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毕业设计论文

本科毕业设计论文

直流脉宽调速系统的设计与仿真

学生姓名：

史航

班级：

电自0911

学号：

0901011125

指导教师：

麻鸿儒

所在单位：

电气工程学院

答辩日期：

年月日

摘要

直流电动机具有优良的调速特性，如调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用如切削机床，造纸机等。

本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。

然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。

在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现；软件设计中，进行电流环和速度环中控制量的计算以及相位角度的计算，产生脉冲触发信号。

对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。

采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计,并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行.

关键词动态控制；直流电动机；直流调速系统；速度调节器；电流调节器；速度环；电流环；PWM；双闭环系统；仿真

Abstract

DCmotorhasbeenwidelyusedintheareaofelectricdrivesuchascuttingmachines,paper,etc.becauseofitsneatlyadjustment,simplemethodandDCmotorhasbeenwidelyusedintheareaofelectricdrivebecauseofitsneatlyadjustment,simplemethodandsmoothcontrolinawiderange,besidesitscontrolperformanceisexcellent.BeginningwiththetheoryofDCmotor,thisdissertationbuiltsupthemathematicmodelofDCspeedcontrolsystemwithdoubleclosedloops,detailedlydiscussesthestaticanddynamicstateperformanceofthesystem.Afterward,accordingtoautomationtheroythispaparcalculatestheparametersofthesystem.Then,thisdissertationsimulatesandanalyzesthesystembymeansofSimulink.Theresultsofsimulationareconsistentwiththeorycalculation.Someexperiencewasacquiredthroughsimulation.Basedonthetheoryandsimulation,thisdissertationdesignsaDCspeedcontrolsystemwithdoubleclosedloops,discussestherealizationofmaincircuit,feedbackcircuit,controlcircuitandtriggercircuit；inthedesignofsoftware,calculatethecurrentloopandspeed,andgeneratetriggersignalpulse.Theresultsofexperimentshowthatthestaticanddynamicstateperformanceofthissystemaregood,whichindicatethatthedesigncanmeettherequirements.Computer-aidedanalysisanddesignarecarriedoutforspeed-controllingsystemofthed-cmotorbybyusingTOOLBOXandSIMULINK.

Keywords:

Dynamiccontrol；DCmotor；DCgoverningsystem；speedgovernor；currentgovernor；Speedloop；currentloop；PWM；Twoclosed-loopscontrolsystem；simulink

目录

摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1直流脉宽调速系统简介1

1.2直流调速系统的发展史2

1.3研究双闭环直流调速系统的目的和意义4

1.4本文的研究内容4

第二章直流调速系统6

结论6

参考文献8

致谢9

附录10

第一章绪论

1.1直流脉宽调速系统简介

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。

从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。

调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。

电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此，在生产机械中广泛采用电气方法调速。

由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。

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，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。

在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，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。

脉宽调制，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。

所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管、功率MOSFET、IGBT等。

为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统，简称直流PWM调速系统。

PWM调速系统在很多方面具有较大的优越性：

（1）PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少；

（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，调速范围广，可达到1:

10000左右；

（4）如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；

（5）功率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，因而装置效率较高；

（6）直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

1.2直流调速系统的发展史

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或磁场回路电阻实现有级调速。

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。

今天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。

例如高精度稳速系统的稳速精度达数十万分之一，宽调速系统的调速比达1：

10000以上，快速响应系统的响应时间已缩短到几毫秒以下。

在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。

电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。

因此，调速技术一直是研究的热点。

长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。

直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。

直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位，其中，双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，它具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。

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。

从60年代起，国外对交流电动机调速已开始重视。

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。

目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围，较高的稳速精度，较快的动态响应，较高的工作效率以及可以四象限运行和制动，其静特性已可以与直流电动机拖动系统相媲美。

国际上许多国家交流电力拖动系统已进入工业实用化阶段，大有取代直流电力拖动系统的势头。

但就目前而言，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，这样才可以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。

1.3研究双闭环直流调速系统的目的和意义

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。

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。

1.4本文的研究内容

本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。

然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。

本文的主要工作：

1.掌握电机传动的工作原理及应用；

2.设计调速系统；

主要内容包括：

触发电路设计；电流调节器设计；转速调节器设计。

3.建立数学模型，计算其参数；

4.进行数字仿真，验证其设计；

5.完成相关实验。

第二章直流调速系统

结论

PWM逆变器的应用已遍及各个工业领域，其整流侧大直流电容所带来的负面效应日益受到重视。

研究如何尽量减小甚至去掉它以及由此所带来的谐波和相关问题及其解决方法具有十分重要的理论意义和实用价值。

本文在综述了国内外对PWM逆变器及其谐波消除研究现状的基础上，对目前工程中应用最广泛的SPWM电压型逆变器的主电路及其谐波消除调制技术等基本问题进行了深入研究。

论文的主要工作如下。

1．提出了。

2．对。

3．运用数学傅立叶级数理论。

结论另起一页

参考文献

1陈伯时.电力电子器件和变流器是现代电机控制发展的先锋.电机与控制学报.1997,1（3）：

1-5

2李宏，常谦，冯斌.浅谈大功率IGBT的驱动问题.电气传动.1992,22（4）：

10-13

3陈衍.电力系统稳态分析.中国电力出版社,1995

4耿大勇.配电线损理论研究:

[硕士学位论文].东北电力大学，1999

5

说明：

杂志：

格式为姓名.文章名.杂志名.年,卷（期）：

页码例子见1

书：

参见3

学位论文：

参见4

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致谢

附录

另起一页