毕业论文直流脉宽调至系统主电路和稳压电源课程设计.doc
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1、沈阳理工大学课程设计摘 要本文基于PWM的双闭环直流调速系统进行了研究,并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。首先描述了变频器的发展历程,提出了PWM调速方法的优势,指出了未来PWM调速方法的发展前景,点出了研究PWM调速方法的意义。应用于直流电机的调速方式很多,其中以PWM变频调速方式应用最为广泛,而PWM变频器中,H型PWM变频器性能尤为突出,作为本次设计的基础理论,本文将对PWM的理论进行详细论述。在此基础上,本文将做出SG3525单片机控制的H型PWM变频调速系统的整体设计,然后对各个部分分别进行论证,力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。 关键词:直流调速; PWM ;S
2、G3525 ;调节器的设计0目录1 绪论11.1 背景11.2 直流调速系统的方案设计21.2.1 设计已知参数21.2.2 设计指标21.2.3 现行方案的讨论与比较21.2.4 选择PWM控制系统的理由31.2.5 选择IGBT的H桥型主电路的理由31.2.6 采用转速电流双闭环的理由42 直流脉宽调速系统主电路设计42.1 主电路结构设计42.1.1 PWM变换器介绍42.1.2 泵升电路82.2 参数设计82.2.1 IGBT管的参数82.2.2 缓冲电路参数92.2.3 泵升电路参数103 直流脉宽调速系统稳压电源设计103.1直流脉宽原理103.1.1单相半波整流电路103.1.2
3、单相全波整流电路113.1.3单相桥式整流电路113.2 方案的优缺点113.2.1单元电路设计与参数计算114 直流脉宽调速系统控制电路设计124.1 PWM信号发生器124.2 转速、电流双闭环设计1324.2.1 电流调节器设计134.2.2 转速调节器设计135 系统调试145.1 系统结构框图145.2 系统单元调试155.2.1 基本调速155.2.2 转速反馈调节器、电流反馈调节器的整定155.3 实验结果165.3.1 开环机械特性测试165.3.2 闭环系统调试及闭环静特性测定176 总结187 参考文献19附录A20A.1 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定20 A.2
4、 双闭环可逆直流脉宽调速系统性能测试2421 绪论1.1 背景在现代科学技术革命过程中,电气自动化在20世纪的后四十年曾进行了两次重大的技术更新。一次是元器件的更新,即以大功率半导体器件晶闸管取代传统的变流机组,以线形组件运算放大器取代电磁放大器件。后一次技术更新主要是把现代控制理论和计算机技术用于电气工程,控制器由模拟式进入了数字式。在前一次技术更新中,电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方法。而后一次技术更新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变,电气系统的结构和性能亦随之改观。在整个电气自动化系统中,电力拖动及调速系统是其中的核心部分。现代的电力拖动控制系统都是由惯性很小的晶闸管、电力
5、晶体管或其他电力电子器件以及集成电路调节器等组成的。经过合理的简化处理,整个系统一般都可以用低阶近似。而以运算放大器为核心的有源校正网络(调节器),和由 R、C等元件构成的无源校正网络相比,又可以实现更为精确的比例、微分、积分控制规律,于是就有可能将各种各样的控制系统简化和近似成少数典型的低阶系统结构。目前,随着大功率电力电子器件的迅速发展,交流变频调速技术已日臻成熟并日渐成为实际应用的主流,但这并不意味着传统的直流调速技术已经完全退出了实际应用的舞台。相反,近几年交流变频调速在控制精度的提高上遇到了瓶颈,于是直流调速的优势就显现了出来。直流调速仍然是目前最可靠,精度最高的调速方法。譬如在对控
6、制精度有较高要求的造纸,转台,轮机定位等系统中仍离不开直流调速装置,因此加强对直流调速系统的研究还是很有必要的。1.2 直流调速系统的方案设计1.2.1 设计已知参数1、拖动设备:直流电动机: ,过载倍数。2、负载:直流发电机: 3、机组:转动惯量1.2.2 设计指标1、D,稳态时无静差。2、稳态转速n=1500r/min, 负载电流0.8A。3、电流超调量,空载起动到稳态转速时的转速超调量。1.2.3 现行方案的讨论与比较直流电动机的调速方法有三种:调节电枢供电电压U、改变电动机主磁通、改变电枢回路电阻R。改变电阻调速缺点很多,目前很少采用,仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低
7、速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大,往往是和调压调速配合使用,在额定转速以上作小范围的升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法,调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源,常用的可控直流电源有三种:旋转变流机组、静止可控整流器、直流斩波器或脉宽调制变换器。由于旋转变流机组缺点太多,采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组,形成所谓的离子拖动系统。离子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点,而且缩短了响应时间。目前,采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统已经成为直流调速系统的主要形式。
8、由于以上种种原因,所以选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。1.2.4 选择PWM控制系统的理由SG3525是一种性能优良,功能全,通用性强的单片集成PWM控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活,大大简化了脉宽调制器的设计及调试,故获得广泛使用。PWM系统在很多方面具有较大的优越性 :1) PWM调速系统主电路线路简单,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,稳速精度高,调速范围广,可达到1:10000左右。4) 如果可以与快速响应的电动机配合,则系统频带宽,动态响应快。变频调速很快为广大电动机用户所接受,成为了一种最受欢
9、迎的调速方法,在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见,变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中,PWM调速方式尤为大家所重视,这是我们选取它作为研究对象的重要原因。1.2.5 选择IGBT的H桥型主电路的理由IGBT的优点:1)IGBT的开关速度高,开关损耗小。2)在相同电压和电流定额的情况下,IGBT的安全工作区比GTR大,而且具有耐脉冲电流冲击的能力。3)IGBT的通态压降比VDMOSFET低,特别是在电流较大的区域。4)IGBT的输入阻抗高,其输入特性与电力MOSFET类似。5)与电力MOSFET和GTR相比,IGBT的耐压和通流能力还可
10、以进一步提高,同时可保持开关频率高的特点。在众多PWM变换器实现方法中,又以H型PWM变换器更为多见。这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。本次设计以H型PWM直流控制器为主要研究对象。1.2.6 采用转速电流双闭环的理由同开环控制系统相比,它具有抑制干扰的能力,对元件特性变化不敏感,并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。单闭环速度反馈调速系统,采用PI控制器时,可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高,如果要求快速起制动,突加负载动态速降小等,单闭环系统就难以满足要求。在要求较高的调速系统中,一般有两个基本要求
11、:一是能够快速启动制动;二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现,如果要求快速起动,必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩,即最大的恒定允许电枢电流,当电枢电流保持最大允许值时,电动机以恒加速度升速至给定转速,然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰,必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制,所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量,组成转速、电流双闭环调速系统。2 直流脉宽调速系统主电路设计2.1 主电路结构设计2.1.1 PWM变换器介绍脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器,简称PWM变换器。PWM变换器有不可逆和可逆两类,下面对本课设
12、用到的可逆做一下简单的介绍和分析。可逆PWM变换器主电路的结构形式有T型和H型两种,其基本电路如图2.1所示,图中(a)为T型PWM变换器电路,(b)为H型PWM变换器电路。图2.1 可逆PWM变换器电路(a)T型 (b)H型T型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成,所用元件少,线路简单,构成系统时便于引出反馈,适用于作为电压低于50V的电动机的可控电压源;但是T型电路需要正负对称的双极性直流电源,电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压,在相同的直流电源电压下,其输出电压的幅值为H型电路的一半。H型电路是实际上广泛应用的可逆PWM变换器电路,它由四个可控电力电子器件和四个续流二
13、极管组成的桥式电路。双极式可逆PWM变换器的主电路如图2.1(b)所示。四个电力晶体管分为两组,VT1和VT4为一组,VT2和VT3为一组。同一组中两个电力晶体管的基极驱动电压波形相同,即Ub1=Ub4,VT1和VT4同时导通和关断;Ub2=Ub3,VT2和VT3同时导通和关断。而且Ub1,Ub4和Ub2,Ub3相位相反,在一个开关周期内VT1,VT4和VT2,VT3两组晶体管交替地导通和关断,变换器输出电压UAB在一个周期内有正负极性变化。由于电压极性的变化,使得电枢回路电流的变化存在两种情况,其电压、电流波形如图2.2所示。(a) 电动机负载较重时 (b)电动机负载较轻时图2.2 双极式P
14、WM变换器电压和电流波形如果电动机的负载较重,平均负载电流较大, VT1和VT4饱和导通;而和为负,VT2和VT3截止。这时,加在电枢AB两端,电枢电流沿回路流通(见图2.2(b),电动机处于电动状态。在时,和为负,VT1和VT4截止;和为正,在电枢电感释放储能的作用下,电枢电流经二极管VD2和VD3续流,在VD2和VD3上的正向压降使VT2和VT3的c-e极承受反压而不能导通,电枢电流沿回路2流通,电动机仍处于电动状态。有关参量波形图示于图2.2(a)。如果电动机负载较轻,平均电流小,在续流阶段电流很快衰减到零。于是在时,VT2和VT3的c-e极两端失去反压,并在负的电源电压()和电动机反电
15、动势E的共同作用下导通,电枢电流反向,沿回路3流通,电动机处于反接制动状态。在()时,和变负,VT2和VT3截止,因电枢电感的作用,电流经VD1和VD4续流,使VT1和VT4的c-e极承受反压,虽然和为正,VT1和VT4也不能导通,电流沿回路4流通,电动机工作在制动状态。有关参量的波形示于图2.2双极式可逆PWM变换器与具有制动作用的不可逆PWM变换器的电流波形差不多,主要区别在于电压波形;前者,无论负载是轻还是重,加在电动机电枢两端的电压都在和之间变换;后者的电压只在和0之间变换。这里并未反映出“可逆”的作用。实现电动机制可逆运行,由正、负驱动电压的脉冲宽窄而定。如果正、负脉冲宽度相等,平均
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