毕业设计(论文)-基于PWM控制的直流电动机调速系统设计和MATLAB仿真1

a电路原理图b电动状态电压和电流波形c制动状态电压和电流波形d电动和制动交替状态电流波形图3-6制动不可逆PWM变换器及其波形有一种特殊情况,即轻载电动状态,这时平均电流较小,以致在关断后经续流时,还没有到达周期T,电流已经衰减到零,此时,因而两端电压也降为零,便提前导通了,使电流方向变动,产生局部时间的制动作用。轻载电动状态,一个周期分成四个阶段：出波形见图3-6d。综上所述,具有制动回路的不可逆PWM变换器的电枢电流始终是连续的。3.2.3H型双极式PWM变换器图3-7为H型双极式PWM变换器,它由四个大功率晶体管和四个续流二极管组成。四个大功率管分为两组,和为一组,和为另一组。在基极驱动信号=,==-的作用下,同一组中的两个晶体管同时导通或同时关断,两组晶体管之因此,PWM变换器a电路原理图b电压电流波形图3-7H型双极式PWM变换器及其波形双极式控制可逆PWM〔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,有利保证器件的可靠导通。第四章PWM直流电动机调速系统的设计4.1PWM-M直流调速系统的控制电路电力晶体管构成的PWM变换器是调速系统的主电路,是对已有的PWM波形的电压信号进行功率放大,并不改变信号的PWM波性质。而PWM电压波形的产生、分配则是P制器UPW、调制波发生器GM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管的基极驱动器GD。图4-1双闭环控制的脉宽调速系统原理框图1．锯齿；3多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器；4数字式脉宽调制体管还未完全关断,如果此时另一个晶体管已经导通,则将造成上下两管直通,从而使电源短路。为了避免发生这种情况,应设置一个逻辑延时环节,保证在对一个管子发出关闭脉冲后,延时一段时间再发出对另一个管子的开通脉冲,避免两个晶体管同时导通。3．限流保护环节〔ＦＡ在逻辑延时环冲信号进行功率放大,以驱动主电路的电力晶体管,每个晶体管应有独立的基极驱动电路。为了确保晶体管在开通时能迅速达。4.2系统设计方案的选择4.2.1图4-2同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。图4-2直流电源设计原理图图4-3三相桥式不控整流电路原理图对于PWM变换器中的滤波电容,其作用除滤波外,还有当电机制动时吸收运行系统动能的作,可以采用图4-4中的镇流电阻来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件在泵升电压达到允许数值时接通。本设计由于采用MATLAB/Simulink仿真平台进行电路仿真,MATLAB模型库中的电力系统模型库<PowerSystemBlockset>里提供了直流、交流电源模块,因此在仿真电路设计中,可直接用直流电源代替三相不控整流直流电源。图4-4泵升电压限制电路原理图4.2.2脉宽调变换器,构成可逆直流脉宽调速系统。H桥双极式可逆变换器的原理图见图4-5,其输出波形如图4-6所示。图4-5双极式可逆变换器的控制原理图图4-6可逆双极式变换器工作各参数波形调速时,的可调范围为0~1,–1<<+1。当>0.5时,为正,电机正转；当<0.5时,为负,电机反转；当=图4-7直流脉宽调速系统主电路原理图4.2.3为了使系统具有较好的动态、静态性能,本次设计的调速系统采用转速、电流双闭环控制方案,系统的静特性很硬,基本上无静差,启动时间短,动态响应快；系统的抗干扰能力强；应用广泛〔在自动调速系统中。进一步改善系统的调速性能,大大提高系统故称双闭环。其中一个是由电流调节器ACR和电流检测—反馈环节构成的电流环,另一个是由速度调作用。只要转速环的开环放大倍数足够大,最后仍能靠ASR的积分作用,消除转速偏差。图4-8PWM可逆直流调速系统原理图4.3直流脉宽调速系统的MATLAB仿真4.3.1控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科,它是以控制系统的数学模型为基础,以计算机为工具,对系统进行实验研究的一种方法。系统仿真就是用模型〔即物理模型或数学模型代替实际系统进行实验和研究,而计算机仿真使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。4.3.2双闭环控制的脉宽调速系统原理框图如图4-1所示,图4-9是采用面向双闭环控制脉宽调速系统原理结构图构作的直流脉宽调速系统的仿真模型。图4-9双闭环直流脉宽调速系统仿真模型图1．主电路建模和参数设置：由图4-9可见,主电路由直流电源、IGBT逆变器桥、直流电动机等部分组成。直流受PWM信device"选择为"MOSFET/Diodes"即可。图4-10"UniversalBridge"对话框参数设置图4-11直流电动机的参数设置直流电动机的建模和参数设置：首先从电机系统模块中选取"DCMachine"模块,电动机的励磁环节、转速调节器ASR、电流调节器ACR,速度、电流反馈环节、PWM信号发生器等。其中,转速调节器和电流调节器各封装在子模块中,里面包含PI调节,限幅值等。1给定电压环节：改变给定电压即可改变电动机的转速,从sources模块组中选取两个模块"constant",可先设定其一参数为10,另一参数设为-10,作为给定环节,可正负切换给定值,使电动机能够正转和反转。2转〔4-1式中：-比例系数,-积分系数,考通过分析,转速、电流调节器的各参数如图所示。其中ASR、ACR的限幅值均设定为[-10,10]。a转速调节器ASRb电流调节器ACR图4-12转速、电流PI调节器的各参数设定3转速、电流反馈环节：在稳态工作点上,转速是由给定电压决定的,设定转速反馈系数为0.00417,由式,可首先估算出经放大后的转速的值,通过示。4.3.3当建及励磁电流的波形曲线。图4-13调速系统励磁电流的波形图4-14起动时的电流波形〔正转a〔正转b〔反转图4-15脉宽调速系统转速仿真波形a〔正转b〔反转图4-16脉宽调速系统电流仿真波形a〔正转b〔反转图4-17脉宽调速系统转矩仿真波形1、从仿能突变,而是在最短时间内迅速达到允许的最大值。3、采用了转速、电流双闭环控制电路,转速从零开始到稳定转速的过渡,所需时间短,起到了快速起动的作用,如图4-18所示,到达稳定转速时间约为1s。图4-18转速的过渡过程4、系统实现了正反转运行,当给定电压环节从+10拨向-10时,电机便实现反转,其转给定值=6及=4时的转速波形。a转速〔=6b转速〔=4图4-19改变后的转速仿真波形总结本文主要利用MATLAB对转速、电流双闭环直流脉宽调速系统的设计进行仿真和调试。在此基础上,本文首先对直流电机调速的状况进行介绍,介绍了在几种直流调速系统〔如旋转变流机组、可控晶闸管整流器、脉宽调速等,基于脉宽调速以往调速系统所没有的优点,本设计采用直流脉宽对主电路进行控制。本设计中,调速是系统的主要功能,通过研究直流电动机的机械特性,得出了几种常见的改变转速的方法,因调压调速可实现额定转速以下大范围平滑调速,并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。这种方法在直流电力拖动系统中被广泛采用。为了使系统能保证稳定的前提下实现转速无静差,且能够快速起制动,重点介绍了转速、电流双闭环控制系统。转速负反馈得到的反馈电压,与给定值进行比较后,产生了频率一定,占空比可调的脉宽序列,并通过功率放大后,对主电路变换器的电力电子元件的导通和关断进行驱动控制,从而改变电动机的转速,本设计,为了实现PWM控制,介绍了PWM调制技术的原理,并对PWM变换器进行了详细介绍,为了使系统能正反转运行,主电路采用双极式桥式变换器。最后,通过计算机仿真软件MATLAB对系统进行了仿真,通过对波形的分析验证了转速、电流双闭环脉宽调速系统的优点。通过本次设计,加强了我对知识的掌握,使我对设计过程有了全面地了解。通过学习控制系统工作原理以及如何利用仿真软件进行仿真,我查阅了大量相关资料,学会了许多知识,培养了我独立解决问题的能力。同时在对电路设计的过程中,巩固了我的专业课知识,使自己受益匪浅。总之,通过本次设计不仅进一步强化了专业知识,还掌握了设计系统的方法、步骤等,为今后的工作和学习打下了坚实的基础。参考文献[1]陈伯时,电力拖动自动控制系统。机械工业出版社,2003[2]洪乃刚,电力电子技术基础。清华大学出版社,2008[3]周深渊,交直流调速系统与MATLAB仿真。中国电力出版社,2007[4]陈因,电力电子技术实训教程。XX大学出版社,2007[5]洪乃刚,电力电子拖动自动控制系统课程设计指导与仿真。XX工业大学,2008[6]彭鸿才,电机原理及拖动。机械工业出版社,2006[7]李小艳,PWM控制在直流无刷电机调速系统中的应用,XX电子工程研究所,20XX12月[8]冼凯仪,李先祥,基于PWM控制的直流电机控制系统的设计,XX科学技术学院学报,20XX9月,第18卷第3期。[9]陈齐汉等,小功率直流电动机调速正反转切换的PWM控制系统,电工技术,20XX第1期[10]王果,朱大鹏,直流电机双闭环调速系统的工程设计方法仿真,电机技术,20XX第3期[11]Yen-ShinLai,"AssessmentofPulse-WidthModulationTechniquesforBrushlessDCMotorDrives",DepartmentofElectricalEngineering,NationalTaipei[12]HOWARDF.WEBER,"Pulse-WidthModulationDCMotorControl".[13]SunTiecheng;WenYafeng,"PWMDCDrivingSystemswithHighPowerTransistors".MODERNELECTRICPOWER[14]Y.S.Lai,F.S.Shyu,andY.H.Chang,"Novellossreductionpulse-widthmodulationtechniqueforbrushlessDCmotordrivesfedbyMOSFETinverter",IEEETrans.onPowerElectronics,2004[15]Y.S.Lai,"ControltechniqueforbrushlessDCmotordrives,"J.ofElectricalMonthly,Vol.169,pp.234-241,Nov.,2004.致谢大学生活即将结束,为期一个学期的毕业设计也接近尾声。此次毕业设计的完成,凝聚着许多人的关怀和帮助。首先要感谢我的指导教师方炜在设计上的严格要求,感谢洪乃刚教授在专业知识上的悉心指导,思想、学习和生活等各个方面的典范作用,在系统设计和调试过程中给