数字化PWM可逆直流调速系统设计MATLAB仿真.docx

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数字化PWM可逆直流调速系统设计MATLAB仿真

数字化PWM可逆直流调速系统的设计

DesignOfDigitalDC-PWM

ReversibleSpeedSystem

学生姓名:

指导教师:

一、课程设计的任务和要求

1．要求

设计一个转速、电流双闭环控制PWM可逆直流调速系统。

电动机控制电源采用H型PWM功率放大器，其占空比变化为0～0.5～1时，对应输出电压为-264V～0～264V，为电机提供最大电流25A。

速度检测采用光电编码器（光电脉冲信号发生器），且其输出的A、B两相脉冲经光电隔离辩相后获得每转1024个脉冲角度分辨力和方向信号。

电流传感器采用霍尔电流传感器，其原副边电流比为1000：

1，额定电流50A。

已知：

（1）直流电动机：

PN=3kW，nN=1500r/min，UN=220V，IN=17.3A，电枢回路总电阻R=2.5Ω，电磁时间常数Tl=0.017s，机电时间常数Tm=0.076s，电动势系数Ce=0.1352V/（r.min-1）；

（2）H型3F;b8r3C（v.m3X大学设计,大学课程,大学课程设计,毕业设计,毕业论文,习题答案,课件PPT,精品课件+B0E8l"d（m+E#r0p  I$u）W'P+U.a（Q.[2{  x7P3k课程设计,毕业设计论文,习题答案,课件PPTPWM功率变换器：

工作频率为2kHz，采用单极性/双极性工作方式；

（3）直流电源电压：

264V；

（4）主要技术指标：

调速范围为0-1500r/min，电流过载倍数为1.5倍，速度控制精度0.1%（额定转速时）。

2．任务

（1）完成系统理论与仿真分析

1）进行系统参数计算，完成转速、电流调节器的结构和参数设计；

2）利用Matlab/Simulink建立系统的仿真模型，对整个调速系统的动态性能（给定输入的跟随性能和负载与电网电压扰动下的抗扰性能）进行仿真分析。

（2）完成系统电气原理图的设计（包括电路原理图设计、参数计算、元器件选型）

1）主电路的设计；

2）PWM脉冲信号产生电路的设计；

3）转速、电流调节器及其限幅电路的设计；

4）转速、电流检测电路的设计；

5）保护电路的设计；

6）辅助电源电路的设计。

（3）PCB板的设计、制作与调试（根据时间选做）

指导教师签字：

教研室主任签字：

2012年月日2012年月日

二、进度安排

第一阶段：

选择课程设计题目，明确课程设计任务和要求，查看参考资料。

第二阶段：

进行理论分析，完成转速和电流调节器设计、系统仿真建模与分析，进行系统主电路和控制电路原理图设计等。

第三阶段：

总结课题内容、撰写课程设计报告。

第四阶段：

准备和参加课程设计答辩。

三、应收集资料及主要参考文献

1.罗飞.电力拖动与运动控制系统[M].北京：

化学工业出版社，2007.

2.陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].北京：

机械工业出版社，2003.

3.王兆安.电力电子技术[M].北京：

机械工业出版社，2004.

4.崔启明.动车组自动门控制系统的研究[D].长春：

吉林大学硕士论文，2009.

5.肖阳.基于DSP的伺服电机的调速系统的控制设计[D].武汉：

武汉理工大学硕士论文，2009.

6.洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.北京：

机械工业出版社，2006.

四、课程设计（学年论文）摘要（中文）

摘要

本文介绍双闭环PWM直流调速系统原理基础上，根据系统的动、静态性能指标采用工程设计方法设计调节器参数。

调速方案的优劣直接关系到系统调速的质量，根据电机的型号及参数选择最优方案，以确保系统能够正常，稳定地运行。

并运用MATLAB的Simulink和PowerSystem工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现了转速电流双闭环PWM直流调速系统的建模与仿真。

文章重点介绍了调速系统的建模和PWM发生器、直流电机模块互感等参数的设置。

给出了PWM直流可逆调速系统的仿真模型和仿真结果，验证了仿真模型及调节器参数设置的正确性。

关键词：

直流调速；PWM；双闭环；PI调节

五、课程设计（学年论文）摘要（英文）

Abstract

Accordingtodynamicandstaticperformance，themethodusesengineeringdesigntosetparametersofcontrollersbasedonprincipleofDoubleCloseLoopPWMspeedsystem．Governortheprosandconsoftheprogramdirectlyrelatedtothequalityofthesystemgovernor,accordingtothemotormodelandparameterstochoosethebestprogramtoensurethatthesystemtonormal,stableoperation.TheapproachusingelectricalprincipleandtoolboxofsimulinkandpowersysteminMatlabhascompletedthemodelingandsimulationofsystem．ThemodelofsimulationandparameterscontrollersandPWMgeneratorisintroducedemphatically．AswellasmutualinductanceparameterinDCmotors．Theresultsofsimulationaleobtainedandtheresultsareclosetoactualsituation，itshowsthecorrectionofthemodelandparametersofcontrollers．

Keywords：

DCTimingSystem;PWM;DoubleCloseLoop;PIAdjust

六、成绩评定

指导教师评语：

指导教师签字：

2012年月日

项目

评价

项目

评价

调查论证

工作量、工作态度

实践能力

分析、解决问题能力

质量

创新

得分

七、答辩记录

答辩意见及答辩成绩：

答辩小组教师（签字）：

2012年月日

总评成绩：

（教师评分×75%+答辩成绩×25%）

摘要

本文介绍双闭环PWM直流调速系统原理基础上，根据系统的动、静态性能指标采用工程设计方法设计调节器参数。

调速方案的优劣直接关系到系统调速的质量，根据电机的型号及参数选择最优方案，以确保系统能够正常，稳定地运行。

并运用MATLAB的Simulink和PowerSystem工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现了转速电流双闭环PWM直流调速系统的建模与仿真。

文章重点介绍了调速系统的建模和PWM发生器、直流电机模块互感等参数的设置。

给出了PWM直流可逆调速系统的仿真模型和仿真结果，验证了仿真模型及调节器参数设置的正确性。

关键词：

直流调速；PWM；双闭环；PI调节

Abstract

Accordingtodynamicandstaticperformance，themethodusesengineeringdesigntosetparametersofcontrollersbasedonprincipleofDoubleCloseLoopPWMspeedsystem．Governortheprosandconsoftheprogramdirectlyrelatedtothequalityofthesystemgovernor,accordingtothemotormodelandparameterstochoosethebestprogramtoensurethatthesystemtonormal,stableoperation.TheapproachusingelectricalprincipleandtoolboxofsimulinkandpowersysteminMatlabhascompletedthemodelingandsimulationofsystem．ThemodelofsimulationandparameterscontrollersandPWMgeneratorisintroducedemphatically．AswellasmutualinductanceparameterinDCmotors．Theresultsofsimulationaleobtainedandtheresultsareclosetoactualsituation，itshowsthecorrectionofthemodelandparametersofcontrollers．

Keywords：

DCTimingSystem;PWM;DoubleCloseLoop;PIAdjust

1绪言

直流调速系统具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。

然而，直流拖动控制系统毕竟在理论和实践上都比较成熟，而且基于以上优点，直流调速系统的研究依然有很大的现实意义。

1.1课题背景

直流传动具有良好的调速特性和转矩控制性能，在工业生产中应用较早并沿用至今。

早期直流传动采用有接点控制，通过开关设备切换直流电动机电枢（直流电机电枢为转子）或磁场回路电阻实现有级调速（有级调速说白了就是挂挡）。

1930年以后出现电机放大器控制的旋转交流机组供电给直流电动机（由交流电动机M和直流发电机G构成，简称G—M系统），以后又出现了磁放大器和汞弧整流器供电等，实现了直流传动的无接点控制。

其特点是利用了直流电动机的转速与输入电压有着简单的比例关系的原理，通过调节直流发电机的励磁电流或汞弧整流器的触发相位来获得可变的直流电压供给直流电动机，从而方便地实现调速。

但这种调速方法后来被晶闸管可控整流器供电的直流调速系统所取代，至今已不再使用。

1957年晶闸管问世后，采用晶闸管相控装置的可变直流电源一直在直流传动中占主导地位。

由于电力电子技术与器件的进步和晶闸管系统具有的良好动态性能，使直流调速系统的快速性、可靠性和经济性不断提高，在20世纪相当长的一段时间内成为调速传动的主流。

正在逐步推广应用的微机控制的全数字直流调速系统具有高精度、宽范围的调速控制，代表着直流电气传动的发展方向。

直流传动之所以经历多年发展仍在工业生产中得到广泛应用，关键在于它能以简单的手段达到较高的性能指标。

自19世纪80年代起至19世纪末以前，工业上传动所用的电动机一直以直流电动机为唯一方式。

到了19世纪末，出现了三相电源和结构简单，坚固耐用的交流笼型电动机以后，交流电动机传动在不调速的场合才代替了直流电动机传动装置。

然而，随着生产的不断发展，调速对变速传动装置是一项基本的要求，现代应用的许多变速传动系统，在满足一定的调速范围和连续（无级）调速的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。

虽然直流电动机可以满足这些要求，但由于直流电动机在容量、体积、重量、成本、制造和运行维护方面都不及交流电动机，所以长期以来人们一直渴望开发出交流调速电动机代替直流电动机。

随着电力电子学与电子技术的发展，特别是电力半导体器件的发展，使得采用半导体变流技术的交流调速系统得以实现。

尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电力拖动系统的发展创造了有利条件，促进了各种类型交流调速系统：

如串级调速系统，变频调速系统，无换向器电动机调速系统以及矢量控制调速系统等的飞速发展。

1.2课题研究意义

转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。

转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。

首先，应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；然后，在建立该系统动态数学模型的基础上，从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；第三，研究一般调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正方法相比，得出该设计方法的优点，即计算简便、应用方便、容易掌握；第四，应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题等等。

就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。

直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化，其主要特点是：

①常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构，减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障，而且维修方便；②动态参数调整方便；③系统可以方便的设计监控、故障自诊断、故障自动复原程序，以提高系统的可靠性；④可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能；⑤可采用数字反馈来提高系统的精度；⑥容易与上一级计算机交换信息；⑦具有信息存储、数据通信的功能；⑧成本较低。

而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，又是交流调速系统的基础，因此，应首先着重研究直流调速系统，这样才可在掌握调速系统的基本理论下更好的对交流调速系统进行研究和探索。

通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。

并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。

1.3设计任务和要求

1本课题设计的要求：

设计一个转速、电流双闭环控制PWM可逆直流调速系统。

电动机控制电源采用H型PWM功率放大器，其占空比变化为0～0.5～1时，对应输出电压为-264V～0～264V，为电机提供最大电流25A。

速度检测采用光电编码器（光电脉冲信号发生器），且其输出的A、B两相脉冲经光电隔离辩相后获得每转1024个脉冲角度分辨力和方向信号。

电流传感器采用霍尔电流传感器，其原副边电流比为1000：

1，额定电流50A。

已知：

（1）直流电动机：

PN=3kW，nN=1500r/min，UN=220V，IN=17.3A，电枢回路总电阻R=2.5Ω，电磁时间常数Tl=0.017s，机电时间常数Tm=0.076s，电动势系数Ce=0.1352V/（r.min-1）；

（2）H型3F;b8r3C（v.m3X大学设计,大学课程,大学课程设计,毕业设计,毕业论文,习题答案,课件PPT,精品课件+B0E8l"d（m+E#r0p  I$u）W'P+U.a（Q.[2{  x7P3k课程设计,毕业设计论文,习题答案,课件PPTPWM功率变换器：

工作频率为2kHz，采用单极性/双极性工作方式；

（3）直流电源电压：

264V；

（4）主要技术指标：

调速范围为0-1500r/min，电流过载倍数为1.5倍，速度控制精度0.1%（额定转速时）。

2需要完成的任务：

（1）完成系统理论与仿真分析

1）进行系统参数计算，完成转速、电流调节器的结构和参数设计；

2）利用Matlab/Simulink建立系统的仿真模型，对整个调速系统的动态性能（给定输入的跟随性能和负载与电网电压扰动下的抗扰性能）进行仿真分析。

（2）完成系统电气原理图的设计（包括电路原理图设计、参数计算、元器件选型）

1）主电路的设计；

2）PWM脉冲信号产生电路的设计；

3）转速、电流调节器及其限幅电路的设计；

4）转速、电流检测电路的设计；

5）保护电路的设计；

6）辅助电源电路的设计。

（3）PCB板的设计、制作与调试（根据时间选做）

2直流调速系统设计

直流调速系统具有良好的起、制动性能，可以在较宽的调速范围内实现平滑调速，较快的动态响应过程，并且低速运转时力矩大这些极好的运行性能和控制特性，尽管它不如交流调速系统那样结构简单、制造和维护方便、价格便宜。

但是长期以来，直流调速系统一直占据重要地位。

当然近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。

但是就目前来看，在纺织印染、造纸印刷、数控机床、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、通讯设备、雷达设备，仍然广泛采用直流调速系统。

而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。

2.1直流调速系统的调速原理

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管—直流电动机（V—M）组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。

它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础。

从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。

直流电动机的转速和其它参量的关系和用式2.1表示

（2.1）

式2.1中：

n——电动机转速；

U——电枢供电电压；

I——电枢电流；

R——电枢回路总电阻，单位为

；

——由电机机构决定的电势系数。

在上式2.1中，

是常数，电流I是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法：

（1）调节电枢供电电压U；

（2）减弱励磁磁通

；

（3）改变电枢回路电阻R。

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最好。

改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。

2.2双闭环调速的过程和工作原理

双闭环调速系统的工作过程和原理：

电动机在启动阶段，电动机的实际转速（电压）低于给定值，速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态，速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号，直流电压迅速上升，电流也随即增大直到等于最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。

电动机的最大电流（堵转电流）可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。

在电动机转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零，速度调节器和电流调节器退出饱和状态，闭环调节开始起作用。

对负载引起的转速波动，速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相应变化，从而校正和补偿电动机的转速偏差。

另外电流调节器的小时间常数，还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节，可以在电动机转速还未来得及发生改变时，迅速使电流恢复到原来值，从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。

2.3双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

两者之间实行嵌套连接，如图2.1所示。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图2.1转速、电流双闭环直流调速系统

其中：

ASR—转速调节器，ACR—电流调节器，T—测速发电机，TA—电流互感器，UPE—电力电子变化装置，

—转速给定电压，

—转速反馈电压，

—电流给定电压，

—电流反馈电压。

2.4H桥可逆PWM变换器

可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H型）电路，如图2.2所示。

图2.2桥式可逆PWM变换器

双极式控制可逆PWM变换器的4个驱动电压波形如图2.3所示。

图2.3双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形

它们之间的关系是：

。

在一个开关周期内，当0≤t

。

因此，

在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。

图2.3也绘出了双极式控制时的输出电压和电流波形。

相当于一般负载的情况，脉动电流的方向始终为正；

相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。

电动机的正反转则体现在驱动电压正、负脉冲的宽度上。

当正脉冲较宽时，ton>T/2，则Uab的平均值为正，电动机正转，反之，则反转；如果正、负脉冲相等，t=T/2，平均输出电压为零，则电动机停止。

图2.3所示的波形是电动机正转时的情况。

双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为：

（2.2）

若占空比ρ和电压系数γ的定义与不可逆变换器相同，则在双极式是可逆变换器中：

就和不可逆变换器中的关系不一样了。

调速时，ρ的可调范围为0~1，相应的，

。

当ρ>1/2时，γ为正，电动机正转；当ρ<1/2时，γ为负，电动机反转；当ρ=1/2时，γ=0，电动机停止。

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为零，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，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。

双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：

（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，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。

双极式控制方式的不足之处是：

在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。

为了克服上述缺点，可采用单极式控制，使部分器件处于常通或常断状态，以减少开关次数和开关损耗，提高可靠性