直流转速闭环脉宽PWM 调速系统设计

直流转速闭环脉宽PWM 调速系统设计

第一章 绪论 第二章 设计与计算

2.1 方案选定

设计一个系统一般要经历“方案选定”、“参数计算”、“仿真调试”、“硬件设计”“投入运行”等步骤才能算是成功。本文设计的题目是：直流转速闭环脉宽PWM调速系统的设计，直流转速闭环调速系统的结构图如图2.1.1和2.1.2所示，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。

图2.1.1 直流转速闭环调速系统静态结构图

图2.1.2 直流转速闭环调速系统动态结构图

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2.2 系统原理图

主电路采用6个二极管组成整流器，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；速度调节器ASR采用PI调节器。直流电机采用：240V， 37.5Kw， 1750 r/min ，电枢电阻Ra＝0.1113Ω 电机过载倍数λ＝1.5. 主电路采用三相全控桥，进线交流电源：三相 380V。主电路与PWM控制器连接构成系统图，如图2.2.

图2.2 直流转速闭环系统控制原理图

2.3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2.3所示。这是电动机M两端电压UAB的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。

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UsVT1Ug1VD1VD3VT3Ug3MGMOTOR DCVT2Ug2VD2VD4VT4Ug4

图2.3 桥式可逆PWM变换器电路

双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点： 1）电流一定连续。

2）可使电动机在四象限运行。

3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。

4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。

2.4 ASR计算设计

初始条件：

1.直流电机参数：240V， 37.5Kw， 1750 r/min ，电枢电阻Ra＝0.1113Ω 电机过载倍数λ＝1.5.

2.主电路采用三相全控桥，进线交流电源：三相 380V。

WASR(s)Knns1nsASR选用PI调节器，其传递函数为 基本参数计算： ①直流电机额定电流IN

PUNN37.5102403156.25A

②直流电机在额定磁通下的电动势系数CeU③电流反馈系数Uim*NNnIRnNNa0.127V/rpm

Idm=0.0427

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10V 3

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④转速反馈系数Uim*n0.0057

11000N⑤电力电子变换器平均失控时间Ts⑥机电时间常数Tm0.001S

23TP0.04

LR0.0015580.11130.014⑦电枢回路电磁时间常数Tl⑧电流滤波时间常数Toi

0.002S

⑨电流环小时间常数之和TiTsToi0.003S ⑩电流超调量KITi0.5

⑾转速环小时间常数之和Tn⑿取h=5，则

2TiTon0.016

ASR的超前时间常数nhTn0.08s ASR的比例系数Kn转速环开环增益K(h1)CT2hRTenm48.08

Nh12hTASR22n468.75

则ASR的传递函数为 WknKsnn48.08601s

第三章 matlab仿真 第四章 硬件设计

4.1主电路设计

主电路采用6个二极管组成整流器，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；速度调节器ASR采用PI调节器。直流电机采用：240V， 37.5Kw， 1750 r/min ，电枢电阻Ra＝0.1113Ω 电机过载倍数λ＝1.5. 主电路采用三相全控桥，进线交流电源：三相 380V。 第 1 页

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图4.1 主电路设计图

4.2 转速调节器

转速反馈电路如图4.2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Ton0.012s。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。

RnUn*R0/2R0/2Ui*ConR0/2R0/2RbalConCn-Un 图4.2 转速反馈电路

4.3 PWM信号产生电路

PWM生成电路如图4.3.1所示，SG3524生成的PWM信号经过一个非门转为两路相

C1、C2进行反的PWM信号，为了确保上下两桥臂不会直通发生事故，中间加入电容第 1 页

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逻辑延时，后面再加上非门和与门构成的电路。

Vss误差输入IN-IN+R4R5&C2&C3R6PWM2PWM1RTVrefR3CTOSCC1SG3524

图4.3.1 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，选择适当的率为10kHz，可以选择

Rt12kRt、

Ct值即可确定振荡频率。由初始条件知开关频

。

，

Ct0.01uF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SG3524构成的基本电路如图4.3.2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。12、13引脚通过电阻与+15V电压源相连，供内部晶体管工作，由电流调节器输出的控制电压作为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。

+15V16153R212131114Uc1Uc21Uc2R1SG352496784510RtC1Ct

图4.3.2 SG4532管脚构成的电路图

第 1 页 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

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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。

4.4IGBT选型

富士IGBT

4.5 IGBT驱动电路

IGBT驱动采用了集成芯片IR2110，IR2110采用14端DIP封装，引出端排列如图4.4.1所示。

NCVDDHINSDLINVSSNCHOUBUsNcVccCOMLO

图4.4 .1 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； 第 1 页 脚5（Us）是高端浮置电源偏移电压；

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脚6(UB)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4.4.2所示。IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS工艺制作，具有独立的高端和低端输出通道；逻辑输入与标准的CMOS输出兼容；浮置电源采用自举电路，其工作电压可达500V，du/dt=±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为120ns，关断延时为94ns。IR2110的脚10可以承受2A的反向电流。

PWM1PWM2PWM1PWM2IR2110SDLINHINCOMLOVsHOVbR10C4IR2110VssVssLINSDCOMVbHOVsLOC5HINVD10VD11R9R11R12Ug2Ug1Ug3Ug4

图4.4.2 IGBT驱动电路

4.5转速检测电路

转速检测电路如图4.5。与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压U*n相比较后，得到转速偏差电压Un输送

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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，测速电路如图12所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。

TGMOTOR DC+UnRPn 图4.5 转速检测电路

第五章 心得体会

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次点击拖动－运动控制系统课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到计算在到成型，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说IGBT不懂怎么选型，不懂分得二极管的正负极，对控制系统设计步骤掌握得不好„„通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师和同学的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在王健平老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

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参考文献

（1）阮毅 陈伯时 电力拖动控制系统－运动控制系统 机械工业出版社 2009.8 （2）王兆安 刘进军 电力电子技术 机械工业出版社 2009.5

（3）孙立志.PWM与数字化电动机控制技术应用.北京.中国电力出版社，2008.

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