数字PWM(双极式)直流调速系统

数字PWM（双极式）直流调速系统

目 录

1 直流调速系统的介绍 ..................................... 1

1.1 引言 ................................................. 1

1.2 PWM直流调速系统 .................................... 1

1.3 PWM控制和双极式的实现 ............................. 2

1.4 系统优化 ............................................. 2

2 系统分析与设计 .......................................... 3

2.1设计内容及指标 ...................................... 3

2.2 系统分析 ............................................. 3

2.3 电流调节器设计 ...................................... 5

2.3.1 确定时间常数 ....................................... 5

2.3.2 选择电流调节器结构 ................................. 5

2.3.3 计算电流调节器参数 ................................. 6

2.3.4 电流调节器的实现 ................................... 6

2.3.5 检验近似条件 ....................................... 7

2.4 转速调节器设计 ...................................... 8

2.4.1 确定时间常数 ....................................... 8

2.4.2 选择转速调节器结构 ................................. 8

2.4.3 计算转速调节器参数 ................................. 8 数字PWM（双极式）直流调速系统设计

2.4.4 转速调节器的实现 ................................... 9

2.4.5 检验近似条件 ....................................... 9

2.4.6 检验转速超调量 .................................... 10

2.5 系统原理图 ......................................... 10

3 数字化调速系统 ......................................... 11

3.1 数字化调速系统的优点 .............................. 11

3.2 模拟量的数字化 ..................................... 11

3.2.1 模拟信号的采样 .................................... 11

3.2.2 转速检测数字化 .................................... 12

3.2.3 电流检测数字化 .................................... 14

3.3 A/D转换器的选择 ................................... 14

3.4软件程序流程图 ..................................... 14

3.5硬件连接图 .......................................... 14

4总结 ..................................................... 15

参考文献 .................................................. 16

数字PWM（双极式）直流调速系统设计

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1 直流调速系统的介绍

1.1 引言

近年来，交流调速系统发展很快。虽然高性能的交流调速系统已经逐步取代直流调速系统，然而，直流调速系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在大量应用；而且，从控制规律的角度来看，直流调速系统又是交流调速系统的基础。因此，作为大学毕业生，应该很好地研究学习直流调速系统。

变压调速是直流调速系统的主要调速方法，可以使直流电动机获得很好的调速性能。采用可控晶闸管组成整流器的是晶闸管整流器—电动机调速系统，简称V—M系统。通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器的平均输出直流电压，从而实现直流电动机的平滑调速。

1.2 PWM直流调速系统

尽管V—M系统调速性能优越，但是，由于晶闸管是单向导电的，给电动机的可逆运行带来困难，还有在低速运行时易产生“电力公害”等缺点，自从全控型电力电子器件问世，就产生了以脉冲宽度调制的高频开关控制方式，从而形成了脉宽调制变换器—直流电动机调速系统，简称为直流脉宽调速系统（或者直流PWM调速系统）。与V—M系统相比，直流PWM调速系统具有其他调速方式所不具备的几大特点：

1．直流PWM调速系统主电路线路简单，需用的电力电子器件少 ；

2. 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗及发热都较小；

3．低速性能

的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强；

5．电力电子开关器件好，稳速精度高，调速范围宽； 数字PWM（双极式）直流调速系统设计

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4．若与快速响应工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；

6．当直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高；

由于有上述优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在中小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V—M系统。

1.3 PWM控制和双极式的实现

PWM控制就是采用PWM变换器，控制相应的电子开关状态，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，以根据要求调节电动机的转速。

现代运动系统中，许多都要求可以实现电机正反转，快速制动等机械要求，PWM调速系统的可逆控制比较简单。通过控制全控型电力电子器件的开关状态，改变电动机两端的电压极性，故称为双极式直流PWM调速系统。通过对器件的开关控制，不仅可以改变电动机的平均电压，实现调速要求，而且可以改变电动机的电压极性，实现对电机运行状态的控制。（原理图见附图一）

1.4 系统优化

尽管通过控制器件的开关状态，改变电动机电枢上的平均电压值，能够实现对电机的准确调速和运行状态的可靠控制，但是，因为电网波动及其他包括机械扰动在内的一些因素的存在，单纯的调速控制系统的调速性能并不理想。我们想得到的是调速准确迅速，调速范围宽，静差率低的调速系统。为了很好地实现这一目的，我们可以采用转速、电流反馈控制的直流调速系统。通过引入转速、电流反馈信号，大大提高系统的调速性能，因此得到广泛地应用。 数字PWM（双极式）直流调速系统设计

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2 系统分析与设计

2.1设计内容及指标

主要内容：㈠项目参数：⑴直流电动机相关参数：额定电压110V，额定电流2.9A，额定转速2400r/min，电枢电阻Ra=3.4欧，电枢电感La=60.4mH，转动惯量0.014Kg.m2励磁电压110V，励磁电流0.5A；电枢允许过载系数1.5；⑵运行环境参数：电网额定电压380/220 V，电网电压波动10%，环境温度-400~+500，环境湿度10~90%；⑶控制系统性能指标：电流超调量不大于5%，空载起动到额定转速时的转速超调量不大于20%，调速范围D=20，静差率不大于0.03,系统采用双闭环可逆运行。

2.2 系统分析

根据控制系统性能指标的要求，采用转速、电流反馈的双闭环调速系统，以保证电流超调量不大于5%，空载起动到额定转速时的转速超调量不大于20%，调速范围D=20，静差率不大于0.03。在调速系统中，我们引入转速调节器和电流调节器这两个带限幅作用的PI调节器来分别调节转速和电流。为得到好的控制效果，两个调节器在不同阶段工作。在启动过程中，只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，只有转速负反馈，没有电流负反馈。我们把转速调节器的输出做为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，当调节器不饱和时，调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压∆U在稳态时为零。 数字PWM（双极式）直流调速系统设计

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图1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图

其中，ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机

TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器 Un*—转速给定电压

Un—转速反馈电压

原理图中把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

下面采用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统。设计原则是先内环后外环。步骤是：先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类的典型系统。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。根据设计要求，确定调节器的具体参数。

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2.3 电流调节器设计

2.3.1 确定时间常数

1）整流装置滞后时间常数PWMT，查表可知PWMT=0.0017s。

2）电流滤波时间常数oiT：三相桥式电路每个波头的时间是3.3s，为了基本滤平波头，应有（1-2）oiT=3.33ms，因此取oiT=2ms。

3）电流环小时间常数之和s0037.0oiiTTTPWM。

2.3.2 选择电流调节器结构

图2 电流环简化最终结构图

从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2可以看出，采用 I 型系统就够了。

从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。

上图表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，根据设计要求,00005i,而且+