双闭环可逆直流脉宽调速系统设计.doc-资料库

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摘要许多机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用最广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。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。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用 Simulink 对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。本文采用 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。【关键词】：双闭环直流调速系统 Simulink 仿真电流环速度环速度调节器电流调节器

Abstract Many machines require a certain speed within the smooth adjustment, and require a good steady-state and dynamic performance. The wide range of DC drive system speed, static gap is small, good stability and good dynamic performance, high-performance drag technical fields, a considerable long period of time almost all use of DC electric drive system. Double Loop DC Motor Speed Control System of DC system is developed in the most mature and most widely used power transmission system. It has fast dynamic response, strong anti-interference ability and so on. In this paper, the working principle of DC motors start, the establishment of a dual closed-loop DC drive system, mathematical model and a detailed analysis of the system's principle and its static and dynamic performance. And then follow the automatic control principle, the double-loop speed control system design parameters are analyzed and calculated by using Simulink for the system to set various parameters of the simulation, obtained by simulation based on parameter tuning. In this paper, the control of MATLAB software toolbox pairs of closed-loop DC motor speed control systems, computer-aided design and digital simulation using Simulink dynamic, view simulation waveforms, thus validating the design speed control system is feasible. Keywords: Double-Loop ， DC Speed Control System Simulink simulation speed governor current governor 2

目录摘要……………………………………………………………错误！未定义书签。 Abstract…………………………………………………………错误！未定义书签。第一章概述……………………………………………………错误！未定义书签。第二章直流调速系统简介 ……………………………………2 2.1 直流调速系统的原理………………………………………2 2.2 双闭环直流调速系统的工作原理................... 2.2.1 双闭环调速的介绍 .......................... 2.2.2 双闭环直流调速系统的组成 .................. 2.2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图.................. 2.2.4 双闭环直流调速系统的数学模型............... 2.3 电流环、速度环的设计............................. 2.3.1 转速调节器、电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用 ............................ 2.3.2 调节器的具体设计. 第三章 PWM 脉宽调制………………………………………… 3.1 PWM 基本介绍…………………………………………… 3.2 脉宽调制变换器………………………………………… 3.3 桥式可逆 PWM 变换器…………………………………… 第四章直流电动机数学模型的建立………………………… 4.1 数学模型的建立………………………………………… 4.1.1 写出平衡方程式、拉普拉斯变换…………………… 4.1.2 动态结构图…………………………………………… 4.2 本设计中电动机部分的数据采集和计算............ 第五章双闭环直流调速系统仿真..................... 5.1 MATLAB 简介.................................. 5.2 双闭环调速系统的仿真........................ 心得体会.......................................... 参考文献.......................................... 3

第一章概述直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统, 采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。首先，应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；然后，在建立该系统动态数学模型的基础上，从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；第三，研究一般调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正方法相比，得出该设计方法的优点，即计算简便、应用方便、容易掌握；第四，应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题等等。通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。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。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用 Simulink 对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。 1

第二章直流调速系统 2.1 直流调速系统的调速原理直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管—直流电动机(V—M)组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础[1，6]。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。直流电动机的转速和其它参量的关系和用式（2—1）表示 Un   eK IR  （2—1）式中 n——电动机转速； U——电枢供电电压； I——电枢电流； R——电枢回路总电阻，单位为  eK ——由电机机构决定的电势系数。在上式中， eK 是常数，电流 I 是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法：（1）调节电枢供电电压 U；（2）减弱励磁磁通  ；（3）改变电枢回路电阻 R。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。 2

2.2 双闭环直流调速系统的工作原理 2.2.1 双闭环调速系统的介绍双闭环直流调速系统是一种当前应用广泛、经济、适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流 dcrI 值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-1 （a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。 n Idm Id n Idm n IdL n IdL (a) t O (b) t (a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程图 2-1 调速系统起动过程的电流和转速波形在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。 3 Id Idcr O

这样的理想起动过程波形如图2-1（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。 2.2.2 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，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2-2所示，即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晶闸管整流器的触发装置。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性。图 2—2 转速、电流双闭环直流调速系统 2.2.3．双闭环直流调速系统的稳态结构图首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图 2-3 所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握 PI 调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。 4

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