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

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班级: 1202

学号：*********

专业: 自动化

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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。