第 1 阶
11、段，在 0tt on期间，Ub2、Ub3 为负，VT2、VT3 截止，VD1、VD4续流，并使 VT1、VT4 截止，电流-i d沿回路 4 流通，电动机 M 两端电压 UAB=+Us;第 2 阶段，在 tontT 期间，Ub2、Ub3 为正，VT2、VT3 导通，Ub1、Ub4为负，使 VT1、VT4 保持截止，电流-i d沿回路 3 流通，电动机 M 两端电压 UAB=-Us。成都理工大学工程技术学院课程设计7双极式控制的桥式可逆 PWM 变换器的优点：（1）电流一定连续；（2）可使电机在四象运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1： 2
12、0000 左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠通。a.正向电动运行波行b.反向电动运行波形双极式控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为：成都理工大学工程技术学院课程设计8主电路设计H 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图 5 所示。PWM 逆变器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容滤波，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或电抗） ，合上电源以后，延时用开关将短路，以免在运行中造成附加损耗。滤波电容器往往在 PWM 装置的
13、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元件的选择与参数的计算成都理工大学工程技术学院课程设计9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，I N=3.7A，n N=200r/min,Rd=6.5
14、，电枢回路总电阻 R=8,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 =1.33V/A，转速反馈系数=0.05Vmin/r，电动势转速比 Ce=0.18Vmin/r。调速范围 D=2；系统飞轮矩（含电机及传动机构）GD=100Nm;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ts0.1s，电流超调量 i%5%，空载起动到额定转速时的转速超调量 i%10%。电流调节器参数计算按典型型设计电流调节器。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()iACRsWK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ii常数极点对消，选择 s05.liT则可得到电流环放大系数， siKRIi要求 5%即可取 =0.5 有iIKiT，ici21 TI则可得到 )(ilsisli KRK
