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1、直流PWM-M可逆调速系统的设计与仿真摘要当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气 传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成， 包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方 法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流 PWM 调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流 PWM 调速系统 的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨
2、一个将微机和电力拖动控制相结合的新的 控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现 控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机 外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调 速系统的控制。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了 IGBT 模块应用中驱动、吸收、保护 控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字 PWM 调制器、双极式 H 型 PWM 变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。关键词：PWM调速、直流电动机、双闭
3、环调速目录前 言 1第 1 章 直流 PWM-M 调速系统 2第 2 章 UPE 环节的电路波形分析 4第 3 章 电流调节器的设计 63.1 电流环结构框图的化简63.2 电流调节器参数计算73.3 参数校验83.3.1 检查对电源电压的抗扰性能： 83.3.2 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 93.3.3 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 93.3.4 电流环小时间常数近似处理条件 93.4 计算调节器电阻和电容9第 4 章 转速调节器的设计 114.1 电流环的等效闭环传递函数114.2 转速环结构的化简和转速调节器结构的选择114.3 转速调节器的参数的计算144.4 参数校验
4、144.4.1 电流环传递函数化简条件154.4.2 转速环小时间常数近似处理条件 154.5 计算调节器电阻和电容154.6 调速范围静差率的计算16第 5 章 系统仿真 175.1 仿真软件 Simulink 介绍 175.2 Simulink 仿真步骤 175.3 双闭环仿真模型175.4 双闭环系统仿真波形图18结 论 19.20参考文献-LX.1前言直流 PWM_M 调速系统几年来发展很快，直流 PWM_M 调速系统采用全控型电力电子器件，调制 频率高，与晶闸管直流调速系统相比动态响应速度快，电动机转矩平稳脉动小，有很大的优越性， 在小功率调速系统和伺服系统中的应用越来越广泛。直流
5、PWM_M 调速系统与晶闸管调速系统的不 同主要在变流主电路上，采用了脉宽调制方式，转速和电流的控制盒晶闸管直流调速系统一样。直流 PWM_M 调速系统的 PWM 变换器有可逆和不可逆两类，二可逆变换器又有双极式、单极式 和受限单极式等多种电路。这里主要研究 H 型主电路双极式的 PWM_M 调速系统和受限单极式 PWM_M 调速的仿真，并通过仿真分析直流 PWM_M 可逆调速系统的过程。在现代科学技术革命过程中，电气自动化在 20 世纪的后四十年曾进行了两次重大的技术更新 一次是元器件的更新，即以大功率半导体器件晶闸管取代传统的变流机组，以线形组件运算放大 器取代电磁放大器件。后一次技术更新
6、主要是把现代控制理论和计算机技术用于电气工程，控制 器由模拟式进入了数字式。在前一次技术更新中，电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方 法。而后一次技术更新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变，电气系统的结构和性能亦随 之改观。在整个电气自动化系统中，电力拖动及调速系统是其中的核心部分。在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器 的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为 PWM 的控制电压。从闭环反馈结构上 看，电流调节环在里面，是内环，按典型I型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型 II型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节
7、器均采用PI调节器并对系统进行了校正。检 测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检 测，达到了比较理想的检测效果。第 1 章 直流 PWM-M 调速系统整个系统上采用了转速、电流双闭环控制结构，如图 4-1 所示。在系统中设置两个调节器， 分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入， 再用电流调节器的输出作为 PWM 的控制电压。从闭环反馈结构上看，电流调节环在里面，是内环， 按典型I型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型II型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用 PI 调节器并对系统进行
8、了校正。检测部分中， 采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检测，达到了 比较理想的检测效果。主电路部分采用了以GTR为可控开关元件、H桥电路为功率放大电路所构 成的电路结构。控制 PWM 脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制 H 电路中对电机速度的控 制。图 1-1 闭环调速系统结构图直流调速系统的结构如上图所示，其中 UPE 是电力电子器件组成的变换器，其输入接三相（或 单相）交流电源，输出为可控的直流电压铸。对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P MOSFET 组成的 PWM 变换器;对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如 GTO、IG
9、CT 等;对于 特大容量的系统，则常用晶闸管装置。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，它就会自动产生纠正偏差的作用。o十uVTVT2VDgiABMO0VD4 2S图 1-2 桥式可逆 PWM 变化器电路双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图2-1它们的关系是：。在一个开关周 期内，当 时， ，电枢电流 沿回路1 流通；当 时，驱动电压反号， 沿回路2经二极管续流， 。 因此， 在一个周期内具有正负相间的脉冲波形。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别是转速和电 流，二者之间实行串级联接，把转速调节器
10、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 PWM 调制器。转速调节器在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。 为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。第 2 章 UPE 环节的电路波形分析图 2-1 双极式控制时的电压和电流波形。电动机电枢电压的平均值则体现在驱动电压正、负 脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时， ，则 的平均值为正，电动机正转；反之则反转。如果正、负 脉冲相等， ，平均输出电压为零，则电动机停止。图4 所示的波形是电动机工作在正向电动时的图 2-1 式控制可逆 PWM 变换器波形直流电动机的电枢电压UAB的正、负变化，使
11、电流波形随之波动。电流波形存在两种情况, 如图2的k和2。di相当于电动机负载较重的情况，这时负载电流大，在续流阶段电流仍维持正 方向，电动机始终工作在第I象限的电动状态。2相当于负载很轻的情况，平均电流小，在续流 阶段电流很快衰减到零，于是二极管终止续流，而反向开关器件导通，电枢电流反向，电动机处 于制动状态。爲电流中的线段3和4是工作在第II象限的制动状态。电枢电流的方向决定了电流 是经过续流二极管VD还是经过开关器件VT流动。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为tT -12tU 二香 Uon U =(-r - 1)Ud T s T s Ts若占空比卩和电压系数丫的定义与不可逆变换器
12、中相同，则在双极式控制的可逆变换器中Y =2p-1就和不可逆变换器中的关系不一样了。1p 调速时，p的可调范围为1，相应地，丫 =-1 +1。当 2时，丫为正，电动机正转；当11p P =2时，丫为负，电动机反转；当2时，丫二0，电动机停止。第 3 章 电流调节器的设计3.1 电流环结构框图的化简在上图点划线框的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻 烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁 时间常数 远小于机电时间常数 ，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反 电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中
13、，可以认为反电动势基本不变，即 ，这样， 在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，得到的电流环的近似结构 框图如图 4-4。图3-1 忽略反电动势的动态影响如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*(s)/0，则i电流环便等效成单位负反馈系统T和T比T小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为: s oi lT = T + TSis oi则电流环结构框图最终简化成图3-2。U*(s)图3-2 小惯性环节近似处理3.2 电流调节器参数计算电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型I型系统，显然应采用pi型的调节器，其传递函数
14、可以写成W(s)二ACRK (T s + 1)i iTsi式中 K 电流调节器的比例系数iT 电流调节器的超前时间常数i3-3)3-4)为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择T = Til则电流环的动态结构框图便成为图所示的典型形式，其中k =I T Ri比例系数K，可根据所需的动态性能指标选取。设计要求电流超调量b 5%，查表可选iig = 0.707，KT = 0.5，I 2i已知三相桥式电路的平均失控时间T = 0.00167ssT = T + T = 0.0017+0.002 = 0.0037s工 is oi电流环开环增益：0.50.5K = 135.1s -ii T0.
15、0037Xi双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时。各变量之间的关系：U * = U = an = ann n0U * = U = pi = pii i d dm令两个调节器的输入和输出最大值都是10V，额定转速nN = 1000r/min，额定电流IN = 55A最大电流I = I ,九为过载倍数，一般取为1.5。dm d转速反馈系数：U *10n = 0.00685V - min/ rn 1460N电流反馈系数：U*10im = 0.049V / AI 1.5 x 136 dm电流调节器超前时间：t = T = 0.03s1l取Ks二75，则电流调节器的比例系数:K = K t R / K p = 135.1 x 0.03 x 0.5/40 x 0.049 = 1.03 i i 1 s3.3 参数校验3.3.1 检查对电源电压的抗扰性能:T =丄空=8.1,T 0.003
