T型双极式PWM直流调速系统设计(2)

武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

由?ci?KI?555.56s?1 1)要求 ?ci?13TPWM, 现

13TPWM?1s?1?833.3s?1??ci

3?0.00042)要求 ?ci?3111?3s?1?94.9s?1??ci , 现3TmTlTmTl0.2?0.0053)要求 ?ci?111111, 现?s?1?745.4s?1??ci

3TPWMToi3TPWMToi30.0004?0.0005可见均满足要求

2.3 转速调节器的设计

2.3.1 确定时间常数

1) 电流环等效时间常数为2T?i?0.0018s 2) 取转速滤波时间常数Ton?0.005s 3) T?n?2T?i?Ton?0.0068s

2.3.2转速环结构图的简化

为了分析方便，用电流环的等效环节代替电流环。把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/?，再把时间常数为 2T?i和 Ton 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中

T?n?2T?i?Ton

电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图2.2.2可知：

KIs(T?is?1)I(s)1Wcli(s)?*d??

KT1Ui(s)/?1?I?i2s?s?1s(T?is?1)KIKI忽略高次项，上式可降阶近似为

Wcli(s)?11s?1KI

根据转速环截止频率，降阶近似条件为：

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?cn?1KI

3T?i由于电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为：

1Id(s)Wcli(s)??? *1Ui(s)?s?1KI这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。

则转速环最终简化的结构图为图2.3.2所示： U*n(s) IdL (s) + U*n(s) ? ? /? Id (s) - ASR T?ns+1 - + R CeTms n (s) 图2.3.2 转速环简化结构框图

2.3.3 转速调节器结构的选择

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 Ⅱ 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。 由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：

WASR(s)?Kn(?ns?1)

?ns这样，调速系统的开环传递函数为：

Wn(s)?Kn(?ns?1)Kn?R(?ns?1)?? 2?nsCeTms(T?ns?1)?n?CeTms(T?ns?1)?R?转速环开环增益为：

KN?

Kn?R

?n?CeTm6

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按调节器的工程设计方法

取h=5 , 则?n?h?n?5?0.0068s?0.034s

KN?h?16?2?2 ?s?2595s2222hT?n2?25?0.0068则 Kn?(h?1)?CeTn6?1.33?0.18?0.2??10.56 10?0.05?8?0.00682h?RT?n2.3.4 转速调节器的实现

含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器原理图如图2.3.4.1。根据运算放大器的电路原理，则电阻和电容值计算公式为：

图2.3.4.1 含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器

计算ASR电阻和电容：

取 R0?40k?, 则Ri?KiR0?10.56?40k??422.4k?, 取Rn?430k?. Cn??nRn?0.034?106?F?0.08?F, 取0.1?F 3430?10 C0n?4Ton4?0.0056??10?F?0.05?F, 取0.047?F 3R040?10实际设计转速调节器的时候常常需要考虑其输出限幅值的问题 则得到实际设计的转速调节器原理图如图2.3.4.2：

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+15V( 给定 )Rn+15VRA1UnRo/2Ro/2Con10kΩLM324-15VRo/2RSRo/2ConRbalD21N4007U1C8149RlimD11N4007CnRP110kΩUiRP210kΩSpeed( ASR )图2.3.4.2 转速调节器原理图

-15V 2.3.5校验近似条件

由?cn?KN?n?2595?0.034s?1?88.23s?1

1)要求 ?cn?111, 现?s?1?222.2s?1??cn 5T?i5T?i5?0.00092)要求?cn?111111?s?1?111.1s?1??cn , 现

32T?iTon32T?iTon32?0.0009?0.0005可见均满足要求.

2.3.6校验转速超调量

?n00?T?n?Cnom?n ?2(??z)nom??CbTmn?Cnom?81.200, CbInomR3.7?8??164.4r/min， Ce0.1800当h=5时,

而?nnom?因此 ?n?81.200?2?7.5164.40.0068???9.200?1000 3.72000.2可见转速超调量满足要求.

2.3.7校验过渡过程时间

空载起动到额定转速得过渡过程时间 ts?t2?tv?t2?可见能满足设计要求

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CeTmnnom0.18?0.2?200?s?012s?0.15s

R?Inom8?2.03?3.7武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

3 脉宽调制器PWM电路的设计

在双闭环调速系统中，电力电子变换器UPE是最终控制直流电机的输入电压的装置。在此电路中可分为三个部分，分别由脉宽调制器、驱动控制电路和桥式可逆PWM变换器组成。

3.1 PWM控制器电路

3.1.1 脉宽调制器选型

脉宽调制器可有很多的选型，在本系统的设计中采用LM3524DM集成芯片作为PWM控制电路的核心。LM3524DM集成电路除了能应用于单端脉宽型开关电流中作控制器外，还能作为推挽、半桥、全桥等开关电源的控制器。

他们的内部包含有基准电压源VREF，振荡器OSC、比较器C，误差放大器EA、限流保护器CL、触发器FF、输出关断电路和两只输出开关晶体管Q1、Q2等。能保证+2%的基准电压误差，保证+6%的振荡频率误差，保证10mV/1000h的长期稳定性。

LM3524DM提供了两个输出晶体管，分别有两个发射极和集电极可供使用，在我们的PWM调速系统中，控制器是单端脉宽型，则需把两个输出晶体管并联起来使用。

3.1.2 PWM脉冲的输出频率

LM3524DM内部振荡器电路决定其工作的频率，振荡器的波形是1～3.5V的斜面，工作频率是由从6脚到接地端的定时电阻RT 和从7脚到接地端的电容器CT 决定，即是：

fOSC?1 RTCT根据IGBT的工作频率特性，我们选择10KHz的工作频率。则选择RT =10kΩ，CT＝0.01μF。

3.1.3 保护措施

此芯片精密的基准电压源为PWM脉冲的稳定工作提供了保证，不仅如此，它还有电流限制等措施确保工作的稳定性。

当下4脚和5脚之间的电压超过200mV时使电流限制起作用，电流限制放大器的输出端总是从集成电路内部与误差放大器一起使脉冲宽度缩小。电流限制系统的增益相对要低一些，所以控制电流限定范围约为典型值的5%。限定电流限制放大器的共模范围，以防快速的尖峰干扰超出这个范围破坏正常工作。

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