基于PWM控制的直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真Word格式.doc
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1.3本设计的主要内容…………………………………………………………………..6
第二章直流电机调速系统
2.1直流电机调速系统的概述…………………………………………………………...7
2.1.1旋转变流机组直流电机调速系统………………………………………………7
2.1.2静止式可控整流器调速系统……………………………………………………7
2.1.3直流斩波器或脉宽调速 ………………………………………………………...8
2.2电机基本调速方法…………………………………………………………………...9
2.2.1电枢串电阻调速…………………………………………………………………9
2.2.2弱磁调速…………………………………………………………………………9
2.2.3调压调速………………………………………………………………………..10
2.3转速控制的要求和调速指标……………………………………………………….10
2.4闭环直流调速系统………………………………………………………………….11
2.4.1单闭环直流调速系统…………………………………………………………...11
2.4.2转速电流双闭环调速系统……………………………………………………..14
2.4.2.1双闭环系统的稳态结构图和静特性……………………………………….16
2.4.2.2各变量的稳态工作点和稳态参数计算…………………………………….17
2.4.2.3双闭环直流调速系统的启动过程分析…………………………………….18
2.4.2.4转速和电流两个调节器的作用…………………………………………….20
第三章PWM调制技术与PWM变换器
3.1PWM调制技术 ……………………………………………………………………...21
3.1.1模拟式PWM控制……………………………………………………………...21
3.1.2数字式PWM控制……………………………………………………………...22
3.2PWM变换器…………………………………………………………………………23
3.2.1简单的不可逆PWM变换器…………………………………………………...23
3.2.2制动不可逆PWM变换器……………………………………………………...24
3.2.3H型双极式PWM变换器…………………………………………………….26
第四章PWM直流电动机调速系统的设计
4.1PWM-M直流调速系统的控制电路………………………………………………...28
4.2系统设计方案的选择……………………………………………………………….29
4.2.1主电路供电方案选择…………………………………………………………...29
4.2.2主电路形式的选择……………………………………………………………...30
4.2.3控制电路方案的选择…………………………………………………………...32
4.3直流脉宽调速系统的MATLAB仿真……………………………………………..33
4.3.1引言……………………………………………………………………………..33
4.3.2双闭环控制的脉宽调速系统的仿真模型……………………………………...33
4.3.3系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析…………………………………..36
总结………………………………………………………………………………………..39
参考文献…………………………………………………………………………………..40
第一章引言
1.1直流调速系统简介
调速系统包括直流调速系统和交流调速系统两大类。
由于直流电动机的电压、电流和磁通之间的耦合较弱,使直流电动机具有良好的机械特性,能够在大范围内平滑调速,启动、制动性能良好,故其在20世纪70年代以前一直在高精度、大调速范围的传动领域内占据主导地位。
但随着生产技术的不断发展,直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。
由于换向
从20世纪80年代起,在电气传动自动化领域中出现了一个革命性的变化,这就是交流电动机调速技术取得了突破性进展。
众所供
1.2PWM直流调速的研究背景和发展状况
有许多生产机械要求电动机既能正转,又能反转,而且常常还需要快速地起动和制动,这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性,也就是说,需要可逆的调速系统。
改变电枢电压的极性,或者改变励磁磁通的方向,都能够改变直流电机的旋转方向。
控制技术已居世界先进水平。
但由于造价较高,目前在国内应用局限性较大,在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。
相对而言,PWM直流调速系统主电路线路简单,功率元件少,开关频率高,其控制水平从1000Hz可达到4000Hz,电机电流连续,低速性能好,谐波少,稳态精度高,脉动小,损耗和发热都较小,调速范围宽,调速系统频带宽,快速响应性好,动态抗扰能力强。
直流电机脉冲宽度调制调速系统产生于70年代中期.最早用于不可逆、小功率驱动,例如自动跟
步研究,在调速精度要求较高的场合,对解决传统直流调速系统调速精度低、稳定性差的难题,具有广泛的意义和价值。
1.3本设计的主要内容
本文共分为四章,主要针对直流调速系统的PWM控制进行相关研究。
第一章主要概述了直流电机调速系统的研究背景与发展现状;
第二章介绍了直流电机调速系统的理论基础,简要介绍了调速的原理和结构;
第三章介绍了脉宽调制原理及对目前常用的各种PWM变换器进行了分析;
第四章对基于PWM控制技术的直流电机调速系统进行了设计,并运用计算机软件对其进行了仿真研究;
最后对全文进行了总结。
第二章直流电机调速系统
2.1直流电机调速系统的概述
直流电动机调速系统经历不同的三个阶段:
2.1.1旋转变流机组直流电机调速系统
如图2-1,旋转变流机组直流电动机调速系统(G-M系统)由交流电动机(异步机或同步机)拖动直流发电机G实现变流,由G给需要的直流电动机M供电,调节G的励磁电流即可改变其输出电压U,从而调节电动机的转速n。
这种调速系统在60年代曾广泛使用,但该系统需要旋转变流机组,至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机,还要一台励磁发电机,因此设备多,体积大,费用高,效率低,安装须打地基,运行有噪声,维护不方便。
图2-1旋转变流机组直流电动机调速系统(G-M系统)
2.1.2静止式可控整流器调速系统
自从晶闸管(俗称“可控硅”)问世,到了60年代,已生产出成套的晶闸管整流装置,并应用于直流电动机调速系统,即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(V-M系统)。
如图2-2,VT是晶闸管可控整流器,通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位,即可改变整流电压,从而实现平滑调速。
和旋转变
的散热条件。
另外,由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变,殃及附近的用电设备,因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。
图2-2晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(V-M系统)
2.1.3直流斩波器或脉宽调速
图2-3直流斩波器—电动机系统的原理图和电压波形
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,调速范围宽。
4)若与快速响应的电动机配合,则系统频带宽,动态响应快,动态抗绕能力强。
5)开关器件工作在开关状态,导通损耗小,当开关频率适当时,开关损耗也不大,因而
全取代了V—M系统。
2.2电机基本调速方法
由电机学基本理论可知,直流电动机转速特性方程式为
Φ—励磁磁通(Wb);
—由电机结构决定的电动势常数;
由上式可见,直流电动机调速方案可有以下三种。
2.2.1电枢串电阻调速
图2-4调阻调速特性曲线
如
围窄,不能实现无级平滑调速,只用于一些要求不高的场合。
2.2.2弱磁调速
图2-5磁调速特性曲线
普
也增大。
弱磁调速虽然能实现平滑调速,但其调速范围太小,特性较软,因而只是在额定转速以上作小范围升速时才采用。
2.2.3调压调速
图2-6调压调速特性曲线
如图2-6,额定励磁保持不变,理想空载转速随U减小而减小,各特性线斜率不变,由此可
动系统中被广泛采用。
2.3转速控制的要求和调速指标
对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面:
1)调速
2)备要求加、减速尽量快,以提高生产率;
不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。
为了进行定
(2-2)
2)静差率:
负载由理想空载增加到额定值时,对应的转速降落,与理想空载转速之比,称作静差率,即
(2-3)
一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的。
对于同样硬度的特性,理想空载转速越低时,静差率越大,转速的相对稳定度也就越差。
对于同一个调速系统,
项指标并不是彼此孤立的,必须同时提才有意义,一个调速系统的调速范围,是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。
2.4闭环调速系统
2.4.1单闭环调速系统
根据自动控制原理,反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统,只要被调量出现偏差
图2-7a转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图
将给定量和扰动量看成两个独立的输入量,只考虑给定作用时的闭环系统:
(2-5)
它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后,从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数,是各环节单独的放大系数的乘积。
电动机环节放大系数为:
(2-6)
只考虑扰动作用时的闭环系统:
图2-7c=0时
(2-7)
由于已认为系统是线性的,可以把二者叠加起来即得系统的静特性方程式:
如果断开反馈回路,则上述系统的开环机械特性为
(2-9)
而闭环时的静特性可写成
(2-10)
其中和分别表示开环和闭环系统的理想空载转速,和分别表示开环和闭环系统的稳态速降。