电力拖动课程设计

双闭环PWM直流电机调速系统仿真课程设计

姓名: 杨帆

班级: 1202

学号：122100215

专业: 自动化

指导教师: 闫坤

摘要

本次课程设计设计了一个转速、电流双闭环直流PWM调速系统。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。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。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。

关键词：直流电机，双闭环，调速，MATLAB，simulink

目录

摘要...............................................................I 第1章引言.. (1)

第2章系统的工作原理 (1)

2.1 双闭环直流调速系统的介绍 (1)

2.2 双闭环直流调速系统的组成 (2)

2.3 转速、电流双闭环直流调速系统 (3)

2.4 系统控制电路图 (4)

2.5 双闭环直流调速系统的静特性分析 (5)

2.6 双闭环直流调速系统的稳态结构图 (5)

2.7 系统的参数描述 (6)

第3章直流调速系统的主回路设计 (6)

3.1直流调速系统主回路拓扑结构 (6)

3.2 直流调速系统拓扑结构选择 (12)

第4章设计并确定各环节相关系数 (13)

4.1电流环与转速环的设计 (13)

4.2电流环的设计 (17)

4.3转速环的设计 (19)

4.4执行子程序 (19)

错误！未定义书签。

第5章系统调试和功能测试 (20)

5.1 电流环的设计 (20)

5.2转速环的设计 (20)

5.3 确定时间常数 (22)

5.4选择转速调节器结构 (23)

5.5 计算转速调节器参数 (23)

5.6 检验近似条件 (24)

5.7计算调节器电阻和电容 (24)

第6章仿真与结果分析 (25)

小结

参考文献 (27)

一、引言

由《电力拖动自动控制系统》一书里所知，对电机进行调速有三个方案：1.改变回路电阻。2.改变电枢电压。3.改变绕组磁通量。其中以通过改变电枢电压来进行电机调速较为普遍，因为该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。但电机的开环运行性能远远不能满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不尽要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，称为实现高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。

二、系统的工作原理

2.1双闭环直流调速系统的介绍

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。

2.2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1—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 TG-测速发电机 TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 *

Un -转速给定电压 Un-转速反馈电压 *

Ui -电流给定电压

Ui -电流反馈电压。

2.3转速、电流双闭环直流调速系统

一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。这种理想的起动过程如图2所示。

图2理想启动过程

图3双闭环直流调速系统动态结构图

参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图如图3所示。

2.4系统控制电路图

控制电路如下所示。主要组成部分有信号设定（频率给定、给定积分器）、正

弦参考信号幅值和频率控制电路（绝对值运算器、压控振荡器、函数发生器、极性鉴别器）、PWM 波发生器（三相正弦波发生器、锁相环、三相波载波发生器、比较器）及与主电路相隔离的电压/电流检测回路、驱动回路及保护回路

n

dm i

dl i

n

t

通用型PWM 变频器原理图框图

2.5 双闭环直流调速系统的静特性分析

由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下

d

s d di U Ri L E dt

=++ (0)on t t ≤<. d

s d di U Ri L

E dt

=++ ()on t t T ≤< 按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是d s U U γ=，平均电流用d I 表示，平均转速/e n E C =，而电枢电感压降d

di L

dt

的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成 s d d e U RI E RI C n γ=+=+

则机械特性方程式

0s

d d

e

e e

U R R n I n I C C C γ=

-

=- 2.6 双闭环直流调速系统的稳态结构图

首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图4所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI 调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。

图4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。

图5 双闭环直流调速系统原理图

2.7系统的参数描述

参数：V n R I U C N a N N e 132.01460

2

.0136220=?-=-=

03.05

.010153

=?==-R L T l

18.0132

.030132.03755.05.223752=????==π

m e m C C R GD T

26.130

=?=

e m C C π

三、直流调速系统的主回路设计

3.1直流调速系统主回路拓扑结构

直流调速系统中，按照主回路所使用功率器件的不同，主要分为如下两种： 1）晶闸管可控整流器 2）直流PWM 功率变换器

1、直流斩波器的基本结构

2、斩波器的基本控制原理

原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源电压 U s 加到电动机上；当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如上图 b ，好像是电源电压U s 在t on 时间内被接上，又在 T – t on 时间内被斩断，故称“斩波”。 3、输出电压计算

这样，电动机得到的平均电压为

式中 T —

晶闸管的开关周期； t on — 开通时间；

ρ — 占空比，ρ = t on / T = t on f ； 其中 f 为开关频率。

s

s on

d

U U T

t U ρ==

采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。

4、斩波电路三种控制方式

根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：

1）T 不变，变t on—脉冲宽度调制（PWM）；

2）t on不变，变 T —脉冲频率调制（PFM）；

3）t on和 T 都可调，改变占空比—混合型。

5、PWM系统的优点

（1）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，调速范围宽，可达1:10000左右；

（4）若与快速响应的电机配合，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）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

6、桥式可逆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形）电路，如下图所示。桥式可逆PWM变换器

这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里以最常用的双极式控制的可逆PWM变换器为例。

a) 双极性控制方式

（1）正向运行：

第1阶段，在 0 ≤t ≤t on期间，U g1 、U g4为正， VT1、 VT4导通，U g2 、

U g3为负，VT

2

、 VT

3

截止，电流i d沿回路1流通，电动机M两端电压U AB= +U s；第2阶段，在t on≤ t ≤T期间，U g1 、U g4为负， VT1、 VT4截止， VD2、

VD

3续流，并钳位使VT

2

、 VT

3

保持截止，电流i d 沿回路2流通，电动机M两

端电压U AB = –U s ；

（2）反向运行：

第1阶段，在 0 ≤t ≤ t on期间，U g2 、U g3为负，VT2、 VT3截止， VD1、

VD

4续流，并钳位使 VT

1

、 VT

4

截止，电流–i d沿回路4流通，电动机M两端

电压U AB = +U s；

第2阶段，在t on≤t ≤T 期间，U g2 、U g3 为正， VT2、 VT3导通，U g1 、

U g4为负，使VT

1

、 VT

4

保持截止，电流–i d沿回路3流通，电动机M两端电

压U AB = –U s；

b) 输出平均电压

双极式控制可逆PWM 变换器的输出平均电压为

如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中

γ = 2ρ – 1

c) 调速范围

调速时， ρ 的可调范围为0~1， –1<γ <+1。

当ρ >0.5时， γ 为正，电机正转；

当ρ <0.5时， γ 为负，电机反转； 当ρ = 0.5时， γ = 0 ，电机停止。

d) 性能评价

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）可使电机在四象限运行；

s

on s on s on d

)12(U T

t U T t T U T t U -=--=

（3）电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。

e) PWM系统的优越性

1、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，调速范围宽；

4、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、直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

3.2直流调速系统拓扑结构选择

桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图

当可逆系统进入制动状态时，直流PWM功率变换器把机械能变为电能回馈到直流侧，由于二极管整流器导电的单向性，电能不可能通过整流器送回交流电网，只能向滤波电容充电，使电容两端电压升高，称作泵升电压。

在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，当PWM控制器检测到泵升电压高于规定值时，开关器件VTb导通，使制动过程中多余的动能以铜耗的形式消耗在放电电阻中。

如果在大容量的调速系统中希望实现电能回馈到交流电网，以取得更好的制动效果并且节能，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的电能逆变后回馈电网。

在突加交流电源时，大电容量滤波电容C相当于短路，会产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管。为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻。

合上电源后，经过延时或当直流电压达到一定值时，闭合接触器触点K把电阻短路，以免在运行中造成附加损耗。

四、设计并确定各环节相关系数

4.1电流环与转速环的设计

在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节[3]。工程设计的步骤如下：

1对已知系统的固有特性做恰当的变换和近似处理，以简化调节器结构。 2根据具体情况选定预期特性，即典型Ⅰ系统或典型Ⅱ系统，并按照零极点相消的原则，确定串联调节器的类型。

3根据要求的性能指标，确定调节器的有关P 、I 、D 参数。 4校正 4.2 电流环的设计

H 型单极式PWM 变换器供电的直流调速系统，采用宽调速直流电动机。 额定力矩为4.9N ·m ，电枢电阻Ra=1.64Ω，电枢回路总电感L=10.2mH ，额定电流nom I =6A ，额定电压nom U =110V 。

调速系统的最小负载电流o I =1A ，电源电压s U =122V ，电力晶体管集电极电阻

c R =2.5Ω，设1K =2K =2。错误！未找到引用源。=1000r/min ，电枢回路总电阻

R=2Ω,电流过载倍数λ=2。 如图为电流环结构图

电流环结构图

4.2.1确定时间常数

r V n I R U C N N a N e min/1.01000

6

64.1110?=?-=-=

s C C R GD T m e m 08.030

1.037525.137522=????==π

s R L T l 005.02

102.103

=?==-

（1）脉宽调制器和PWM 变换器的滞后时间常数PWM T 与传递函数的计算

电动机的启动电流为 122

612s s U I A A R =

== 启动电流与额定电流比为

6110.1676s s N I I α=

==

晶体管放大区的时间常数为

6

11

0.15922 3.1410ce T s s f βμπ=

==??

电流上升时间r t 的计算公式为

1

1ln

0.95r ce k t T k =-

式中1k ——晶体管导通时的过饱和驱动系数，取1k =2则

112

ln

0.159ln 0.1030.9520.95r ce k t T s s

k μμ===--

电流下降时间f t 的计算公式为

2

21ln

0.05f ce k t T k +=+

式中2k ——晶体管截止时的负向过驱动系数，取2k =2

则 22112

ln

0.159ln 0.0610.050.052f ce k t T s s

k μμ++===++

又 10.2 5.10.00512l L T ms ms s R =

===

最佳开关频率为

23

3

26

10.167

0.3320.3324434.8()

0.0051(0.1030.061)10s

op l r f f Hz Hz T t t α-+===+?

开关频率f 选为4.4kHz ，此开关频率已能满足电流连续的要求。

于是开关周期

1

0.23PWM T ms f =

≈ 脉宽调制器和PWM 变换器的放大系数为

*

110

1110d P W M i U K U =

==

于是可得脉宽调制器和PWM 变换器的传递函数为

11

()10.000231PWM PWM PWM K W S T s s =

=

++

（2）电流滤波时间常数 oi T 取0.5ms

（3）电流环小时间常数 0.230.50.73i P W M o i T T T m s m s m s

∑=+=+= 4.2.2选择电流调节器结构

根据设计要求，%5%i σ≤，而且/ 5.1/0.73 6.9910l i T T ∑==< 因此可以按典型I 型系统设计

电流调节器选用PI 型，其传递函数为 *1

()i ACR i

i s W s K s ττ+=