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直流单极式PWM调速系统(刘慧)

1 任务分析 (1)

1.1 概述 (1)

1.2 直流双闭环调速系统的结构图 (1)

1.3 单极式可逆PWM变换器的工作原理 (2)

1.4 PWM调速系统的静特性 (4)

2电路设计 (5)

2.1给定及偏移电源 (5)

2.2 双环调节器电路 (6)

2.2.1 转速调节器 (6)

2.2.2 电流调节器 (6)

2.3 信号产生电路 (7)

2.4 驱动电路 (8)

2.5转速及电流检测电路 (10)

2.5.1转速检测电路 (10)

2.5.2电流传感器 (10)

3调节器的参数整定 (11)

3.1 电流调节器参数的计算 (11)

3.2转速调节器的参数整定 (12)

3.3 参数的校验 (13)

3.3.1 电流参数的校验 (13)

3.3.2转速参数的校验 (14)

3.3.3校验退饱和转速超调量 (14)

4心得体会 (15)

参考文献 (16)

附录 (17)

直流单极式PWM调速系统设计

1 任务分析

本文所论述的是“直流单极式PWM调速系统”。采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成脉宽调制变换器—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。脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器，脉宽调制，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。[1]与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：

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，稳态精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。

4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，抗干扰能力强。

5）功率开关器件的开关状态，导通损耗小，开关频率适中时，装置效率高。

6）直流电流采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。

由于有以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能中，已完全取代了V-M系统。

由于双极式PWM变换器在工作过程中，4个电力晶体管都处于开关状态，开关损耗相比来说较大，而且容易发生上下两管直通的事故。降低了装置的可靠性，为了克服这一缺点，对于静动态性能要求低一些的系统可采用单极式PWM 变换器，其主电路不变，不同的仅仅在于驱动脉冲信号。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。

综上所述，我们可根据任务要求设计一个直流单极式PWM双闭环调速系统。

1.2 方案确定

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级联结，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，达到设计的要求。

总体方案的结构简化图如图1所示。

图1 直流双闭环调速系统的结构图

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。

1.3 单极式PWM 变换器的工作原理

脉宽调制器的作用是：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，从而改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。可逆PWM 变换器的输出电压极性是随控制电压极性变化而变化的，因而可组成可逆的直流调速系统。常见的可逆PWM 变换器主电路有H 型和T 型，本设计采用H 型桥式可逆变换器。[4]

单极式可逆PWM 变换器电路如

图2所示。它和双极式一样，由4个

ASR

ACR PWM Ks 1/Ce

Un*+

-Ui*

-Uc

Udo

IdR

电力晶体管构成，不同之处仅在于电力晶体管的基极驱动信号不同。电动机M 的极性随控制电压极性的变化而变化。

VD2

VD1

VD3

VD4

励磁

MOTOR DC

VT2VT1Ug 1

VT3Ug 3

VT4Ug 4

Ug 2

图2 桥式可逆PWM 变换器电路

单极式可逆PWM 变换器的驱动脉冲：

21Ug Ug -=， VT1和VT2 交替导通（和双极式一样）

3Ug 、4Ug 改成因电机的转向而施加不同的直流控制信号。

电机正转时，使3Ug 恒为负，4Ug 恒为正，则VT3截止而VT4常通。电机反转时，则3Ug 恒为正,而4Ug 恒为负，使VT3常通而VT4截止。下面分析当控制电压为正即当电机正向电动时，在一个开关周期内：

0on t t ≤<时，

1Ug 和4Ug 为正，晶体管VT1和VT4饱和导通; 2Ug 和3Ug 为负，VT2和VT3截止。这时s AB U U =。

当on t t T ≤<时，1Ug 变负，VT1和VT3截止, VT4导通；2Ug 变正，但VT2仍不通，正向电流沿VD2和VT4续流。这时0=AB U 。

图3 单极式可逆PWM 变换器的驱动电压电流波形

单极式控制可逆PWM 变换器的输出平均电压为 s on

d U T

t U =

（1）

如果定义占空比on

t T

ρ=

，电压系数d s U U γ=。

则在单极式可逆变换器中ργ=。

调速时，ρ的可调范围为0～1相应的γ的范围也为0～1。

由于单极式PWM 变换器的电力晶体管VT3和VT4两者之中总有一个是常通的，而另一个是截止的，运行中不用频繁地交替导通。因此，单极式变换器的开关损耗要比双极式小，装置的可靠性有所提高。但此电路无高频微振，启动较慢，其低速性能不如双极性的好。

1.4 PWM 调速系统静特性分析

由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，

on t

Ug 1

AB U

d i

电压平衡方程如下

E dt

di L Ri U d

d S ++= ）（on t t <≤0 （2） E dt

di L

Ri d

d ++=0 ）（T t t on <≤ （3）按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是d s U U γ=，平均电流用d I 表示，平均转速/

e n E C =，

而电枢电感压降d

di L

的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成 n C RI E RI U e d d S +=+=γ （4）则机械特性方程式 d e

d e e

I C R

n I C R C U n -=-

0γ （5）

2电路设计

桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图4所示。PWM 变换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C 滤波，以获得恒定的直流电压s U 。由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，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传入电阻0R ，合上电源后，用延时开关将0R 短路，以免在运行中造成附加损耗。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这式电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻b R 消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通b VT 。[1]

VD2

VD1

VD3

VD4

励磁

MOTOR DC

-VT2VT1Ug 1

VT3Ug 3

VT4Ug 4

Ug 2

VD5

VD7

VD9

VD8

VD10

VD6

A B C

R b

VTb

PWM 控制器

图4 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路

2.1 给定及偏移电源

此电路用于产生±15V 电压作为转速给定电压以及基准电压，如图5所示。

220V

C12200uF

C22200uF

Vin

G N D

Vo ut

U1LM 7815Vin 1

G N D

Vo ut 3

LM 7915

C310u F

C410u F C5

104

C6104

BR IDGE1

Rpn Un *

+15V -15V

18V

-18V

图5 给定电压电路图

2.2 双闭环调节电路

为了实现闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较，决定调节器的输出，反馈的关键是对被控量进行采样与测量。两个回路构成一个串级控制系统。主回路对转速进行调节，副回路对电流进行调节。

2.2.1 转速调节器

转速调节器物理实现如图6所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数0.012s on T 。根据和电流

环一样的道理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。[2]

图6含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器

2.2.2 电流调节器

电流调节器的物理实现如图7所示，为不影响调节器的输入，需加低通滤波，由初始条件知滤波

时间常数

.0oi T ，以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配

合。

图7含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器

2.3 信号产生电路

PWM 生成电路如图8所示，SG3524生成的PWM 信号经过一个非门转为两路相反的PWM 信号，为了确保上下两桥臂不会直通发生事故，中间加入电容C1、C2进行逻辑延时，后面再加上非门和与门构成的电路。

IN-IN+

Vref

OS C

SG3524

Vss

误差输入

23PWM1

PWM2

图8 PWM 生成电路

本设计采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。根据主电路中IGBT 的开关频率，选择适当的t R 、t C 值即可确定振荡频率。由初始条件

Con

Ron /2Ron /2

Rba2

OPAMP

Un *Un

Ui*

知开关频率为10kHz ，可以选择Ω=k R t 12,F C t μ01.0=。

电路中的PWM 信号由集成芯片SG3524产生，SG3524可为脉宽调制式推挽、桥式、单端及串联型SMPS(固定频率开关电源)提供全部控制电路系统的控制单元。由它构成的PWM 型开关电源的工作频率可达100kHz,适宜构成100-500W 中功率推挽输出式开关电源。SG3524采用是定频PWM 电路,DIP-16型封装。

由于构成单极式PWM 变换器要保证21Ug Ug -=，且当c U 为正时，3Ug 恒为负，4Ug 恒为正。当c U 为负时，3Ug 恒为正，4Ug 恒为负。

由SG3524构成的单极式PWM 变换器电路图如图9所示，由15脚输入+15V 电压，用于产生+5V 基准电压。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。13引脚通过电阻与+15V 电压源相连，供内部晶体管工作，由电流调节器输出控制电压作为2引脚输入，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。

1234

567

8910

1213

141516

Uc1SG3524

15V

OPAMP

Uc2

Uc3

Uc4

图9单极式PWM 变换器电路图

SG3524的基准源属于常规的串联式线性直流稳压电源,它向集成块内部的斜波发生器、PWM 比较器、T 型触发器等以及通过16脚向外均提供+5V 的工作电压和基准电压,振荡器先产生0.6V-3.5V 的连续不对称锯齿波电压Vj,再变换成矩形波电压,送至触发器、或非门,并由3脚输出。振荡器频率由SG3524的6脚、7脚外接电容器CT 和外接电阻器RT 决定,其值为:f=1.15/RTCT 。考虑到对CT 的充电电流为(1.2-3.6/RT 一般为30μA -2mA),因此RT 的取值范围为1.8kΩ~100kΩ,CT 为

0.001μF~0.1μF,其最高振荡频率为300kHz。开关电源输出电压经取样后接至误差放大器的反相输入端,与同相端的基准电压进行比较后,产生误差电压Vr,送至PWM比较器的一个输入端,另一个则接锯齿波电压,由此可控制PWM比较器输出的脉宽调制信号。

2.4 驱动电路

IGBT驱动采用芯片IR2110，采用14端DIP封装，引出端排列如图10所示。

图10 IR2110管脚图

它的各引脚功能如下：

脚1（LO）是低端通道输出；

脚2（COM）是公共端；

脚3（Vss）是低端固定电源电压；

脚5（Us）是高端浮置电源偏移电压；

脚6（U B）是高端浮置电源电压；

脚7（HO）是高端输出；

脚9（VDD）是逻辑电路电源电压；

脚10（HIN）、脚11（SD）、脚12（LIN）均是逻辑输入；

脚13（Vss）是逻辑电路地电位端外加电源电压，其值可以为0V；

脚4、脚8、脚14均为空端。

IGBT驱动电路如图11所示。IR2110采用HVIC和抗干扰CMOS工艺制作，

具有独立的高端和低端输出通道；浮置电源采用自举电路，其工作电压可达500V ，d u /d t =±50V/ns ，在15V 下的静态功耗仅有1.6mW ；输出的栅极驱动电压范围为10～20V ，逻辑电源电压范围为5～15V ，逻辑电源地电压偏移范围为－5V ～＋5V 。IR2110采用CMOS 施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。推挽式驱动输出峰值电流≥2A ，负载为1000pF 时，开关时间典型值为25ns 。两路匹配传输导通延时120ns ，关断延时94ns 。IR2110的脚10可以承受2A 的反向电流。

C O M

SD HO LIN Vb HIN LO C O M

VS SD HO LIN Vb HIN PWM2PWM1

PWM1PWM2

R10

Ug 1

Ug 2

VD10

IR2110Vss

Vss

VD11

IR2110R11

Ug 3

R12

Ug 4

图11 IGBT 驱动电路

2.5 转速及电流检测电路 2.5.1转速检测电路

根据课程设计要求，测速电机为永磁式测速发电机，它与电动机同轴安装，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压n U ，与给定电压*n U 相比较后，得到转速偏差电压n U 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，测速电路接线图如图12所示。

图12转速检测电路

TG MOTOR DC

RP Un

2.5.2电流传感器

本系统要求电流检测不但要反映电枢电流的大小而且还要反映电流极性，所以选用霍尔电流传感器。霍尔传感器可以迅速检测并判断电流的大小，产生电流检测信号，用于反馈控制及保护环节，采样可靠、准确，电流检测电路原理图如图13所示。

图13电流检测电路

3 调节器的参数整定

电流调节器以及转速调节器由单刀双掷开关控制电机转向，滑动变阻器RP1、RP2分别调节正反转时的转速，RP3可以改变电流的限幅值，下面分别按设计要求计算电路中的各个参数。

转速反馈系数

r V n U N n m i n ·01.01000

===α

电流反馈系数

A V I U N i 12.055

5.1105.1*=?==β

计算调节器参数之前，先根据电动机的额定参数计算电动势系数，额定状态运行时

N N a e N U I R C n =+

于是可得

r V n R I U C N a N N e min ·209.01000

.055220=?-=-=

传感器

-15V

+15V

为了能更好的整定，我们在此根据实际情况设定一些辅助条件。在此我们设定电枢回路电磁时间常数为T l =0.03s ，T m =0.18s ，并设定电力电子变换器的内阻为R rec =0.8Ω。所以可得超前时间常数τi =T l =0.03s ，回路总电阻为R=0.8+0.2=1Ω。设定PWM 控制电路的放大系数为K s =40。电流允许过载倍数λ=1.5。给定电压设为10V 。在此设定所有运算放大器的R 0=40k Ω。

3.1 电流调节器

3.1.1电流调节器参数的计算

从设计要求上看，实际系统不允许电枢电流有太大的超调（σi ≤5%），而且要求系统电流无静差，为此，电流环应一跟随性能为主，即选用典型I 型系统。首先确定时间常数，根据上面的分析可得电流滤波时间常数Toi=0.002s ，

通过查阅相关资料可得PWM 调压系统的滞后时间Ts=0.0001s ，电流环小时间常

数之和，按小时间常数近似处理，取根据前面分析我们取传递函数为：

电流开环增益:因要求5%i σ≤，故应取i 0.5I K T =∑

，因此

由此可得ACR 的比例系数为：

根据比例系数我们可得，取运算放大器的R 0=40k Ω，各电阻和电容值为：

Ω=?==k R K R i i 6.594049.10，取60K Ω。

，取0.5uF 。

，取0.2uF 。

s K s W i i i ACR ττ)1()(+=

1.2380021.05

.05.0-∑===

s s

T K i I 49.112.0401

03.01.238=???==

βτs i I i K R K K uF F R C i i i 5.0105.01000

6003.06=?=?==-τuF R T C oi oi 2.01000

40002.0440=??==

s T T T oi s i 0021.0002.0001.0=+=+=∑

3.1.2 电流调节器参数的校验

校验近似条件：电流环截止频率1238.1ci I K s ω-==。 1）校验PWM 调压系统传递函数的近似条件是否满足13ci s

T ω≤

。因为

113333.33330.0001

ci s T ω==>?，所以满足近似条件。 2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足1

T ci m l

T ω≥。现在113

344.72T 0.150.03

ci m l T ω==

3ci s oi

T T ω≤

。

现在

11111

745.36330.00010.002

ci s oi s T T ω-==>?，满足近似条件。

按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。

3.2 转速调节器

3.2.1 转速调节器参数的计算

首先确定转速环时间常数。

电流环等效时间常数i 20.0042T s =∑

。

转速滤波时间常数on T ，根据测速发电机的纹波情况取0.01on T s =；转速环小时间常数n T ∑

，按小时间常数尽速处理取

n i 20.0420.010.0142on T T T s =+=+=∑∑

根据设计要求，转速环应该设计为典型Ⅱ型系统，调节器也应采用PI 型，其传递函数为1

()n ASR n

n s W s K s

ττ+= 根据跟随性和抗干扰性能都较好的原则取5h =。

则ASR 超前时间常数

50.01420.071n hT

s τ==?=∑

转速环开环增益

222

595.1222250.0142N n h K h T +=

==??∑

于是ASR 的比例系数为

1.190142

.001.015218

.0209.012.062)1(=???????=+=

∑n m e n RT h T C h K αβ

由运算放大器40o R k =Ω可得，各电阻和电容值计算如下：

Ω=?==k R K R n n 764401.190，取750k Ω。 uF R C n

n 094.01000

750071

.0=?=

τ，取0.1uF 。

F R T C o on on μ110)40/01.04(/43=??==，取1uF 。

3.2.2 转速调节器参数的校验

校验近似条件：转速环截止频率1595.120.07142.25cn N n K s ωτ-==?=。校验电流环传递函数简化条件是否满足n

5cn T ω≤

∑

。现在

1i 11

95.24550.0021cn s T ω-==>?∑

，满足简化条件。校验小时间常数近似处理是否满足i

32cn on T T ω≤

∑

。

现在

i 1111

51.4332320.010.0021

cn on T T ω==>??∑

，满足近似条件。

3.2.3 校验退饱和转速超调量

当h=5时，查表得，δn=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 退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，已知电

机参数：PN ＝10 KW ，UN ＝220 V ，IN ＝55 A ，nN ＝1000 r/min ，Ra ＝0.2Ω，直流它励励磁电压220V ，电流1.6A ；PWM 装置放大系数Ks=40；时间常数Tm=0.1s ，Tl=0.03s ；永磁式测速发电机参数：23W ，110V ，0.21A ，1900 r/min 。当5h =时，

max

%81.2%Kb

C C ?=。则%10%06.518

.00142

.01000209.01

555.1%2.812)(2

*max <=?????=?-?=∑m

N b n T T

n n z C C λσ。

综上所述，系统的各项静动态性能指标都能满足设计要求。可使系统达到快速、准确和稳定，具有可行性和实用性。

4 心得体会

理论的学习使我们掌握了有关有关运控的知识。随着科技不断发展进步，电力拖动控制系统也同我们的生活息息相关，在生活中扮演越来越重要的角色。

这次课程设计总共不到两个星期的时间，而且期间穿插着生产实心，时间比较紧，但是即使这样，我也积极地进行准备，认真分析老师所给的任务书。刚开始时，我看到我的题目为单极式PWM 调速系统，还暗自庆幸比那些双极式的要简单。但是做了段时间，就被卡住了，在单极式PWM 变换器的实现上，我想了很多方法，可惜都不能成功。但是我认真对单极式的原理以及工作过程分析后，认识到其中的一些逻辑关系，终于将困难解决掉。

在做运控课程设计的过程中我更能认真和全面的对所学知识有一个全面和系统更深刻的了解和掌握。在这个过程中我认真查阅了大量资料和工具书增长了我的知识，开阔了我的视野。不过我看得更多的还是教材，万变不离其宗，对任何一个设计其基本原理最终都可以在书本上找到答案。所以书本是最重要的，完全吃透书本课程设计才能发挥得更好。

设计完整之后，主要的任务就是protel 软件画系统的主电路，由于之前对protel 进行过比较系统的学习，于是使用起来并不是很困难，我首先依次画出每个部分的电路图。在PWM 变换器和PWM 生成电路的绘制中，由于有些芯片不

在元件库中，于是需要自己动手画，在熟悉自己绘制芯片后，慢慢的绘制电路图变得比较容易了。

通过这次课程设计，使我熟练了protel软件的使用，并掌握了使用visio绘制系统原理图，在这次设计中，由于我知识的欠缺，设计的并不十分完整，错误应该是有的，但我很认真地去做了，设计中错误的地方希望老师能谅解，并加以指点。我会努力改正，力争在以后的学习中更加完善。

参考文献

[1] 王兆安、刘进军.电力电子技术. 北京.机械工业出版社，2009.7

[2] 陈伯时、阮毅.运动控制系统. 北京.机械工业出版社，2010.1

[3] 王力、张伟.Protel99se典型实例.北京.人民邮电出版社，2006.12

[4] 孙立志.PWM与数字化电动机控制技术.北京.中国电力出版社，2008.1

[5] 曾毅.现代运动控制系统工程. 北京.机械工业出版社，2006.1

附录

220V 1

4D 1C 12200u F C 22200u F V i n

1G N D

2V o u t 3U 1

L M 7815V i n

1G N D

V o u t 3U 2

L M 7915C 310u F

C 410u F

C 5

104C 6104B R I D G E 1

R p n

U n *+15V

-15V

18V

-18V

C o n C o n R o n /2R o n /2R o n /2R o n /2R n R b a 2O P A M P C n U n C o i C o i R o i /2R o i /2R o i /2R o i /2R i R b a 1

O P A M P

C i

U i *U i

U c V D 2

V D 1V D 3V D 4励磁

M O T O R D C +-V T 2

V T 1U g 1

V T 3

U g 3

V T 4

U g 4

U g 2

M V D 5V D 7V D 9

V D 8

V D 10V D 6

A B C

R 0

S 1

R b V T b

C T G

M O T O R D C

R P 2

传感器

R P 1

-15V +15V

34567

891011

121314

1516U c 1

S G 3524

R t

R 1

R a

R 15V

C a O P A M P

C t

12345678

91011121314U 4

I R 2110

C 41u F

C 31u F

R 35.1

R 4

5.1D 1115V

15V C 61u F

15V 1

2345678

91011121314U 4I R 2110C 41u F C 3

1u F R 15.1

R 25.1

D 1115V

15V

C 61u F

15V 1u F 20K 20K 20K 20K 1u F 100K

750K

0.1u F

20K 20K 20K

20K 60K 0.5u F

100k 0.2u F 0.2u F

T e x t

10K

0.22u F

0.22u F 250K

470u F

转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计(课程设计完整版)

湖南科技大学信息与电气工程学院《课程设计报告》题目：转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计专业：电气工程及其自动化班级：姓名：学号：指导教师：

任务书题目转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计时间安排 2013年下学期17,18周目的：应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。应用计算机仿真技术，通过在MATLAB 软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL 进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。要求：电动机能够实现可逆运行。要求静态无静差。动态过渡过程时间s T s 1.0≤，电流超调量%5%≤i σ，空载起动到额定转速时的转速超调量%30%≤n σ。总体方案实现：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。指导教师评语：评分等级：（）指导教师签名：

直流PWMM可逆调速系统的设计与仿真

基础课程设计（论文）直流PWM-M可逆调速系统的设计与仿真专业：电气工程及其自动化指导教师：刘雨楠小组成员：陈慧婷（20114073166）石文强（20114073113）刘志鹏（20114073134）张华国（20114073151）信息技术学院电气工程系 2014年10月20日

摘要当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。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、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。关键词：直流可逆调速数字触发PWM 数字控制器

H桥可逆直流调速系统设计与实验(1)

燕山大学 CDIO课程项目研究报告项目名称： H桥可逆直流调速系统设计与实验学院（系）：电气工程学院年级专业：学号：学生：指导教师：日期： 2014年6月3日

目录前言 (1) 摘要 (2) 第一章调速系统总体方案设计 (3) 1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成 (3) 1.2.稳态结构图和静特 (4) 1.2.1各变量的稳态工作点和稳态参数计算 (6) 1.3双闭环脉宽调速系统的动态性能 (7) 1.3.1动态数学模型 (7) 1.3.2起动过程分析 (7) 1.3.3 动态性能和两个调节器的作用 (8) 第二章 H桥可逆直流调速电源及保护系统设计 (11) 第三章调节器的选型及参数设计 (13) 3.1电流环的设计 (13) 3.2速度环的设计 (15) 第四章Matlab/Simulink仿真 (17) 第五章实物制作 (20) 第六章性能测试 (22) 6.1 SG3525性能测试 (22) 6.2 开环系统调试 (23) 总结 (26) 参考文献 (26)

前言随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。项目预期成果：设计一个双闭环可逆直流调速系统，实现电流超调量小于等于5%；转速超调量小于等于5%；过渡过程时间小于等于0.1s的无静差调速系统。项目分工：参数计算：仿真：电路设计：电路焊接： PPT答辩：摘要

逻辑无环流直流可逆调速系统设计

；课程设计任务书学生姓名：苌城专业班级：自动化0706 指导教师：饶浩彬工作单位：自动化学院题目: 逻辑无环流直流可逆调速系统设计初始条件： 1．技术数据：晶闸管整流装置：R rec=Ω，K s=40。 / 负载电机额定数据：P N=，U N=230V，I N=37A，n N=1450r/min，R a=Ω，I fn=1.14A， GD2= 系统主电路：T m=，T l= 2．技术指标稳态指标：无静差（静差率s≤2, 调速范围D≥10）动态指标：电流超调量：≤5%，起动到额定转速时的超调量：≤8%，（按退饱和方式计算）要求完成的主要任务: ？ 1．技术要求： (1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 系统静特性良好，无静差（静差率s≤2） (3) 动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s≤1s (4) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 (5) 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施

2．设计内容： ! (1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图 (2) 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等） (3) 动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求 (4) 绘制逻辑无环流直流可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图） (5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书时间安排：课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：（1）：（2）复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的20% （3）根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的40% （4）完成设计和文档整理。约占总时间的40% 指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日】

数字式PWM可逆直流调速系统

一、设计要求： 1、调速范围D=20，静差率S ≤5%。再整个调速范围内要求转速无极、平滑可调； 2、动态性能指标：电流环超调量 δ≤5%：空载启动到额定转速时转速超量δ≤10% 直流电动机的参数：直流电动机型号（KW ） Z2—32 额定容量（KW ） 2.2 额定电压（V ） 220 额定电流（A ） 12.5 最大电流（A ） 18.75 额定转速（rpm ） 1500 额定励磁（A ） 0.61 GD 2 (kg m 2 ) 0.105 电动机电枢电阻RA （） 1.3 电动机电枢电感la （Mh ） 10 名称数值整流侧内阻Rn （Ω） 0.037 整流变压器漏感Lt （mH ） 0.24 电抗器直流电阻Rh （Ω） 0.024 电抗器电感Lh （mh ） 3.2 2.1控制系统的整体设计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。总体方案简化图如图1所示。 ASR ACR U *n + - U U i U * i + - U c TA V M + U d I d UPE L - M

2.2桥式可逆PWM变换器的工作原理脉宽调制器的作用是：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，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。桥式可逆PWM 变换器电路如图2所示。这是电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。图2 桥式可逆PWM变换器电路

单闭环可逆直流调速系统

运动控制系统课程设计课题：单闭环可逆直流调速系统系别：电气与信息工程学院专业：自动化姓名：学号：成绩：河南城建学院 2015年12月31日

目录一、设计目的 (2) 二、设计任务及要求 (2) 三、总体方案设计 (2) 四、硬件电路设计 (3) 4.1.1 直流调速系统稳态性能分析 (3) 4.1.2静态性能指标 (4) 4.1.3 基于稳态性能指标闭环直流调速系统设计 (5) 4.1.4 直流调速系统动态性能分析 (6) 4.1.5基于动态性能指标及系统动态稳定性反馈控制闭环直流调速系统设计 (9) 4.2、控制系统动、静态数学模型的建立 (10) 4.2.1 双极性控制的桥式可逆PWM变换器的工作原理 (10) 4.2.2桥式可逆PWM变换器 (10) 五、计算机仿真 (13) 六、设计总结 (14) 参考文献 (16)

一、设计目的在电力拖动系统中，调节电压的直流调速系统是应用最为广泛的一种调速方法，除了利用晶闸管获得可控的直流电源外，还可以利用其他可控的电力电子器件，采用脉冲调制的方法，直接将恒定的直流电压调制为极性可变、大小可调的直流电压，用以实现直流电机电枢电压的平滑调节，构成脉宽直流调速系统。本设计采用了PWM 脉宽调制的方法，完成了带转速负反馈的单闭环直流调速系统的设计及实验。本设计重点介绍了单闭环可逆直流调速系统的总体结构、设计原理及参数优化设计方法，提供了通过matlab 仿真进行实验效果预分析和校正处理，得到较为理想结果后进行实际操作和调试的实验思路。二、设计任务及要求本次运动控制课程设计要求自拟控制系统性能指标的要求（调速范围、静差率、超调量、动态速降、调节时间等）设计系统原理图，完成元器件的选择，选择调节器并计算调节器参数，并进行仿真或实验验证系统合理性。为了进行定量的计算，选一组电机参数：功率kw P N 18=，额度电压 v U N 220=，额定电流A I N 94=,额定转速min /1000r n N =，电枢电阻Ω=15.0a R ，主电路总电阻Ω=45.0R ，40=s k 。最大给定电压V U nm 15*=，整定电流反馈电压 V U im 10=.要求系统调速范围20=D ,静差率%10≤,N dbt I I 5.1=,N dcr I I 1.1=。三、总体方案设计为了提高直流系统的动静态性能指标，通常采用单闭环控制系统。对调速系统的要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速系统指标要求高的采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈、电流反馈、电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环运用较多。在本设计中，转速单闭环实验是将反应转速变化的

直流电动机可逆调速系统设计 (1)

摘要本次课程设计直流电机可逆调速系统利用的是双闭环调速系统，因其具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及系统中一些参数的计算。关键词：双闭环，可逆调速，参数计算，调速器。

目录 1. 设计概述 (1) 1.1 设计意义及要求 (1) 1.2 方案分析 (1) 1.2.1 可逆调速方案 (1) 1.2.2 控制方案的选择 (2) 2.系统组成及原理 (4) 3.1设计主电路图 (7) 3.2系统主电路设计 (8) 3.3 保护电路设计 (8) 3.3.1 过电压保护设计 (8) 3.3.2 过电流保护设计 (9) 3.4 转速、电流调节器的设计 (9) 3.4.1电流调节器 (10) 3.4.2 转速调节器 (10) 3.5 检测电路设计 (11) 3.5.1 电流检测电路 (11) 3.5.2 转速检测电路 (11) 3.6 触发电路设计 (12) 4. 主要参数计算 (14) 4.1 变压器参数计算 (14) 4.2 电抗器参数计算 (14) 4.3 晶闸管参数 (14) 5设计心得 (15) 6参考文献 (16)

直流电动机可逆调速系统设计 1.设计概述 1.1设计意义及要求直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。本次设计最终的要求是能够是电机工作在电动和制动状态，并且能够对电机进行调速，通过一定的设计，对整个电路的各个器件参数进行一定的计算，由此得到各个器件的性质特性。 1.2 方案分析 1.2.1 可逆调速方案使电机能够四象限运行的方法有很多，可以改变直流电机电枢两端电压的方向，可以改变直流电机励磁电流的方向等等，即电枢电压反接法和电枢励磁反接法。电枢励磁反接方法需要的晶闸管功率小，适用于被控电机容量很小的情况，励磁电路中需要串接很大的电感，调速时，电机响应速度较慢，且需要设计很复杂的电路，故在设计中不采用这种方式。电枢电压反接法可以应用在电机容量很的情况下，且控制电路相对简单，电枢反接反向过程很快，在实际应用中常常采用，本设计中采用该方法。电枢电压反接电路可以采用两组晶闸管反并联的方式，两组晶闸管分别由不同的驱动电路驱动，可以做到互不干扰。图1-1 两组晶闸管反并联示意图

课程设计：直流PWM-M可逆调速系统的设计与仿真

直流PWM-M可逆调速系统的设计与仿真摘要当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。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、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM 调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。关键词：PWM调速、直流电动机、双闭环调速

目录前言 (1) 第1章直流PWM-M调速系统 (2) 第2章UPE环节的电路波形分析 (4) 第3章电流调节器的设计 (6) 3.1 电流环结构框图的化简 (6) 3.2 电流调节器参数计算 (7) 3.3 参数校验 (8) 3.3.1 检查对电源电压的抗扰性能： (8) 3.3.2 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 (9) 3.3.3 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 (9) 3.3.4 电流环小时间常数近似处理条件 (9) 3.4 计算调节器电阻和电容 (9) 第4章转速调节器的设计 (11) 4.1 电流环的等效闭环传递函数 (11) 4.2 转速环结构的化简和转速调节器结构的选择 (11) 4.3 转速调节器的参数的计算 (14) 4.4 参数校验 (14) 4.4.1 电流环传递函数化简条件 (15) 4.4.2 转速环小时间常数近似处理条件 (15) 4.5 计算调节器电阻和电容 (15) 4.6 调速范围静差率的计算 (16) 第5章系统仿真 (17) 5.1 仿真软件Simulink介绍 (17) 5.2 Simulink仿真步骤 (17) 5.3 双闭环仿真模型 (17) 5.4 双闭环系统仿真波形图 (18) 结论 (19) 参考文献 (20)

可逆直流调速系统

摘要：根据整流装置的不同，直流可逆调速系统可分为V-M可逆调速系统和PWM 可逆调速系统。讨论了晶闸管直流调速系统可逆运行方案，介绍了有环流控制的可逆V-M系统和无环流控制的可逆V-M系统。除了由晶闸管组成的相控直流电源外，直流电机还可以采用全控器件（IGBT，MOSFET，GTR等）组成的PWM变换器提供直流电源，其特点是开关频率明显高于可控硅，因而由PWM组成的直流调速系统有较高的动态性能和较宽的调速范围。PWM变换器把恒定的直流电源变为大小和极性均可调直流电源，从而可以方便的实现直流电机的平滑调速，以及正反转运行。由全控器件构成的PWM变换器，由于开关特性，因此其电枢的电压和电流都是脉动的，其转速和转矩必然也是脉动的。关键词：可逆直流调速，PWM变换器，环流。

目录 1.晶闸管直流调速系统可逆运行 (3) 1.1可逆直流调速系统分类 (4) 1.2晶闸管-电动机系统的回馈制动 (6) 2.有环流的可逆调速系统 (8)

2.1可逆系统中的环流 (8) 2.2直流平均环流与配合控制 (9) 2.3瞬时脉动环流及其抑制 (10) 2.4直流可调速系统的制动过程分析 (11) 2.5可控环流可逆调速系统 (13) 3.无环流可逆调速系统 (13) 3.1逻辑控制无环流调速系统 (14) 4.可逆直流脉宽调速系统（PWM可逆系统） (15) 4.1可逆PWM变换器的工作原理 (15) 5.总结 (17) 1.晶闸管直流调速系统可逆运行有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起

动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向，这本来是很简单的事。然而当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，问题就变得复杂起来了，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。中、小功率的可逆直流调速系统多采用由电力电子功率开关器件组成的桥式可逆PWM 变换器。功率较大的直流调速系统多采用V-M 电源，由于晶闸管的不可控关断特性，其可逆调速系统相对较为复杂。 1.1 可逆直流调速系统分类在没有外力作用下，要改变直流电机的旋转方向，根据直流电机转矩表达式Te =CMΦIa可知，改变励磁磁通Φ或改变电枢电流Ia均可改变电机转矩方向，从而达到改变转向的目的。与此相应得直流电机可逆调速实现方式有：1、改变电枢电流，通过改变电枢电流的方向，也可改变电磁转矩的方向。2、改变励磁电流，通过改变励磁电流方向，从而改变电磁转矩的方向。图1-１两组晶闸管装置反并联可逆线路改变电枢电流可逆线路：电枢反接的可逆线路形式是多种多样的，不同的生产机械可以根据各自的要求去选择。图1.1 是一种最简单的桥式晶闸管可逆线路，该线路中，需要一组晶闸管整流装置，还需要四个晶闸管组成的桥式电路，

逻辑无环流可逆直流调速系统的设计

运动控制系统课程设计说明书题目：逻辑无环流可逆直流调速系统的设计专业班级：xxxxxxxxxxxx 学号：xxxxxxxxxxxx 姓名：xxxxxxx 指导教师：xxxxxxxxxxxxx 成绩： 20xx年x月xx日至x月xx日

逻辑无环流可逆直流调速系统的设计（电流环、转速环调节器及其限幅电路的设计） The Design of Logic Non-loop-current DC SR System SR System--Speed Regulating System （The Design of Current Loop, Speed Loop Regulator and It’s Amplitude Limiter Circuit）学生姓名：xxxx 指导教师xxxxxxxxxxxxxx

课程设计量化评分标准指标分值评分要素得分设计完成情况30 能独立查阅文献资料，提出并较好地论述课题的实施方案；设计方案选择合理，分析、设计正确，原理清楚；独立进行设计工作，按期圆满完成规定的任务，设计结果达到预期效果，有实用价值。报告质量20 报告结构严谨，逻辑严密，论述层次清晰，语言流畅，表达准确，重点突出，报告完全符合规范化要求。工作量、工作态度20 工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。答辩成绩30 思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；分析归纳合理，结论严谨；回答问题有理论根据，基本概念清楚。总评成绩

答辩记录答辩时间：答辩地点：

摘要从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统，位置随动系统，张力控制系统，多电动机同步控制系统等多种类型，而各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。在许多生产机械中，常要求电动机既能正反转，又能快速制动，需要四象限运行的特性，此时必须采用可逆调速系统。本文介绍了逻辑无环流可逆直流调速系统的基本原理及其构成，并对其控制电路进行了计算和设计。运用了一种基于Matlab的Simulink和Power System工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真新方法，实现了转速电流双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统的建模与仿真。本文重点介绍了以芯片TC787为主的晶闸管触发电路，其如何根据DLC发出的指令正确驱动和停止正组反组晶闸管的开闭，以实现无环流系统。关键词：直流调速系统；逻辑无环流控制；触发电路； TC787

H桥可逆直流调速系统设计与实验

燕山大学 CDIO课程项目研究报告项目名称： H桥可逆直流调速系统设计与实验学院（系）：电气工程学院年级专业：学号：学生姓名：指导教师：日期： 2014年6月3日

参考文献 (26)

H桥可逆直流调速系统设计与实验

转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计

《运动控制系统》课程设计转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计专业：**** 年级：**** 学号：*** 姓名：*** 指导老师：***

转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计一、设计目的 1、应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。 2、应用计算机仿真技术，通过在MA TLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 3、在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。二、系统设计参数直流电动机控制系统设计参数：（直流电动机(3) ）输出功率为:5.5Kw 电枢额定电压220V 电枢额定电流30A 额定励磁电流1A 额定励磁电压110V 功率因数0.85 电枢电阻0.2欧姆电枢回路电感100mH 电机机电时间常数1S 电枢允许过载系数 =1.5 额定转速970rpm 直流电动机控制系统设计参数环境条件：电网额定电压:380/220V; 电网电压波动:10%; 环境温度:-40~+40摄氏度; 环境湿度:10~90%. 控制系统性能指标：电流超调量小于等于5%; 空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%; 调速范围D＝20; 静差率小于等于0.03.

1、设计内容和数据资料某直流电动机拖动的机械装置系统。主电动机技术数据为： V U N 220=,A I N 30=，min 970r n N =，电枢回路总电阻Ω=2.0R ，机电时间常数s T m 1=，电动势转速比r V C e min 221.0?=，Ks=40，ms T l 5.0=，Ts=0.0017ms ，电流反馈系数A V 85.0=β，转速反馈系数r V min 5.1?=α，试对该系统进行初步设计。 2、技术指标要求电动机能够实现可逆运行。要求静态无静差。动态过渡过程时间s T s 1.0≤，电流超调量%5%≤i σ，空载起动到额定转速时的转速超调量%30%≤n σ。三、主电路方案和控制系统确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

可逆直流调速系统的研究

1 绪论 1.1 运动控制系统概述运动控制系统是以机械运动的驱动设备——电动机为被控对象，以电力电子功率变换装置为执行机构，以控制器为核心，在自动控制理论指导下组成的电力传动自动控制系统，这类系统将电能转换为机械能，能在控制电动机的转矩、转速和转角的同时实现机械的运动控制。回忆运动控制系统的发展历程，其中交流和直流两大电气传动技术同时存在于各个工业领域中，虽然再每个时期中，科学技术的不断发展使它们所处的地位、所起的作用都会有不同，但是它们始终是随着工业技术的发展，尤其是电力电子和微电子技术的发展，在不断的相互竞争和相互促进中不断地完善并发生着极大的变化。由于在历史上最早被发明出来，最早被利用的是直流电动机，因此在19世纪80年代以前，直流电气传动都是唯一的有效可用的电气传动方式。直到19世纪末，才出现了交流电动机且解决了三相制交流电的输送和分配中遇到的各种问题，并在此基础上制成了经济适用的鼠笼式异步电动机，这样，经过了一段时期的技术变革和进步，交流电气传动在工业中才逐步地得到应用，并广泛的推广开来。随着生产世界电气和各项技术的发展，对电气传动在启制动、调速精度、正反转以及、静态特性、雕塑范围、动态响应等各方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电动机在调速性能和转矩控制性能中的效果要比交流电动机的好，所以从20世纪30年代起，世界就开始又大量的开始使用直流调速系统。它的发展过程是由最早的旋转变流机组控制发展为励磁放大器、放大机控制；再随着科学技术的进步，因为晶闸管的发明，用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速开始广泛的得到应用；再到后来，开始用可控蒸馏和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使得系统的快速性、经济性、可靠性不断提高。调速性能的不断提高和优化，使直流调速系统的应用越来越广泛。直流双闭环调速系统是工业生产过程中应用最广泛的电气传动装置之一。广泛的应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制中。它在以计算机做为工具的仿真系统应用时不仅省钱，而且安全，周期短、见效快。