文档介绍：双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计
摘要:
直流电机由于具有速度控制容易,启、制动性能良好,且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工业等工业部门中得到广泛应用。直流时机转速的控制方法可以分为两类,即励磁控制法与电枢电压控制法。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、方法简单等特点,一直在传动领域占有统治地位。
本文对双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究,从直流调整系统原理出发,逐步建立了闭环直流PWM调整系统的模型。

双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计
设计分析
双闭环调整系统的传动系统结构图:
直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称,与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管变流装置,作为系统的功率驱动器,系统构成原理图如下所示:
直流PWM传动系统结构图
其中属于脉宽调制调速系统主要由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管基极的驱动器GD和脉宽调制(PWM)变换器组成。最关键的部件为脉宽调制器。
模拟式脉宽调制器本质为电压-脉冲变换装置,它是由一个运算放大器和几个输入信号构成电压比较器。去处放大器工作在开环状态,在电流调节器的输出控制信号Uс的控制下,产生一个等幅、宽度受Uс控制的方波脉冲序列,为PWM变频器提供所需的脉冲信号。脉宽调制器按所加输入端调制信号不同,可分为锯齿波脉宽、三角波脉宽调制器。目前就用较多脉宽调制信号由数字方法来产生,如专用集成PWM控制电路及单片微机所构成的脉宽调制器。
双闭环调速系统的结构图
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。
双闭环调速系统的结构图
调速系统起动过程的电流和转速波形
如图2所示,这时,启动电流成方波形,而转速是线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
IdL
n
t
Id
O
Idm
IdL
n
t
Id
O
Idm
Idcr
n
n
(a)
(b)

(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程
(b)理想快速起动过程
图2 调速系统起动过程的电流和转速波形
H桥式可逆PWM变换器的工作原理:
PWM控制的示意图如图3所示:可控开关S以一定的时间间隔重复地接通和断开,当S接通时,供电电源Us通过开关S施加到电动机两端,电源向电机提供能量,电动机储能:当开关S断开时,中断了供电电源Us向电动机电流继续流通。
图3:PWM控制示意图
这样,电动机得到的电压平均值Uas为:
Uas=ton·Us/T=aUs
在系统主电路部分,采用的是大功率GTR为开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构,如图4所示。图中,四只GTR分为两组,VT1和VT4为一组,VT2和VT3为另一组。同一组中的两只GTR同时导通,同时关断,且两组晶体管之间可以是交替的导通和关断。
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。
图4:H桥式可逆PWM变换器
正向运行(如图a)所示:
第1阶段,在0≤t≤ton期间,Ub1、Ub4为正,VT1、VT4导通,Ub2、Ub3为负,VT2、VT3截止,电流id沿回路1流通,电动机M两端电压UAB=+Us;
第2阶段,在ton≤t≤T期间,Ub1、Ub4为负,VT1、VT4截止,VD2、VD3续流,并使VT2、VT3保持截止,电流id沿回路2流通,电动机M两端电压UAB=-Us;
反向运行(如图b)所示:
第1阶段,在0≤t≤ton期间,Ub2、Ub3为负,VT2、VT3截止,VD1、VD4续流,并使VT1、VT4截止,电流-id沿回路4流通,电动机M两端电压UAB=+Us;
第2阶段,在ton≤t≤T期间,Ub2、Ub3为正,VT2、VT3导通,Ub1、Ub4为负,使VT1、VT4保持截止,电流-id沿回路3流通,电动机M两端电压UAB=-Us。
双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点:
(1)电流一定连续;(2)可使电机在四象运行;(3)电机停止时有微振电流,能消除静摩擦死区;(4)低速平稳性好,系统的调速范围可达1:20000左右;(5)低速时,每个开关器