2021年度基于PWM的可逆直流调速系统的仿真研究

广西工学院鹿山学院

毕业设计（论文）

题 目:基于PWM可逆直流调速 仿真研究

系别:电子信息和控制工程系
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二〇一三年五月十一日

摘要
直流调速系统含有调速范围广、精度高、 动态性能好和易于控制等优点,同时它含有良好起、制动性能,能够在较宽调速范围内实现平滑调速,

较快零动态响应过程,而且低速运转时力矩大这些极好运行性能和控制特征,

长久以来,直流调速系统一直占据着关键地位,所以在电气传动中取得了广泛应用。

本文设计了一个基于直流脉宽调制（PWM）控制技术可逆直流电机调速系统。为了得到很好动静态性能,该控制系统采取了双闭环控制,同时速度调整器和电流调整器全部选择PI调整器。在本文中,对直流电机转速、电流双闭环调速系统进行了研究,建立了PWM双闭环可逆直流调速系统数学模型,

并对一个基于脉宽调制(PWM)装置双闭环调速系统进行了转速、电流调整器工程设计。 在理论分析和仿真研究基础上,

利用MATLAB/Simulink对系统进行了多种参数给定下仿真,给出仿真波形并得出结论。

关键词:PWM控制;直流电动机;双闭环系统;PI调整器; MATLAB仿真
Abstract
DCspeed-regulating system has the following advantages,wide speedrange, higher accuracy,better dynamic properties,easy to control,andso on. it has a good starting and brake performance,can be in a widerrange of speed regulation of smooth realized in speed,fast dynamicresponse process,and low speed running torque these excellentperformance and control characteristic,but for a long time,DC speedcontrol system has been occupies an important position. On the basisof Power Electronic and electric motor speed adjusting technology,the calibrator designs a speed adjusting system in which Pulse WidthModulation (PWM) controlling technology is used to control reversibleDC motor. The control system uses a double closed – loop control,speed regulator and current regulator using PI regulator at the sametime, in order to get good static and dynamic performance.In thispaper,the DC motor speed and the current double closed-loop speedcontrol system are studied,a PWM double closed loop reversible DCspeed control system,and the mathematical model of

detailedanalysis of system principle and the static and dynamic performance,and a kind of double closed loop speed control system S regulatorbased on PWM device is designed. In the theory analysis andsimulation research,double closed loop speed regulation system,thedesign parameters of analysis and calculation,the use of MATLAB/Simulink of the system
parametersto the set of the simulation, The simulation waveform and draw aconclusion. Keywords:PWMcontrol;DC motor;double loop control system;PI regulator; MATLABsimulation
目录
第一章 绪 论……………………………………………………………… 1
第一节直流调速系统介绍……………………………………………… 1
一、概念……………………………………………………………… 1 二、直流电动机调速方法………………………………………… 1
第二节直流调速系统发展和研究现实状况……………………………… 5 一、G—M调速系统………………………………………………… 6
二、V—M调速系统………………………………………………… 6
三、PWM调速系统………………………………………………… 7 四、中国外研究现实状况………………………………………………… 8 第三节研究可逆直流调速系统目标及意义………………………… 9
第四节本文研究内容………………………………………………… 9
第二章 可逆直流调速系统原理设计……………………………………… 9
第一节直流调速系统性能指标………………………………………… 10
一、动态性能指标…………………………………………………… 10 二、稳态性能指标…………………………………………………… 11 第二节双闭环直流调速系统理论分析……………………………… 13
一、双闭环直流调速系统工作原理……………………………… 13
二、双闭环直流调速系统组成…………………………………… 13

第三节双闭环直流调速系统静特征………………………………… 15 一、稳态结构图和静特征…………………………………………… 15 二、稳态参数计算…………………………………………………… 16 第四节双闭环直流调速系统数学模型建立和动态性能…………… 17 一、数学模型建立………………………………………………… 17 二、起动过程分析…………………………………………………… 18 三、动态跟随性……………………………………………………… 21 四、动态抗干扰性能分析…………………………………………… 21 五、两个调整器作用……………………………………………… 22 第五节工程设计方法在双闭环可逆直流调速系统应用…………… 22 一、调整器设计方法及PI调整器………………………………… 22 二、经典系统中I型系统和II型系统性能比较………………… 24 三、电流、转速调整器工程设计………………………………… 25第三章 可逆直流调速系统环流问题…………………………………… 34 第一节可逆运行及可逆电路…………………………………………… 34 一、电枢反接可逆线路……………………………………………… 34 二、励磁反接可逆线路……………………………………………… 35 三、电枢反接和励磁反接可逆线路比较………………………… 36 第二节可逆线路环流问题……………………………………………… 36 一、环流定义……………………………………………………… 36 二、环流优缺点…………………………………………………… 36 第三节环流类型及其抑制方法………………………………………… 37 一、环流种类……………………………………………………… 37 二、直流平均环流抑制方法……………………………………… 37 三、瞬时脉动环流抑制方法……………………………………… 38第四章 PWM脉冲宽度调制………………………………………………… 40 第一节PWM基础概念…………………………………………………… 40

第二节PWM变换器……………………………………………………… 40 第三节PWM功率放大器………………………………………………… 41第五章 PWM双闭环可逆直流调速系统调试和仿真……………………… 44 第一节建立数学模型……………………………………………………… 44 第二节稳态参数计算…………………………………………………… 44 第三节动态参数计算…………………………………………………… 44 一、电流环参数计算……………………………………………… 44 二、转速环参数计算……………………………………………… 46 第四节双闭环可逆直流调速系统在MATLAB/Simulink仿真……… 47 一、MATLAB介绍…………………………………………………… 47 二、电流环仿真……………………………………………………… 48 三、转速环仿真……………………………………………………… 48 四、双闭环可逆直流调速系统仿真……………………………… 49结束语………………………………………………………………………… 49致谢…………………………………………………………………………… 50参考文件……………………………………………………………………… 50附录…………………………………………………………………………… 51

第一章 绪 论第一节直流调速系统介绍

一、概念

所谓调速就是经过改变电动机或电源参数使电动机转速根据控制要求发生改变或保持恒定。调速有两层含义:一是变速控制,即让电动机转速根据控制要求改变;二是稳速控制,当控制要求没改变时,系统受到外界干扰作用,电动机转速应保持相对恒定,即调速系统应含有抗干扰性。在实际生产过程中,调速性能好坏直接关系到产品加工精度、质量和生产效率,所以,调速技术广泛应用于各个领域生产过程中。

按生产工艺对电动机转速进行控制电力拖动系统。因为直流电动机含有开启、 制动性能好,调速范围宽特点,所以,直流调速系统广泛应用于大型工业中。

二、直流电动机调速方法

她励直流电动机电气符号和稳定运行时等效电路图1.1所表示。

（a）电气符号

（b）等效电路

图1.1 她励直流电动机电气符号和稳态运行时等效电路

通电直导线在磁场中受力,带动电动机电枢旋转。通常情况下励磁电压不变,

二者之一极性发生改变,电动机转向也随之而变。

电动机稳定运行时等效电路图1.1（b）所表示,E为电枢绕组产生感应电势,

其大小和电动机转速n成正比;Ra为电枢电阻。由等效电路不难得出

UdIR d aE(1.01)

其中

E



K n

(1.02)

整理可得直流电动机转速表示式（即机械特征方程）以下:

n



U

d



I R d a



U

d



R a



n

n

(1.03)

K

e

K

e N

K

e N

d

0

（一）调压调速
经过改变电枢电压来改变电动机转速方法称为调压调速。其对应机械特征方程为

n



U

d



R a

I

d



n 0

n

(1.04)

K

e N

K

e N

电动机电枢电压通常以额定电压为上限值,所以,

取不一样值时,对应理想空载转速改变,机械特征硬度（或斜率）不变,机械特征曲线图1.2所表示。

图1.2 她励电动机调压调速特征调压调速特点以下:

①电枢电压降低,电动机转速降低,反之,电枢电压升高,电动机转速升高。②电枢电压最大值为额定电压,转速最高值为额定转速;
③机械特征硬度不变,即机械特征是一组平行斜线;

调压调速在直流调速系统中应用广泛。

（二）串电阻调速
串电阻调速是在电动机电枢回路串入电阻来改变电动机转速。其机械特征方程为

特征硬度变得越软,但理想空载转速不变,机械特征图1.3所表示。

图1.3 她励电动机串电阻调速特征
串电阻调速特点以下:
①电枢回路电阻增大,电动机转速降低,得到转速小于额定转速;

③特征硬度伴随串入电阻增大而变软。

因为硬度较软,调速精度较低,串电阻调速在调速系统中应用较少。

（三）弱磁调速
因为直流电动机额定磁通靠近于工作磁通饱和值,经过改变磁通来调速只能在小于额定磁通范围内进行调整,故称为弱磁调速。

弱磁调速对应机械特征方程为

n



U N  K e

R a I K e

d



n 0

n

(1.06)

磁通降低时,机械特征曲线理想空载转速升高,斜率增大,特征曲线硬度变软,机械特征曲线图1.4所表示。

图1.4 她励电动机弱磁调速特征弱磁调速特点以下:

①可取得高于额定值转速,磁通越小,转速越高;

③磁通减小,特征硬度变软。

因为其硬度软,调速精度不高,弱磁调速通常不单独使用,有时可和调压调速结合,用于取得高于额定值转速。

以上3种调速方法中,最常见是调压调速。

第二节直流调速系统发展和研究现实状况

直流调速系统是经过改变电动机电枢电压大小来实现调速,依据取得可调电枢电压方法不一样,将直流调速系统发展分为3个阶段:直流发电机——电动机调速系统（简称G—M调速系统）,晶闸管整流装置——

M调速系统）和直流脉宽调速系统（简称PWM调速系统）。一、G—M调速系统

直流电动机所需直流电源是经过直流发电机来提供,这么调速系统称为直流发电机——电动机调速系统,简称G—M调速系统,其电气原理图图1.5所表示。

图1.5 G—M调速系统原理图

永磁式直流发电机L为直流电动机M和直流发电机G提供励磁电源。双掷开关S用于改变发电机励磁电流方向,可改变发电机输出电压U极性,从而改变电动机M转向。为预防开关S断开时,励磁绕组产生过高感应电压,并联电阻

从而改变直流发电机输出电压U大小,实现对直流电动机调速。

G—M调速系统所需设备多,体积庞大,效率低,维护不方便,运行时噪声大。但该系统在20世纪50年代曾广泛应用,现在在还未进行设备改造地方仍沿用这种系统。

二、V—M调速系统

20世纪60年代以后,伴随大功率电力电子元件——晶闸管投入使用,经可控整流取得可调直流电源愈加方便、经济,G—M调速系统逐步被晶闸管整流装置——直流电动机调速系统（简称V—M调速系统）所替换。图1.6所表示为最简单V—M调速系统。V—M调速系统是现在应用最广直流调速系统。

图1.6 V—M系统原理图

三、PWM调速系统

PWM调速系统是脉宽调速系统简称,是直流调速系统发展最新阶段。

再利用斩波电路（即PWM装置）将直流电压变成宽度可调高频率脉冲电压,

加在直流电动机电枢绕组上,经过改变脉冲宽度改变电动机电枢电压平均值,从而实现对电动机调速控制。图1.7所表示为简单脉宽调速系统原理图。

图1.7 脉宽调速系统原理图
脉宽调速优点以下:
①利用二极管不可控整流,输出电压波形中含有高次谐波较晶闸管整流大大降低,降低了对电网电压品质因数不利影响;
②从根本上取消了对晶闸管整流器来说不可缺乏换流电路。

直流脉宽调速系统性能比V—M调速系统更为优越,多年来在中小容量高精度控制系统中得到广泛应用。

四、中国外研究现实状况

工业上传动所用电动机一直以直流电动机为唯一方法。到了19世纪末,出现了三相电源和结构简单,坚固耐用交流笼型电动机以后,交流电动机传动在不调速场所才替换了直流电动机传动装置。然而,伴随生产不停发展,调速对变速传动装置是一项基础要求,现代应用很多变速传动系统,在满足一定调速范围和连续（无级）调速同时,还必需含有连续稳定性和良好瞬态性能。即使直流电动机能够满足这些要求,但因为直流电动机在容量、体积、 重量、 成本、

所以长久以来大家一直渴望开发出交流调速电动机替换直流电动机。从60年代起,国外对交流电动机调速已开始重视。伴随电力电子学和电子技术发展,尤其是电力半导体器件发展,使得采取半导体变流技术交流调速系统得以实现。尤其是70年代以来,大规模集成电路和计算机控制技术发展,和现代控制理论应用,为交流电力拖动系统发展发明了有利条件,促进了多种类型交流调速系统:

无换向器电动机调速系统和矢量控制调速系统等飞速发展。现在交流电力拖动系统已含有了较宽调速范围,较高稳速精度,较快动态响应,

国际上很多国家交流电力拖动系统已进入工业实用化阶段,大有替换直流电力拖动系统势头。

但就现在而言,直流调速系统是自动调速系统关键形式,以后一个阶段在调速要求较高场所,直流调速仍然处于关键地位。比如很多工业部门:轧钢、如轧钢厂、 矿山采掘、 纺织、 造纸、海上钻井平台等需要高性能调速场所得到广泛应用。

直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化,其关键特点是:
①常规晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件替换,从而简化系统结构,降低了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引发部分故障,而且维修方便;
②动态参数调整方便;
③系统能够方便设计监控、故障自诊疗、 故障自动复原程序,以提升系统可靠性;
④可采取数字滤波来提升系统抗干扰性能和可采取数字反馈来提升系统精度; ⑤轻易和上一级计算机交换信息及含有信息存放、数据通信功效;
⑥成本较低。

直流电动机因为调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时,保持励磁电流恒定,可用改变电枢电压方法实现恒定转矩调速;在额定转速以上运行时,保持电枢电压恒定,可用改变励磁方法实现恒功率调速。直流电动机含有良好运行和控制特征,长久以来,直流调速系统一直占据垄断地位,其中,双闭环直流调速系统是现在直流调速系统中主流设备,它含有调速范围宽、平稳性好、 稳速精度高等优点,在理论和实践方面全部是比较成熟系统,在拖动领域中发挥着极其关键作用。

第三节研究可逆直流调速系统目标及意义

现在,转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好,应用最广直流调速系统。我们知道采取转速负反馈和PI调整器单闭环直流调速系统能够在确保系统稳定前提下实现转速无静差。不过,假如对系统动态性能要求较高,单闭环系统就难以满足要求。所以需要引入转速、 电流双闭环控制直流调速系统。采取转速、 电流双闭环直流调速系统可取得优良静、动态调速特征,即不管是转速调整器还是电流调整器,全部选择PI调整器控制。其中,转速调整器在双闭环调速系统作用有:使转速跟随给定电压U而改变,稳态无静差、对负载改变起抗扰作用、其输出限幅值决定许可最大电流;而电流调整器在双闭环调速系统作用有:对电网电压波动起立即抗扰作用、起动时确保取得许可最大电流、 在转速调解过程中,使电流跟随其给定电压U改变、当电机过载甚至于堵转时,限制电枢电流最大值,从而起到快速安全保护作用,假如故障消失,系统能够自动恢复正常。

转速、电流双闭环直流调速系统控制规律,性能特点和设计方法是多种交、直流电力拖动自动控制系统关键基础。 第一,应掌握转速、电流双闭环直流调速系统基础组成及其静特征;第二,

从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速和电流两个调整器作用;第三,

研究通常调整器工程设计方法,和经典控制理论动态校正方法相比,得出该设计方法优点,即计算简便、应用方便、 轻易掌握;第四,应用工程设计方法处理双闭环调速系统中两个PI调整器设计问题等等。

经过对转速、电流双闭环直流调速系统了解,使我们能够愈加好掌握可逆调速系统基础理论及相关内容,在对其多种性能加深了解同时,能够发觉其缺点之处,经过对该系统不足之处完善,可提升该系统性能,使其能够适适用于多种工作场所,提升其使用效率。并以此为基础,再对交流调速系统进行研究,最终掌握多种交、直流调速系统原理,使之能够应用于国民经济各个生产领域。