PWM直流双闭环调速系统设计

1 设计分析

1.1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。

图1 双闭环调速系统的结构图

1.2 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。

Id n Id n Idm Idm Idcr n n IdL IdL O (a)

t O (b)

t (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

1.3 H桥双极式逆变器的工作原理

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。

H形双极式逆变器电路如图3所示。这时电动机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。

图3 H形双极式逆变器电路 双极式逆变器的四个驱动电压波形如图4所示。

Ug1Ug4tOtonUg3TUg2tOUABUstOtonT-Usidid1id2tO

图4 H形双极式逆变器的驱动电压波形

他们的关系是：Ug1?Ug4??Ug2??Ug3。在一个开关周期内，当0?t?ton时，晶体管VT1、VT4饱和导通而VT3、VT2截止，这时UAB?Us。当ton?t?T时，

VT1、VT4截止，但VT3、VT2不能立即导通，电枢电流id经VD2、VD3续流，这时

UAB??Us。UAB在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电

压、电流波形如图2所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。

T当正脉冲较宽时，ton?，则UAB的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，

2T则反转；如果正负脉冲相等，ton?，平均输出电压为零，则电动机停止。

2双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为

Ud?如果定义占空比??tonT?ton?2ton?Us????1?Us TT?T?tonU，电压系数??d TUs则在双极式可逆变换器中

??2??1

调速时，?的可调范围为0～1相应的???1~?1。当??动机正转；当??1时，?为正，电211时，?为负，电动机反转；当??时，??0，电动机停止。22但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区。 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。

1.4 PWM调速系统的静特性

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，电压平衡方程如下

Us?Rid?Ldid?E (0?t?ton). dtdid?E (ton?t?T) dtUs?Rid?L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Ud??Us，平均电流用Id表示，平均转速n?E/Ce，而电

枢电感压降Ldid的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成 dt?Us?RId?E?RId?Cen

则机械特性方程式

n?2 电路设计

?UsCe?RRId?n0?Id CeCeH桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图5所示。PWM逆变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C0滤波，以获得恒定的直流电压Us。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，这时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Rz消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VTz。

图5 H桥式直流脉宽调速系统主电路

四单元IGBT模块型号：20MT120UF 生产厂家：IR公司 主要参数如下：

*UCER=1200V Ic=16A TCN=100?C PCM?0.9kW UCE(sat)?3.05V

2.1给定基准电源

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6所示：

图6 给定基准电源电路