1、 PAGE19 / NUMPAGES19 電力拖動課程設計題目：直流電機的PWM電流速度雙閉環調速系統某：趙強學號： U201311856 班級：電氣1303指導老師：徐偉課程評分：日期：2016-07-10目錄一、設計目標與技術參數二、設計基本原理（一）調速系統的總體設計（二）橋式可逆PWM變換器的工作原理（三）雙閉環調速系統的靜特性分析（四）雙閉環調速系統的穩態框圖（五）雙閉環調速系統的硬件電路（六）泵升電壓限制（七）主電路參數計算和元件選擇（八）調節器參數計算三、仿真（一）仿真原理（含建模及參數）（二）重要仿真結果（目的為驗證設計參數的正確性）四、結論參考文獻附錄1：調速系統總圖附錄2：

2、調速系統仿真圖一、設計目標與技術參數直流電機的PWM電流速度雙閉環調速系統的設計目標如下：額定電壓：UN=220V；額定電流：IN=136A；額定轉速：nN：=1460r/min；電樞回路總電阻：R=0.45；電磁時間常數：Tl=0.076s；機電時間常數：Tm=0.161s；電動勢系數：Ce=0.132V*min/r；轉速過濾時間常數：Ton=0.01s；轉速反饋系數=0.01V*min/r；允許電流過載倍數：=1.5；電流反饋系數：=0.07V/A；電流超調量：i5%；轉速超調量：i10%；運算放大器：R0=4K；晶體管PWM功率放大器：工作頻率：2KHz；工作方式：H型雙極性。PWM變換

3、器的放大系數：KS=20。二、設計基本原理（一）調速系統的總體設計在電力拖動控制系統的理論課學習中已經知道，采用PI調節的單個轉速閉環直流調速系統可以保證系統穩定的前提下實現轉速無靜差。但是，如果對系統的動態性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態速降小等等，單閉環調速系統就難以滿足需要。這主要是因為在單閉環調速系統中不能隨心所欲的控制電流和轉矩的動態過程。如圖2-1所示。圖2-1 直流調速系統啟動過程的電流和轉速波形用雙閉環轉速電流調節方法，雖然相對成本較高，但保證了系統的可靠性能，保證了對生產工藝的要求的滿足，既保證了穩態后速度的穩定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態過程。在啟動過程

4、的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋，不讓電流負反饋發揮主要作用，既能控制轉速，實現轉速無靜差調節，又能控制電流使系統在充分利用電機過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產需求。直流雙閉環調速系統的結構圖如圖2-2所示，轉速調節器與電流調節器串極聯結，轉速調節器的輸出作為電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調制變換器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節電機轉速，達到設計要求。直流PWM控制系統是直流脈寬調制式調速控制系統的簡稱，與晶閘管直流調速系統的區別在于

5、用直流PWM變換器取代了晶閘管變流裝置。（二）橋式可逆PWM變換器的工作原理脈寬調制器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調節電機轉速。橋式可逆PWM變換器電路如圖2-3所示。這是電動機M兩端電壓的極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化。圖2-3 橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅動電壓波形如圖2-4所示。圖2-4 PWM變換器的驅動電壓波形他們的關系是：。在一個開關周期內，當時，晶體管、飽和導通而、截止，這時。當時，、截止，但、不能立即導通，電樞電流經、續流，這時。在一個周期內正負相間，這

6、是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2-4所示。電動機的正反轉體現在驅動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機正轉，當正脈沖較窄時，則反轉；如果正負脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動機停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比，電壓系數則在雙極式可逆變換器中調速時，的可調X圍為01相應的。當時，為正，電動機正轉；當時，為負，電動機反轉；當時，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值等于零，不產生平均轉矩，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在

7、電動機停止時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區，起著所謂“動力潤滑”的作用。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優點：1）電流一定連續。2）可使電動機在四象限運行。3）電動機停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區。4）低速平穩性好，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。（三）雙閉環直流調速系統的靜特性分析由于采用了脈寬調制，電流波形都是連續的，因而機械特性關系式比較簡單，電壓平衡方程如下.按電壓平衡方程求一個周期內的平均值，即可導出機械特性方程式，電樞兩端在一個周期內的電壓都是，平均電流用表示，平均轉速，而電樞電感壓降的平均值在穩態時應為零。于是其平均值方程可以

8、寫成則機械特性方程式（四）雙閉環直流調速系統的穩態結構框圖雙閉環直流系統的穩態結構圖如圖2-5，分析雙閉環調速系統靜特性的關鍵是掌握PI調節器的穩態特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當調節器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調節環開環。當調節器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩態時總是為零。圖2-5雙閉環直流調速系統的穩態結構框圖實際上，在正常運行時，電流調節器是不會達到飽和狀態的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不飽和兩種情況。（五）雙閉環直流調速系統的硬件電路雙閉環直流調速系統主電路中的 UPE 是直流 PWM 功率變換器

9、。系統的特點：雙閉環系統結構，實現脈沖觸發、轉速給定和檢測。由軟件實現轉速、電流調節，系統由主電路、檢測電路、控制電路、給定電路、顯示電路組成。如圖2-6所示。圖2-6 雙閉環直流 PWM 調速系統硬件結構圖主電路：三相交流電源經不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經過直流PWM變換器得到可調的直流電壓，給直流電動機供電。檢測回路：包括電壓、電流、溫度和轉速檢測。電壓、電流和溫度檢測由A/D轉換通道變為數字量送入微機；轉速檢測用數字測速（光電碼盤）。故障綜合：利用微機擁有強大的邏輯判斷功能，對電壓、電流和溫度等信號進行分析比較，若發生故障立即通知微機進行故障診斷，以便及時處理，避免故障進一

10、步擴大。這也是才用微機控制的優勢所在。（六）泵生電壓限制當脈寬調速系統的電動機減速或停車時,儲存在電機和負載傳動部分的動能將變成電能，并通過 PWM 變壓器回饋給直流電源。一般直流電源由不可控的整流器供電，不可能回饋電能，只好對濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓”。如果要讓電容器全部吸收回饋能量，將需要很大的電容量，或者迫使泵升電壓很高而損壞元器件。在不希望使用大量電容器（在容量為幾千瓦的調速系統中，電容至少要幾千微法）從而大大增加調速裝置的體積和重量時，可以采用由分流電阻 R 和開關管 VT 組成的泵升電壓限制電路，用R 來消耗掉部分動能。R 的分流電路靠開個器件 VT 在泵升電

11、壓達到允許數值時接通。（七）主電路參數計算和元件選擇主電路參數計算包括整流二極管計算，濾波電容計算、功率開關管 IGBT 的選擇及各種保護裝置的計算和選擇等。（1）整流二極管及濾波電容的計算根據二極管的最大整流平均和最高反向工作電壓分別應滿足：（A）（V）選用大功率硅整流二極管，型號和參數如下所示：型號額定正向平均電流（A)額定反向峰值電壓URM（V)正向平均壓降（V)反向平均漏電流（mA)散熱器型號ZP10A1020020000.50.76SZ14在設計主電路時，濾波電容是根據負載的情況來選擇電容C值，使RC（35）T/2，且有（V)，即C15000uF故此，選用型號為CD15的鋁電解電容，

12、其額定直流電壓為400V，標稱容量為22000uF。（2）IGBT的計算最大工作電流Imax2Us/R=440/0.45=978(A)集電極發射極反向擊穿電壓(23)Us=440660v（八）調節器參數計算（1）調節器工程設計方法的基本思路先選擇調節器的結構，以確保系統穩定，同時滿足所需要的穩態精度。再選擇調節器的參數，以滿足動態性能指標。設計多環控制系統的一般原則是：從內環開始，一環一環地逐步向外擴展。在這里是：先從電流環人手，首先設計好電流調節器，然后把整個電流環看作是轉速調節系統中的一個環節，再設計轉速調節器。（2）電流環的設計下圖2-7為電流環結構圖圖2-7電流環結構圖= 1 * RO

13、MANI確定時間常數（1）PWM裝置滯后時間常數：TS=0.0017s。（2）電流濾波時間常數Toi取0.002s。（3）電流環小時間常數Ti。按小時間常數近似處理，取Ti=TS+Toi=0.0037s。= 2 * ROMANII選擇電流調節器結構根據設計要求，并保證穩態電流無差，可以按典型I型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的，因此電流調節器選用PI型，其傳遞函數為檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型I型系統動態抗擾性能，各項指標都是可以接受的。= 3 * ROMANIII計算電流調節器參數電流調節器超前時間常數：。電流開環增益：要求時，應取，因此于是= 4 * ROMANIV檢

14、驗近似條件電流環截止頻率：脈寬調制變換器傳遞函數近似條件滿足近似條件。（2）忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件滿足近似條件。（3）電流環小時間常數近似處理條件滿足近似條件。= 5 * ROMANV計算ACR的電阻和電容取=4k，則，取按照上述參數，電流環可以達到的動態指標為，故滿足設計要求。轉速環的設計下圖2-8為轉速環動態結構框圖簡化。圖2-8 轉速環等效成單位負反饋系統和小慣性的近似處理= 1 * ROMANI確定時間常數電流環等效時間常數1/KI。已取KIT=0.5，則（2）取轉速濾波時間常數Ton。取Ton=0.01s。（3）轉速環最小時間常數。按小時間常數近似處理，取= 2 *

15、ROMANII選擇轉速調節器結構根據穩態無靜差及其他動態指標要求，按典型II型系統設計轉速環，ASR選用PI調節器，其傳遞函數為= 3 * ROMANIII選擇ASR參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為則轉速環開環增益于是，ASR的比例系數為= 4 * ROMANIV校驗近似條件轉速截止頻率為（1）電流環傳遞函數簡化條件為滿足簡化條件（2）轉速環小時間常數近似處理條件為滿足近似條件。= 5 * ROMANV計算調節器電阻和電容取，則，取；，取；，取。= 6 * ROMANVI檢驗轉速超調量當h=5時，查表得，=37.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于這是按線性

16、系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。設理想空載起動時，負載系數z=0。按ASR退飽和的情況計算超調量當h=5時，而因此可見轉速超調量滿足要求。三、仿真（一）仿真原理（含建模及參數）在Matlab中進入Simulink環境，創建Model文件如下圖3-1所示：圖3-1 直流雙閉環調速系統仿真模型上述PI調節器的子模型如下圖3-2和圖3-3所示：圖3-2 ASR調節器模型圖3-3 ACR調節器模型仿真參數：Ton=0.01sToi=0.002sTS=0.0017s Tl=0.076s Tm=0.161s=0.007=0.05Ce=

17、0.132ACR: Kp=2.84ASR: Kp=10.49（二）重要仿真結果（目的為驗證設計參數的正確性）仿真結果如下圖3-4和圖3-5所示：圖3-4 電流響應圖3-5 轉速響應四、結論從仿真結果中可以看到，電動機的啟動過程經歷了電流上升、恒流升速和轉速超調后的調節三個階段。與該電動機的開環系統相比，電動機啟動電流大幅度下降，電流環發揮了調節作用，使最大電流限制在設定的X圍以內。修改調節器參數，可以觀察在不同參數條件下雙閉環系統電流和轉速的響應，修改轉速給定，也可以觀察電動機在不同轉速時的工作情況。本次課程設計終于完成了，從最初的略微了解雙閉環調速系統到現在徹底弄清楚細節之處，著實耗費了一些

18、功夫，但是在整個課設過程中，自己得到的收獲也是非常的大。不僅是對于電力拖動有了更深層次的理解，還能夠將課堂上學到的理論知識與實踐結合在一起，而且經過這次課設，我對MATLAB的使用也更加的熟悉。同時我也是第一次連續在圖書館借了好幾本書，一天到晚專心泡在圖書館做課設，這份經歷是我本學期最大的收獲。一開始課設做的并不順利，因為參數純粹都是自己瞎設定的，所以到了仿真的時候才發現，原來這些參數得到的結果并不能很好的調速和降低電機的啟動電流。到了后來試了很多次，結合圖書館借閱的資料才設置好了合理的參數，使得仿真的波形比較理想。如下圖就是其中一次失敗的嘗試。我當初選擇電拖課設其實是迫不得已的，當時大家都說高電壓課設簡單，我就想選高壓，但名額滿了之后只得選擇電拖。但現在看來，我很慶幸選擇了電拖課設