直流调速课程设计任务书

双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

直流调速课程设计任务书

一、题目

双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

二、设计目的

1、对先修课程（电力电子学、自动控制原理等）的进一步理解与运用 2、运用《电力拖动控制系统》的理论知识设计出可行的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。也可以制作硬件电路。

3、同时能够加强同学们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。达到综合提高学生工程设计与动手能力的目的。

三、系统方案的确定

自动控制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能（动、静）→电机参数→主电路→控制方案”（系统方案的确定）→“系统设计→仿真研究→参数整定→直到理论实现要求→硬件设计→制版、焊接、调试”等过程，其中系统方案的确定至关重要。为了发挥同学们的主观能动作用，且避免方案及结果雷同，在选定系统方案时，规定外的其他参数由同学自己选定。

1、主电路采用二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器;

2、速度调节器和电流调节器采用PI调节器；U*nm=U*im =Ucm=10V; 3、机械负载为反抗性恒转矩负载，系统飞轮矩（含电机及传动机构）GD2 ＝1.5Nm2；

4、主电源：可以选择三相交流380V供电，变压器二次电压为52V； 5、他励直流电动机的参数：见习题集【4-19】（p96）nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=2Ω，电流过载倍数λ=2；

6、PWM装置的放大系数Ks=11；PWM装置的延迟时间Ts=0.4ms。 一、 设计任务

a) 总体方案的确定；

b) 主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；

双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

c) 系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图； d) 控制电路设计、原理分析、主要元件/参数的选择； e) 调节器、PWM信号产生电路的设计 f) 检测及反馈电路的设计与计算；

四、设计任务

a）总体方案的确定；

b）主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算；

c）系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图； d）控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择； e）调节器、PWM信号产生电路的设计； f）检测及反馈电路的设计与计算；

五、课程设计报告的要求

1、不准相互抄袭或代做，一经查出，按不及格处理。 2、报告字数：不少于8000字（含图、公式、计算式等）。

3、形式要求：以《福建农林大学本科生课程设计》（工科）的规范化要求撰写。要求文字通顺、字迹工整、公式书写规范、报告书上的图表允许徒手画，但必须清晰、正确且要有图题。

4、必须画出系统总图，总图不准徒手画，电路图应清洁、正确、规范。未进行具体设计的功能块允许用框图表示，且功能块之间的连线允许用标号标注。

六、参考资料

1、电气传动控制系统设计指导 李荣生 机械工业出版社 2004.6 2、新型电力电子变换技术 陈国呈 中国电力出版社 3、电力拖动自动控制系统 陈伯时 机械工业出版社 4、电力电子技术 王兆安 黄俊 机械工业出版社 2000.1

双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

交直流调速课程设计说明书

一、方案确定

2.1.1 方案选定

主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路采用25JPF40电力二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延时环节DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD和PWM变换器。系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电 流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流原理图如图所示。

图1-1直流PWM传动系统结构原理图

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

双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

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。 总体方案简化图如图1-2所示。

图1-2双闭环调速系统的结构简化图

用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好 的满足了生产需求。

图1-3 双闭环直流调速系统的静特性

双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

图1-4

双闭环直流调速系统的稳态结构图

图1-5双闭环调速系统的静态结构图

在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况 双闭环直流调速系统的静特性如上

*图所示，Un Un n n0，Ui* Ui Id式中 ， —— 转速和电流反馈系

*

Un

数。由第一个关系式可得n

n0，从而得到上图静特性的CA段。与此同时，

由于ASR不饱和，U*i < U*im，从上述第二个关系式可知: Id < Idm。 这就是说， CA段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一直延续到 Id = Idm ，而 Idm一般都是大于额定电流 IdN 的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。这时，ASR输出达到限幅值U*im ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时

双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

Id

*Uim

Idm式中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载

能力和拖动系统允许的最大加速度。式中所描述的静特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于 n < n0 的情况，因为如果 n > n0 ，则Un > U*n ，ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于

Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。

图1-6 主电路设计图

2.1.1.2 系统稳态结构图以及动态结构图

图2-1 双闭环调速系统的静态结

双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计