直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统课程设计

1、电力拖动课程设计题目：直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统姓名：赵强学号:U201311856班级：电气1303指导老师：徐伟课程评分：日期：2016-07-10目录一、设计目标与技术参数二、设计基本原理（一）调速系统的总体设计（二）桥式可逆PWM变换器的工作原理（三）双闭环调速系统的静特性分析（四）双闭环调速系统的稳态框图（五）双闭环调速系统的硬件电路（六）泵升电压限制（七）主电路参数计算和元件选择（八）调节器参数计算三、仿真（一）仿真原理（含建模及参数）（二）重要仿真结果（目的为验证设计参数的正确性）四、结论参考文献附录1:调速系统总图附录2:调速系统仿真图一、设计目标与技术参数直流电机

2、的 PWM 电流速度双闭环调速系统的设计目标如下：额定电压：UN=220V;额定电流：IN=136A;额定转速：nN：=1460r/min;电枢回路总电阻：R=0.45Q;电磁时间常数：T|=0.076s；机电时间常数：Tm=0.161s；电动势系数：Ce=0.132V*min/r;转速过滤时间常数：Ton=0.01s;转速反馈系数a=0.01V*min/r;允许电流过载倍数：入=1.5;电流反馈系数：3=0.07V/A;电流超调量：biW5%转速超调量：biW10%运算放大器：R=4KQ;晶体管PWM1率放大器：工作频率：2KHz;工作方式：H型双极性。PWM变换器的放大系数：KS=20。二

3、、设计基本原理（一）调速系统的总体设计在电力拖动控制系统的理论课学习中已经知道，采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环调速系统就难以满足需要。这主要是因为在单闭环调速系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。如图2-1所示。山）带电流载I上负反馈的单闭环调速系统起动过程（W理想.快速起动过W图 2-1 直流调速系统启动过程的电流和转速波形用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也

4、兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。直流双闭环调速系统的结构图如图2-2所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器白输出去控制PWM装置。其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、 宽度可变的脉冲电压序列， 从而可以改变平均输出电压的大小， 以调节电机转速，达到设计要求。直流PWM!制系统是直流脉宽调制式调

5、速控制系统的简称,别在于用直流PW限换器取代了晶闸管变流装置。-2转速.山流牧间吓仃流调速系统骷构ASR转速调W瑞ACR电位调IV鼎TG测逑发电机TA电流/遐满UPE电力电/变换器（二）桥式可逆PWM变换器的工作原理脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。桥式可逆PWM变换器电路如图2-3所示。这是电动机M两端电压UAB的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。图 2-3 桥式可逆 PWM 变换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2-4所示。与晶闸管直流调速系统的区yDTUg1

6、=Uq4=Uq2=Ug3。在一个开关周期内，当0MtMton时，晶gggAg3体管V、VT4饱和导通而VT3、VT2截止，这时UAB=US。当tont一，则UAB2的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等,tonT+二一，平2均输出电压为零,双极式控制可逆则电动机停止。PWM变换器的输出平均电压为Ud孕s/Us如果定义占空比UdUs则在双极式可逆变换器中=2：-1调速时，P的可调范围为.、101相应的=1+1。当时不为正，电动机正O一11一转；当P1.VV2XU2=1.1XV12X110=171(V)Udmax=0.9 父 110M0.95=94(V)2C21.5M0

7、.02,即C215000UF故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400V,标称容量为22000UF。(2)IGBT的计算最大工作电流Imax=2Us/R=440/0.45=978(A)集电极发射极反向击穿电压(BVCEO)(BVCEO)(23)US=440660V较，若发生故障立即通知微机进行故障诊断,才用微机控制的优势所在。以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是型号额定正向平均电流If(A)额定反向峰值电压URM(V)正向平均压降UF(V)反向平均漏电流IR(mA)散热器型号ZP10A1020020000.50.76SZ14在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电

8、容且有选用大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：C值，使RC至(3-5)T/2,于是KI0.50.5Txi0.0037=135.14s(八)调节器参数计算(1)调节器工程设计方法的基本思路先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。再选择调节器的参数,以满足动态性能指标。设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先从电流环人手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。(2)电流环的设计下图2-7为电流环结构图1.确定时间常数(1)PWM装置滞后时间常数：Ts=0.0017s。(2)电流滤波时间

9、常数Toi取0.002s。(3)电流环小时间常数Tsio按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037SoII 选择电流调节器结构根据设计要求，3%5%,并保证稳态电流无差，可以按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此电流调节器选用PI型，其传递函数为检查对电源电压白抗扰性能：Tl/T、=0.076/0.0037=20.5430,参照典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。III 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：如=Tl=0.076s。电流开环增益：要求仃%5%时，应取K1Tz=0.5,因此*WACR(S)二Kiis1is图 2-7 电流环结

10、构图135.140.0760.21=2.840.0520IV 检验近似条件电流环截止频率：.ci=Ki=135.14s(1)脉宽调制变换器传递函数近似条件满足近似条件。(2)忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件31=311s/=27.12s,二ciTmTl.0.1610.076满足近似条件。(3)电流环小时间常数近似处理条件11_113TsToi-310.00170.002满足近似条件。V 计算 ACR 的电阻和电容取R0=4k夏,则Ri=KiR0=2.84M4=11.36kC,取R=12kCi0.0766,Ci=106F=6.33FRi12000按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为J=

11、4.3%ciCoi_4Toi一RO40.0024103106F=2,F图 2-8 转速环等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理I 确定时间常数(D电流环等效时间常数1/K|。已取K|T予=0.5,则12T%=20.0037=0.0064sKI-2TTTon=0.0074s0.01s-0.0174sII 选择转速调节器结构根据稳态无静差及其他动态指标要求，按典型II型系统设计转速环，ASR选用PI调节器,其传递函数为III 选才?ASR 参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为.n=hT%n=50.0174s=0.087s则转速环开环增益h16aqKN2歹=2s-39

12、6.35s2hTn2250.0174是，ASR的比例系数为IV 校验近似条件转速截止频率为cn=KNn=396.350.087=34.48s“(2)取转速滤波时间常数Ton取Ton=0.01so(3)转速环最小时间常数Tno按小时间常数近似处理，取TnWASR(s)=KnnsKn(h1)匕氏2h：RTn60.2720.1320.161250.006672.850.0174=10.49(1)电流环传递函数简化条件为满足简化条件(2)转速环小时间常数近似处理条件为1K7_1135.143Tn-30.01$满足近似条件。V 计算调节器电阻和电容取R=4kC,则Rn=KnR0=10.49M4kC=41

13、.96kC,取42kC；Cn=0.0873M106NF=2.07NF，取2NF;Rn4210Con:%二4-0.0M106NF=10NF,取10NF。R4103VI 检验转速超调量当h=5时，查表得，仃n=37.6%,不能满足设计要求。实际上，由于这是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。设理想空载起动时，负载系数z=0。按ASR退饱和的情况计算超调量Cmax=nNTq二n%=(侬)2(-Z)NJCbnNTm当h=5时,-2Cmax%=81.2%Cb因此463.640.0174二n%=81.2%21.5-8.36%；10%

14、14600.161可见转速超调量满足要求。=38.74s,cnINR1360.45Ce0.132rmin=463.64rminJ,13563.70s30.0037三、仿真（一）仿真原理（含建模及参数）在Matlab中进入Simulink环境，创建Model文件如下图3-1所示:上述PI调节器的子模型如下图3-2和图3-3所示:图 3-2ASR 调节器模型图 3-1 直流双闭环调速系统仿真模型ln.1SaturationOut1T/卜片丁由3TLimited仿真参数：Ton=0.01sToi=0.002sTs=0.0017sTi=0.076sa=0.0073=0.05Ce=0.132八1Kp2.

15、84-ACR:Kp=2.84=p=37.31Kii0.076ASR:Kp=10.49Kr=120.46（二）重要仿真结果（目的为验证设计参数的正确性）仿真结果如下图3-4和图3-5所示：FileJools皿ewSimulationHelpReadyT=2000图 3-4 电流响应Tm=0.161s1n-XFileToolsViewSimulotionHelp二锚口.1亭两手话二图 3-5 转速响应四、结论从仿真结果中可以看到，电动机的启动过程经历了电流上升、恒流升速和转速超调后的调节三个阶段。与该电动机的开环系统相比，电动机启动电流大幅度下降，电流环发挥了调节作用，使最大电流限制在设定的范围以

16、内。修改调节器参数，可以观察在不同参数条件下双闭环系统电流和转速的响应，修改转速给定，也可以观察电动机在不同转速时的工作情况。本次课程设计终于完成了， 从最初的略微了解双闭环调速系统到现在彻底弄清楚细节之处， 着实耗费了一些功夫，但是在整个课设过程中，自己得到的收获也是非常的大。不仅是对于电力拖动有了更深层次的理解，还能够将课堂上学到的理论知识与实践结合在一起，而且经过这次课设，我对MATLAB的使用也更加的熟悉。同时我也是第一次连续在图书馆借了好几本书，一天到晚专心泡在图书馆做课设，这份经历是我本学期最大的收获。一开始课设做的并不顺利，因为参数纯粹都是自己瞎设定的，所以到了仿真的时候才发现，原来这些参数得到的结果并不能很好的调速和降低电机的启动电流。到了后来试了很多次，结合图书馆借阅的资料才设置好了合理的参数，使得仿真的波形比较理想。如下图就是其中一次失败的尝试。我当初选择电拖课设其实是迫不得已的，当时大家都说高电压课设简单，我就想选高压,但名额满了之后只得选择电拖。但现在看来，我很庆幸选择了电拖课设，因为这次课设带给我的收获真的是非常大，一言难尽！在此，特别感谢我的任课老师夏胜芬老师和徐伟老师！在做课设中间