基于PWM的可逆直流调速系统的仿真研究.doc
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1、广西工学院鹿山学院毕业设计(论文)题 目:基于PWM的可逆直流调速 的仿真研究 系 别: 电子信息与控制工程系 专业班级: 姓 名: 学 号: 指导教师: 职 称: 二一三年 五 月 十一 日摘要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点,同时它具有良好的起、制动性能,可以在较宽的调速范围内实现平滑调速,较快的零动态响应过程,并且低速运转时力矩大这些极好的运行性能和控制特性,长期以来,直流调速系统一直占据着重要地位,所以在电气传动中获得了广泛应用。以电力电子学和电机调速技术为基础,本文设计了一种基于直流脉宽调制(PWM)控制技术的可逆直流电机调速系统。为了得到较好的动静态性
2、能,该控制系统采用了双闭环控制,同时速度调节器和电流调节器都选用PI调节器。在本文中,对直流电机转速、电流双闭环调速系统进行了研究,建立了PWM双闭环可逆直流调速系统的数学模型,详细分析了系统的原理及其静态和动态性能,并对一种基于脉宽调制(PWM)装置的双闭环调速系统进行了转速、电流调节器的工程设计。在理论分析和仿真研究的基础上,对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算,利用MATLAB/Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真,给出仿真波形并得出结论。关键词:PWM控制;直流电动机;双闭环系统 ;PI调节器; MATLAB仿真AbstractDC speed-regulating s
3、ystem has the following advantages,wide speed range, higher accuracy,better dynamic properties,easy to control,and so on. it has a good starting and brake performance,can be in a wider range of speed regulation of smooth realized in speed,fast dynamic response process,and low speed running torque th
4、ese excellent performance and control characteristic,but for a long time,DC speed control system has been occupies an important position. On the basis of Power Electronic and electric motor speed adjusting technology, the calibrator designs a speed adjusting system in which Pulse Width Modulation (P
5、WM) controlling technology is used to control reversible DC motor. The control system uses a double closed loop control, speed regulator and current regulator using PI regulator at the same time, in order to get good static and dynamic performance.In this paper,the DC motor speed and the current dou
6、ble closed-loop speed control system are studied,a PWM double closed loop reversible DC speed control system,and the mathematical model of detailed analysis of system principle and the static and dynamic performance, and a kind of double closed loop speed control system S regulator based on PWM devi
7、ce is designed. In the theory analysis and simulation research,double closed loop speed regulation system,the design parameters of analysis and calculation,the use of MATLAB/ Simulink of the system parameters to the set of the simulation, The simulation waveform and draw a conclusion.Key words:PWM c
8、ontrol;DC motor;double loop control system;PI regulator;MATLAB simulation目录第一章 绪 论 1第一节 直流调速系统简介 1一、概念 1二、直流电动机的调速方法 1第二节 直流调速系统的发展和研究现状 5一、GM调速系统 6二、VM调速系统 6三、PWM调速系统 7四、国内外研究现状 8第三节 研究可逆直流调速系统的目的及意义 9第四节 本文研究的内容 9第二章 可逆直流调速系统原理设计 9第一节 直流调速系统的性能指标 10一、动态性能指标 10二、稳态性能指标 11第二节 双闭环直流调速系统的理论分析 13一、双闭环直
9、流调速系统的工作原理 13二、双闭环直流调速系统的组成 13第三节 双闭环直流调速系统的静特性 15一、稳态结构图和静特性 15二、稳态参数计算 16第四节 双闭环直流调速系统的数学模型的建立和动态性能 17一、数学模型的建立 17二、起动过程分析 18三、动态跟随性 21四、动态抗干扰性能分析 21五、两个调节器的作用 22第五节 工程设计方法在双闭环可逆直流调速系统的应用 22一、调节器的设计方法及PI调节器 22二、典型系统中I型系统与II型系统的性能比较 24三、电流、转速调节器的工程设计 25第三章 可逆直流调速系统的环流问题 34第一节 可逆运行及可逆电路 34一、电枢反接可逆线路
10、 34二、励磁反接可逆线路 35三、电枢反接与励磁反接可逆线路的比较 36第二节 可逆线路的环流问题 36一、环流的定义 36二、环流的优缺点 36第三节 环流的类型及其抑制措施 37一、环流的种类 37二、直流平均环流的抑制措施 37三、瞬时脉动环流的抑制措施 38第四章 PWM脉冲宽度调制 40第一节 PWM基本概念 40第二节 PWM变换器 40第三节 PWM功率放大器 41第五章 PWM双闭环可逆直流调速系统调试和仿真 44第一节 建立数学模型 44第二节 稳态参数的计算 44第三节 动态参数的计算 44一、电流环的参数计算 44二、转速环的参数计算 46第四节 双闭环可逆直流调速系统
11、在MATLAB/Simulink的仿真 47一、MATLAB简介 47二、电流环仿真 48三、转速环仿真 48四、双闭环可逆直流调速系统的仿真 49结束语 49致谢 50参考文献 50附录 51第一章 绪 论第一节 直流调速系统简介一、概念所谓调速就是通过改变电动机或电源的参数使电动机的转速按照控制要求发生改变或保持恒定。调速有两层含义:一是变速控制,即让电动机的转速按照控制要求改变;二是稳速控制,当控制要求没改变时,系统受到外界干扰作用,电动机的转速应保持相对恒定,即调速系统应具有抗干扰性。在实际生产过程中,调速性能的好坏直接关系到产品加工的精度、质量和生产效率,所以,调速技术广泛应用于各个
12、领域的生产过程中。直流调速系统是以直流电动机为控制对象,按生产工艺对电动机转速进行控制的电力拖动系统。由于直流电动机具有启动、制动性能好,调速范围宽的特点,因此,直流调速系统广泛应用于大型工业中。二、直流电动机的调速方法他励直流电动机的电气符号与稳定运行时的等效电路如图1.1所示。 (a)电气符号(b)等效电路图1.1 他励直流电动机的电气符号与稳态运行时的等效电路直流电动机的绕组包括电枢绕组和励磁绕组。励磁绕组上加直流励磁电压,产生电动机工作所需的磁通,电枢绕组加电枢电压,电枢绕组中有电流,通电直导线在磁场中受力,带动电动机电枢旋转。通常情况下励磁电压不变,通过调节电枢电压的大小来改变电动机
13、转速。只要电枢电压和励磁电压二者之一极性发生改变,电动机的转向也随之而变。电动机稳定运行时的等效电路如图1.1(b)所示,E为电枢绕组产生的感应电势,其大小与电动机的转速n成正比;为电枢的电阻。由等效电路不难得出 (1.01)其中 (1.02)整理可得直流电动机转速表达式(即机械特性方程)如下: (1.03)式中,称为理想空载转速;,为负载电流引起的转速降。电动机的转速与5个参数有关,其中为电动势常数,由电动机结构决定,负载电流由电动机所带负载决定,所以改变他励直流电动机的转速有3种方法:改变电枢电压、改变电枢回路电阻R、改变磁通。(一)调压调速通过改变电枢电压来改变电动机转速的方法称为调压调
14、速。其对应的机械特性方程为 (1.04)电动机的电枢电压一般以额定电压为上限值,所以,电枢电压只能在额定值以下变化。由机械特性方程可知,当电枢电压取不同的值时,对应的理想空载转速改变,机械特性的硬度(或斜率)不变,机械特性曲线如图1.2所示。图1.2 他励电动机调压调速特性调压调速的特点如下:电枢电压降低,电动机的转速降低,反之,电枢电压升高,电动机的转速升高。电枢电压最大值为额定电压,转速最高值为额定转速;机械特性的硬度不变,即机械特性是一组平行的斜线;由于获得的机械特性硬度很大,调速精度较高,调压调速在直流调速系统中应用广泛。(二)串电阻调速串电阻调速是在电动机电枢回路串入电阻来改变电动机
15、的转速。其机械特性方程为 (1.05)串入电阻越大,机械特性曲线的斜率越大,即倾斜度越大,转速降越大,特性硬度变得越软,但理想空载转速不变,机械特性如图1.3所示。图1.3 他励电动机串电阻调速特性串电阻调速的特点如下:电枢回路电阻增大,电动机转速降低,得到的转速小于额定转速;机械特性曲线具有相同的理想空载转速;特性的硬度随着串入电阻增大而变软。由于硬度较软,调速精度较低,串电阻调速在调速系统中应用较少。(三)弱磁调速由于直流电动机的额定磁通接近于工作磁通的饱和值,通过改变磁通来调速只能在小于额定磁通的范围内进行调节,故称为弱磁调速。弱磁调速对应的机械特性方程为 (1.06)磁通减少时,机械特
16、性曲线的理想空载转速升高,斜率增大,特性曲线的硬度变软,机械特性曲线如图1.4所示。图1.4 他励电动机弱磁调速特性弱磁调速的特点如下:可获得高于额定值的转速,磁通越小,转速越高;随着磁通减小,理想空载转速升高;磁通减小,特性的硬度变软。由于其硬度软,调速精度不高,弱磁调速一般不单独使用,有时可与调压调速结合,用于获得高于额定值的转速。以上3种调速方式中,最常用的是调压调速。第二节 直流调速系统的发展和研究现状直流调速系统是通过改变电动机电枢电压的大小来实现调速的,根据获得可调电枢电压的方法不同,将直流调速系统的发展分为3个阶段:直流发电机电动机调速系统(简称GM调速系统),晶闸管整流装置电动
17、机调速系统(简称VM调速系统)和直流脉宽调速系统(简称PWM调速系统)。一、GM调速系统在大功率晶闸管元件出现以前,直流电动机所需的直流电源是通过直流发电机来提供的,这样的调速系统称为直流发电机电动机调速系统,简称GM调速系统,其电气原理图如图1.5所示。图1.5 GM调速系统原理图三相交流电动机JD同轴驱动两台直流发电机,永磁式直流发电机L为直流电动机M和直流发电机G提供励磁电源。双掷开关S用于改变发电机励磁电流的方向,可改变发电机输出电压U的极性,从而改变电动机M的转向。为防止开关S断开时,励磁绕组产生过高的感应电压,并联电阻为励磁绕组提供续流回路。可变电阻用于改变电流的大小,从而改变直流
18、发电机输出的电压U的大小,实现对直流电动机的调速。GM调速系统所需设备多,体积庞大,效率低,维护不方便,运行时噪声大。但该系统在20世纪50年代曾广泛应用,目前在尚未进行设备改造的地方仍沿用这种系统。二、VM调速系统20世纪60年代以后,随着大功率电力电子元件晶闸管的投入使用,经可控整流获得可调直流电源更加方便、经济,GM调速系统逐渐被晶闸管整流装置直流电动机调速系统(简称VM调速系统)所替代。图1.6所示为最简单的VM调速系统。VM调速系统是目前应用最广的直流调速系统。图1.6 VM系统的原理图三、PWM调速系统PWM调速系统是脉宽调速系统的简称,是直流调速系统发展的最新阶段。交流电源经二极
19、管不可控整流得到稳恒的直流电压,再利用斩波电路(即PWM装置)将直流电压变成宽度可调的高频率脉冲电压,加在直流电动机的电枢绕组上,通过改变脉冲的宽度改变电动机电枢电压的平均值,从而实现对电动机的调速控制。图1.7所示为简单脉宽调速系统的原理图。图1.7 脉宽调速系统原理图脉宽调速的优点如下:利用二极管不可控整流,输出电压波形中含有的高次谐波较晶闸管整流大大减少,降低了对电网电压品质因数的不利影响;从根本上取消了对晶闸管整流器来说不可缺少的换流电路。直流脉宽调速系统的性能比VM调速系统更为优越,近年来在中小容量的高精度控制系统中得到广泛应用。四、国内外研究现状自19世纪80年代起至19世纪末以前
20、,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
21、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,直流调速系统是自动调速系统的主
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