SPWM在交流调速系统
中的应用
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序言 (2)
1、正弦脉宽调制SPWM 型逆变器基础理论 (2)
1、1正弦脉宽调制(SPWM ) (3)
1、2 SPWM 波的调制条件 (5)
2、三相SPWM 逆变电路带星型负载的仿真 (6)
2、1建立三相SPWM 仿真模型: (6)
2、2仿真结果分析 (7)
3.三相异步电机调速系统SPWM 电压型逆变器的仿真 (10)
3、1 建立模型基础概念 (10)
3、2 SPWM 电压型逆变器矢量仿真模型的建立 (11)
3、3 仿真结果及其分析 (13)
序言
交流电机传动的电力机车就是由电压型、电流型交直交变流器供电的异步电机组成的系统,包括整流器,直流中间环节,与逆变部分。而逆变器就是控制 6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电件的通断,可以得到不路。按照一定规律控制同频率的三相交流输出各半导体开关器件的通断,可以得到不同频率的三相交流输出。本文针对逆变环节,在理论分析的基础上,对针对带一般星型电感性负载,与在三相异步电机的情况下分别进行了MATLAB 仿真,并对负载突然变动时的情况进行了讨论(添加一个阶跃转矩),在对三相异步电机进行仿真时,采用了转差频率控制的矢量控制模型,即使在负载变动的情况下,系统仍能在很短的时间内达到稳定,可见其具有很好的调速性能。
为了简便起见,本文仅针对电压源型逆变环节进行讨论,所以在MATLAB 仿真中,直流中间环节采用直流电源替换,电压源型逆变器的原理图如下图所示:
逆＋
－d
U d
C 变器)a (
电压型逆变器
1、正弦脉宽调制SPWM 型逆变器基础理论
所谓PWM (Pulse Width Modulation )就是用直流斩波的方法,将逆变器的输出相电压调制成幅值相等的若干个矩形电压脉冲,通过调节占空比改变脉冲宽度,即可改变输出电压的大小,而调节一个周期的循环开断时间可改变输出电压频率,从而在逆变器上实现VVVF 的综合控制。
下图就是PWM 变频器的主电路原理图,图中以IGBT 全控功率元件143652VT VT VT VT VT VT 、、、、、构成A 、B 、C 三相桥臂,为简化图形,与各开关元件并联的续流二极管未画出,三相电阻负载‘Y ’接。为使逆变器输出PWM 电压波,前提就是取得所需要的PWM 脉冲序列,以控制逆变器开关元件的通、断。通常就是利用三角波电压与参考电压(如正弦电压)相比较调制出PWM 脉冲序列,如图3-7所示。
图３-6 PWM 变频器原理图
图3-7产生PWM 脉冲矩形波
1、1正弦脉宽调制(SPWM ) 00
r
u d U +
交流调速系统概述 1.1、交流调速系统的特点 对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类,这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的。所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。相比于直流电动机，交流电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。 随着电力电子技术，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，交流可调传动得到了广泛的发展，诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。 1.2交流调速系统的应用 由于交流调速系统的优越性，其已经普遍应用于现代工业中，主要由以下几个方面：（1）、风机、水泵、压缩机耗能占工业用电的40%，进行变频、串级调速，可以节能。 （2）、对电梯等垂直升降装置调速实现无级调速，运行平稳、档次提高。 （3）、纺织、造纸、印刷、烟草等各种生产机械，采用交流无级变速，提高产品的质量和效率。 （4）、钢铁企业在轧钢、输料、通风等多种电气传动设备上使用交流变频传动。 （5）、有色冶金行业如冶炼厂对回转炉、培烧炉、球磨机、给料等进行变频无级调速控制。 （6）、油田利用变频器拖动输油泵控制输油管线输油。此外，在炼油行业变频器还被应用于锅炉引风、送风、输煤等控制系统。 （7）、变频器用于供水企业、高层建筑的恒压供水。 （8）、变频器在食品、饮料、包装生产线上被广泛使用，提高调速性能和产品质量。 （9）、变频器在建材、陶瓷行业也获得大量应用。如水泥厂的回转窑、给料机、风机均可采用交流无级变速。 （10）、机械行业是企业最多、分布最广的基础行业。从电线电缆的制造到数控机床的制造。电线电缆的拉制需要大量的交流调速系统。一台高档数控机床上就需要多台交流调速甚至精确定位传动系统，主轴一般采用变频器调速（只调节转速）或交流伺服主轴系统（既无级变速又使刀具准确定位停止），各伺服轴均使用交流伺服系统，各轴联动完成指定坐标位置移动。
《运动控制》课程设计题目：转速，电流双闭环可逆直流宽频调速系统设计 系部：自动化系 专业：自动化 班级：自动化1班 学号：11423006 11423025 11423015 姓名：杨力强.丁珊珊.赵楠 指导老师：刘艳 日期：2018年5月26日-2018年6月13日
一、设计目的 应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。 应用计算机仿真技术，通过在MA TLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。 二、系统设计参数 直流电动机控制系统设计参数：< 直流电动机(3> ） 输出功率为:5.5Kw 电枢额定电压220V 电枢额定电流 30A 额定励磁电流1A 额定励磁电压110V 功率因数0.85 电枢电阻0.2欧姆 电枢回路电感100mH 电机机电时间常数1S 电枢允许过载系数=1.5 额定转速 970rpm 直流电动机控制系统设计参数 环境条件： 电网额定电压:380/220V。电网电压波动:10%。 环境温度:-40~+40摄氏度。环境湿度:10~90%. 控制系统性能指标： 电流超调量小于等于5%。 空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%。 调速范围D＝20。 静差率小于等于0.03.
1、设计内容和数据资料 某直流电动机拖动的机械装置系统。 主电动机技术数据为： ,，，电枢回路总电阻，机电时间常数 ，电动势转速比，Ks=40，，Ts=0.0017ms，电流反馈系数，转速反馈系数，试对该系统进行初步设计。2、技术指标要求 电动机能够实现可逆运行。要求静态无静差。动态过渡过程时间，电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。 三、主电路方案和控制系统确定 主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路采用25JPF40电力二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延时环节DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD和PWM变换器。系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差， 从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流原理图
实验四 直流调速系统仿真与设计 一、 实验目的 1、掌握连续部分的程序实现方法； 2、熟悉仿真程序的编写方法。 二、 实验容 一转速、电流双闭环控制的H 型双极式PWM 直流调速系统，已知电动机参数为：N P =200W ，N U =48V ，N I =4A ，额定转速 500r/min ，电枢电阻Ra=6.5欧，电枢回路总电阻R=8欧，允许电流过载倍数2λ=，电势系数C 0.12min/e V r =?，电磁时间常数s T l 015.0=，机电时间常数s T m 2.0=，电流反馈滤波时间常数 s T oi 001.0=，转速反馈滤波时间常数s T on 005.0=。设调节器输入输出电压** nm im cm U U U 10V ===，调节器输入电阻Ω=k R 400。已计算出电力晶体管D202 的开关频率f 1kHz =，PWM 环节的放大倍数s K 4.8 =。 试对该系统进行动态参数设计，设计指标：稳态无静差，电流超调量i 5%σ≤；空载 起动到额定转速时的转速超调量n 20%σ≤；过渡过程时间s t 0.1s ≤。 建立系统的仿真模型，并进行仿真验证。 一、 设计计算 1. 稳态参数计算 根据两调节器都选用PI 调节器的结构，稳态时电流和转速偏差均应为零；两调 节器的输出限幅值均选择为12V 电流反馈系数；A V A V I U im /25.14210nom * =?==λβ 转速反馈系数：r V r V n U nm min/02.0min /50010max *?===α 2. 电流环设计 （1）确定时间常数 电流滤波时间常数T oi =0.2ms ，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，则
仿真设计报告
转速、电流双闭环直流调速系统的Simulink仿真设计 一、系统设计目的 直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。根据直流电动机的工作原理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。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。在理论分析和仿真研究的基础上，设计了一套实验用双闭环直流调速系统。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。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。 二、系统理论分析 2.1双闭环直流调速系统工作原理 电动机在启动阶段，电动机的实际转速低于给定值，速度调节器的输入端偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态，速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号直流电压迅速上升，电流也随即增大直到最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流可通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零，速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动，速度调节器输入端偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相应变化校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数，还能对因电网波动引起的电枢电流的变化进行快速调节，可在电动机转速还未来得及发生改变时，迅速使电流恢
摘要 本次课程设计直流电机可逆调速系统利用的是双闭环调速系统，因其具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及系统中一些参数的计算。 关键词：双闭环，可逆调速，参数计算，调速器。
目录 1. 设计概述 (1) 1.1 设计意义及要求 (1) 1.2 方案分析 (1) 1.2.1 可逆调速方案 (1) 1.2.2 控制方案的选择 (2) 2.系统组成及原理 (4) 3.1设计主电路图 (7) 3.2系统主电路设计 (8) 3.3 保护电路设计 (8) 3.3.1 过电压保护设计 (8) 3.3.2 过电流保护设计 (9) 3.4 转速、电流调节器的设计 (9) 3.4.1电流调节器 (10) 3.4.2 转速调节器 (10) 3.5 检测电路设计 (11) 3.5.1 电流检测电路 (11) 3.5.2 转速检测电路 (11) 3.6 触发电路设计 (12) 4. 主要参数计算 (14) 4.1 变压器参数计算 (14) 4.2 电抗器参数计算 (14) 4.3 晶闸管参数 (14) 5设计心得 (15) 6参考文献 (16)
直流电动机可逆调速系统设计 1.设计概述 1.1设计意义及要求 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。本次设计最终的要求是能够是电机工作在电动和制动状态，并且能够对电机进行调速，通过一定的设计，对整个电路的各个器件参数进行一定的计算，由此得到各个器件的性质特性。 1.2 方案分析 1.2.1 可逆调速方案 使电机能够四象限运行的方法有很多，可以改变直流电机电枢两端电压的方向，可以改变直流电机励磁电流的方向等等，即电枢电压反接法和电枢励磁反接法。 电枢励磁反接方法需要的晶闸管功率小，适用于被控电机容量很小的情况，励磁电路中需要串接很大的电感，调速时，电机响应速度较慢，且需要设计很复杂的电路，故在设计中不采用这种方式。 电枢电压反接法可以应用在电机容量很的情况下，且控制电路相对简单，电枢反接反向过程很快，在实际应用中常常采用，本设计中采用该方法。 电枢电压反接电路可以采用两组晶闸管反并联的方式，两组晶闸管分别由不同的驱动电路驱动，可以做到互不干扰。 图1-1 两组晶闸管反并联示意图
《运动控制系统》课程设计说明书 课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 转速、电流反馈控制直流调速系统仿真 初始条件： 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电机参数为：额定电压220V U =,额定电流 136I A =； 额定转速n 1460rpm =,0.132min/e V r C =?，允许过载倍数 1.5λ=；晶闸管装置放大系数40s K =；电枢回路总电阻0.5R =Ω；时间常数0.03,0.18l m s s T T ==；电流反馈系数0.05/V A β=;转速反馈系数0.007min/V r α=? 要求完成的主要任务: （1）用MATLAB 建立电流环仿真模型； （2）分析电流环无超调、临界超调、超调较大仿真曲线； （3）用MATLAB 建立转速环仿真模型； （4）分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线； （5）电流超调量5%i σ≤，转速超调量10%n σ≤。 转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的直流调速系统，对于需要快速正、反转运行的调速系统，缩短起动、制动过程的时间成为提高生产效率的关键。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统里设置两个调节器，组成串级控制。本文介绍了双闭环调速系统的基本原理，而且用Simulink 对系统进行仿真。
转速、电流反馈控制直流调速系统仿真 1 设计的初始条件及任务 1.1概述 本次仿真设计需要用到的是Simulink 仿真方法，Simulink 是Matlab 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 1.2初始条件 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电机参数为：额定电压220V U =,额定电流136I A =；额定转速n 1460rpm =,0.132min/e V r C =?，允许过载倍数 1.5λ=；晶闸管装置放大系数40s K =；电枢回路总电阻0.5R =Ω；时间常数0.03,0.18l m s s T T ==；电流反馈系数0.05/V A β=；转速反馈系数0.007min/V r α=?。 1.3要完成的任务 1）用MATLAB 建立电流环仿真模型； 2）分析电流环无超调、临界超调、超调较大仿真曲线； 3）用MATLAB 建立转速环仿真模型； 4）分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线； 5）电流超调量5%i σ≤，转速超调量10%n σ≤。
东北大学秦皇岛分校控制工程学院自动控制系统课程设计 设计题目：直流电动机开环调速系统 设计与仿真 专业名称自动化 班级学号 学生姓名 指导教师 设计时间2015.7.13~2014.7.24 成绩
目录 1.设计任务书 (3) 2.概述 (4) 2.1前言 (4) 2.2 系统原理 (4) 2.3 simulink框图 (5) 3.元件参数设置 (7) 3.1三相交流电压源设置 (7) 3.2.同步六脉冲触发器 (7) 3.3.三相全控桥整流电路 (8) 3.4.直流电动机设计 (8) 4.仿真结果分析 (9) α=时 (12) 4.2 当30o α=时 (14) 4.3 当60o α=时 (17) 4.4 当90o 4.5励磁电流 (19) 5.结论 (20) 6.参考文献 (22) 7.结束语 (22)
东北大学秦皇岛分校控制工程学院 《自动控制系统》课程设计任务书 专业自动化班级姓名 设计题目：直流电动机开环调速系统设计与仿真 一、设计实验条件 地点：实验室 实验设备：PC机 二、设计任务 直流电动机的额定数据为220V，136A，1460r/min，4极， R=0.21 ， a 22 GD=22.5N m；励磁电压为220V，励磁电流为1.5A。采用三相桥式全控整流电路。平波电抗器 L=200mH。 p 设计要求：设计并仿真该晶闸管-电动机（V-M）开环调速系统。观察电动机在全压起动和起动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流变化。 三、设计说明书的内容 1、设计题目与设计任务（设计任务书） 2、前言（绪论）(设计的目的、意义等) 3、主体设计部分 4、参考文献 5、结束语 四、设计时间与设计时间安排 1、设计时间：7月13日～7月24日 2、设计时间安排： 熟悉课题、收集资料：3天（7月13日～7月15日) 具体设计（含上机实验）：6天（7月16日～7月21日) 编写课程设计说明书：2天（7月22日～7月23日) 答辩：1天（7月24日）
CDIO课程项目研究报告 项目名称：H桥可逆直流调速系统设计与实验 姓名； 指导老师： 日期：
摘要 本设计的题目是基于SG3525的双闭环直流电机调速系统的设计。SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。如果对系统的动态性能要求较高，则单闭环系统就难以满足需要。而转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。本设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路，本课题内容重点包括调速控制器的原理，并且根据原理对转速调节器和电流调节器进行了详细地设计。概括了整个电路的动静态性能，最后将整个控制器的电路图设计完成,并且进行仿真。 关键词：双闭环直流可逆调速系统、H桥驱动电路、SG3525信号产生电路、PI调节器、MATLAB仿真
前言 随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。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，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。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中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至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。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，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启动，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。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 项目预期成果： 设计一个双闭环可逆直流无静差调速系统，其稳态性能指标实现要求如下：电流超调量S≤5%调速范围 D=20；其动态性能指标：转速超调量δn=10%；调整时间时间ts=2s；电流超调量δi≤5% 。
电控学院 运动控制系统仿真课程设计 院（系）：电气与控制工程学院 专业班级： 姓名： 学号：
开环直流调速系统的动态建模与仿真 摘要： MATLAB仿真在科学研究中的地位越来越高，如何利用MATLAB仿真出理想的结果，关键在于如何准确的选择MATLAB的仿真。本文就简单的开环直流调速系统的MATLAB仿真这个例子，通过对MATLAB的仿真，得到不同的仿真结果。通过仿真结果的对比，对MATLAB的仿真进行研究。从而总结出如何在仿真过程中对MATLAB的仿真做到最优选择。 详细介绍了用MATLAB语言对《电机与拖动》中直流电动机调速仿真实验的仿真方法和模型建立。其仿真结果与理论分析一致，表明仿真是可信的，可以替代部分实物实验。首先在分析直流调速系统原理的基础上, 介绍了基于数学模型的仿真, 在仿真中可灵活调节相关参数, 优化参数设计。其次完成了基于系统框图, 并分析了调速系统的抗干扰能力。采用工程设计方法对开环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使开环直流调速系统趋于合理与完善。
1.1课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。 由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。 MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink 中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。 Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，
直流调速系统设计 电气工程学院）摘要： 转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。常用的电机调速系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率，但是不够理想。实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型Ⅱ型系统为主。关键词：直流双闭环调速系统电流调节器转速调节器1 设计任务及要求1、1设计任务设计V-M双闭环直流可逆调速系统1、1、1技术数据：?直流电动机：额定电枢电压=400V，额定功率1、 9kW，额定电枢电流=6、9A，额定转速=855r/min，电动机电动势系数Ce=0、1925Vmin/r，允许过载倍数λ=1、5；?晶闸管装置放大系数：Ks=40；整流装置平均滞后时间常数=0、00167s，? 电枢回路总电阻：R=
11、67Ω；?电枢回路电感110mH，电力拖动系统机电时间常数Tm=0、075s；?电枢电流反馈系数：β=0、121V/A （≈10V/1、5），电流滤波时间常数=0、002s；?转速反馈系数α=0、01 V、min/r（≈10V/）；转速滤波时间常数=0、01s；1、2设计要求：(1) 根据试凑法设计电流调节器和转速调节器参数进行仿真，电流超调量≤5%；实现转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量≤5%；(2) 试利用Matlab仿真软件中的Simulink或Simulink中的Power system模块进行仿真，在Matlab仿真软件中构建仿真模型；(3) 用Plot函数绘制理想空载启动到设定转速500r/min下电机启动过程，转速达到设定值后经过20s给定反向信号=-10V时正反转启动过程中转速、电枢电流波形。(4) 对仿真波形及结果进行分析。2 V-M双闭环调速系统的设计改变电枢两端的电压能使电动机改变转向。尽管电枢反接需要较大容量的晶闸管装置，但是它反向过程快，由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。如图1所示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，可以做到互不干扰，都能灵活地控制电动机的可逆运行，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。并且采用三相
比例积分控制的单闭环直流调速系统仿真 一、实验目的 1．熟练使用MATLAB 下的SIMULINK 仿真软件。 2．通过改变比例系数K P 以及积分时间常数τ的值来研究K P 和τ对比例积分控制的直流调速系统的影响。 二、实验内容 1．调节器的工程设计 2．仿真模型建立 3．系统仿真分析 三、实验要求 建立仿真模型，对参数进行调整，从示波器观察仿真曲线，对比分析参数变化对系统稳定性，快速性等的影响。 四、实验原理 图4-1 带转速反馈的闭环直流调速系统原理图 调速范围和静差率是一对互相制约的性能指标，如果既要提高调速范围，又要降低静差率，唯一的方法采用反馈控制技术，构成转速闭环的控制系统。转速闭环控制可以减小转速降落，降低静差率，扩大调速范围。在直流调速系统中，将转速作为反馈量引进系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值进行系统控
制，可以有效的抑制甚至消除扰动造成的影响。 当t=0时突加输入U in时，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到U ex(t)=K P U in，实现了快速响应；随后U ex(t)按积分规律增长，U ex(t)=K P U in+ (t/τ)U in。在t=t1时，输入突降为0，U in=0，U ex(t)=(t1/τ)U in，使电力电子变换器的稳态输出电压足以克服负载电流压降，实现稳态转速无静差。 五、实验各环节的参数及K P和1/τ的参数的确定 5.1各环节的参数： 直流电动机：额定电压U N=220V，额定电流I dN=55A,额定转速n N=1000r/min,电动机电动势系数C e=0.192V ? min/r。 假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数K s=44，滞后时间常数T s=0.00167s。 电枢回路总电阻R=1.0Ω，电枢回路电磁时间常数T l=0.00167s电力拖动系统机电时间常数T m=0.075s。 转速反馈系数α=0.01V ? min/r。 对应额定转速时的给定电压U n?=10V。 稳态性能指标D=20，s 5% 。 5.2 K P和1/τ的参数的确定： PI调节器的传递函数为 W PI(s)=K Pτs+1 τs =K P τ1s+1 τ1s 其中，τ1=K Pτ。 （1）确定时间常数 1）整流装置滞后时间常数T s=0.00167s；
基础课程设计（论文） 直流PWM-M可逆调速系统的设计与仿真 专业：电气工程及其自动化 指导教师：刘雨楠 小组成员：陈慧婷（20114073166） 石文强（20114073113） 刘志鹏（20114073134） 张华国（20114073151） 信息技术学院电气工程系 2014年10月20日
摘要 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。 关键词：直流可逆调速数字触发PWM 数字控制器
直流调速系统的MATLAB 仿真 一、开环直流速系统的仿真 开环直流调速系统的电气原理如图1所示。直流电动机的电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L 供电，通过改变触发器移相控制信号c U 调节晶闸管的控制角α，从而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。该系统的仿真模型如图2所示。 图1 开环直流调速系统电气原理图 图2 直流开环调速系统的仿真模型 为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感s 0L =，直流电动机励磁由直流电源直接供电。触发器（6-Pulse ）的控制角（alpha_deg ）由移相控制信号c U 决定，移相特性的数学表达式为 min c cmax 9090U U αα?-=?-
在本模型中取min 30α=?，cmax 10V U =，所以c 906U α=-。在直流电动机的负载转矩输入端L T 用Step 模块设定加载时刻和加载转矩。 仿真算例1 已知一台四极直流电动机额定参数为N 220V U =，N 136A I =， N 1460r /min n =，a 0.2R =Ω，2222.5N m GD =?。励磁电压f 220V U =，励磁电流f 1.5A I =。采用三相桥式整流电路，设整流器内阻rec 0.3R =Ω。平波电抗器 d 20mH L =。仿真该晶闸管-直流电动机开环调速系统，观察电动机在全压起动和起动后加额定负载时的电机转速n 、电磁转矩 e T 、电枢电流d i 及电枢电压d u 的变化情况。N 220V U = 仿真步骤： 1）绘制系统的仿真模型（图2）。 2）设置模块参数（表1） ① 供电电源电压 N rec N 2min 2200.3136 130(V)2.34cos 2.34cos30U R I U α++?= =≈?? ② 电动机参数 励磁电阻： f f f 220146.7()1.5 U R I = ==Ω 励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。 电枢电阻： a 0.2R =Ω 电枢电感由下式估算： N a N N 0.422019.1 19.10.0021(H)2221460136 CU L pn I ?==?≈??? 电枢绕组和励磁绕组间的互感af L ： N a N e N 2200.2136 0.132(V min/r)1460 U R I K n --?= =≈?
摘要 对于可调速的电力拖动系统来说，工程上通常分为直流调速系统和交流调速系统两大类。根据电动机在电能和机械能的转换时电流制型式的不同来分类，关于交流调速系统，它利用交流电动机来进行电能—机械能的转换，并且通过控制产生我们所需要的转速。在电力拖动的发展过程中，交流调速系统和直流调速系统一直并存于各个工业领域中，但是，在科学技术发展的不同时期，他们所处的地位也有所不同。相对于直流调速系统，交流调速系统具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，等优点并且在向高速，高压和大功率的发展前景也较好。近年来，很多国家偏向于对交流调速系统的研究。 关键词：矢量控制，交流调速，变频器，变频调速 第一章交流调速系统的发展 1.1交流调速系统的发展历程 在工业发展的初级阶段，交流电动机仅仅作为动力使用而无需调速。随着工业的进一步发展，尤其是电子方面和起重运输机械的发展，才对电动机的调速提出了要求，才有了直流电动机的出现。直流电机提高了生产的连续性和产品的产量以及质量，并且以其快速的正反转，准确的定位逐渐取代了简单可靠的交流电机，并且到了了广泛的运用于各行业。 80年代以来，由于直流调速系统造价高，维护投入大等缺点，在工业较为发达的国家开始使用直流调速系统，并且逐渐取代直流调速系统。这主要是由于电力电子器件，脉宽调制技术，矢量控制技术的发展，特别是以微处理机为核心的全数字化控制的应用，这才使得简单廉价的交流电机又得以取代直流电机调速系统占据主导地位。 现代控制理论的发展和应用，才促成矢量控制的出现，更是奠定了现代交流电机调速技术的理论基础，这才使得交流电机调速系统的性能能够与直流调速系统相媲美。国家的重视使得各种各样的的交流调速系统不断被开发，应用，普及，节约了社会上的大量资源，更是将社会上的传统产业发生了巨大的变革。 1.2交流调速系统的发展趋势 1.2.1交流调速系统的高性能化 交流电动机是一个多变量，强耦合，非线性的被控对象，单单用电压/频率恒定控制是不能满足我们对调速系统的要求的。接下来，交流调速系统将采用矢量控制技术，它将使调速性能达到并且超过直流调速系统。 矢量变换控制是新时期控制技术的发展随之产生的控制理论和技术，它是根据直流电动机的控制特点模拟它的控制方式来进行交流电动机的控制。直流调速的调速性能好的根本原因是交流电动机的转矩比较容易控制，而交流电动机的调速性能差就由于它的转矩难以控制，所以，要想交流电机得到的控制性能和直流电机的一样，就要通过电机统一理论和坐标变换理论，通过将交流电机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量以及跟它相垂直的坐标的转矩电流分量，将固定的坐标系转化为旋转坐标系解耦后，就是把交流量的控制转化为
PWM可逆直流调速系统matlab 仿真实习
《运动控制系统仿真》课程设计 ——PWM直流调速系统的动态建模与仿真 学院：电气与控制工程学院 班级：自动化1104班 姓名：钟传琦 学号：1106050430 日期： 2014年6月27日
一、课程设计的目的及任务 《运动控制系统》是自动化专业的一门主干专业课程，在该课程学习结束后单独安排了1周的控制系统仿真课程设计。其目的是要求学生针对某个电机控制系统功能模块或整个控制系统进行设计与实现，使学生能进一步加深对课堂教学内容的理解，了解典型的电机控制系统基本控制原理和结构，掌握基本的调试方法，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和工程实践能力，并初步培养实事求是的工作作风和撰写科研总结报告的能力。 二、课程设计的基本要求 《运动控制系统》被控对象是交、直流电动机，能量转换是由电力电子器件构成的变换器，微机构成控制器。因此控制系统仿真课程设计学生应掌握以下基本内容： （1）交、直流电动机； （2）电力电子变换器； （3）微机控制器； （4）转速、电流等检测电路； （5）输入输出转换电路、调理电路和功放电路等。 三．课程设计的内容及基本要求 1．设计题目 1) 开环直流调速系统的动态建模与仿真 2) 单闭环有静差转速负反馈调速系统的动态建模与仿真 3) 单闭环无静差转速负反馈调速系统的动态建模与仿真 4) 带电流截止转速负反馈的单闭环调速系统的动态建模与仿真 5) 单闭环电压负反馈调速系统的动态建模与仿真 6) 双闭环直流调速系统的动态建模与仿真 α=有环流可逆直流调速系统的动态建模与仿真 7) β 8) 逻辑无环流可逆直流调速系统的动态建模与仿真 9)三相异步电动机数学模型的建立 10) PWM直流调速系统的动态建模与仿真 本文所选题目为：10) PWM直流调速系统的动态建模与仿真。 - 0 -
交流调速系统仿真分析 1 课题来源 本课题来源于三峡大学电气与新能源学院毕业论文自选课题。 2 研究的目的和意义 电动机(尤其是交流电动机)在工业.农业.交通运输.国防军事设施以及日常生活中被广泛的应用。其中许多的场合有着调速的要求从节能的角度出发。开发研究与风机，泵类负载相适应的配套调速装置，市场是非常广阔的，与我国的经济能源状况相适应，对交流系统进行建模仿真，可以熟悉交流调速系统的结构，掌握各种调速系统的优缺点，选择合理的方案，解决实际中的问题。 3 国内外的研究现状和发展趋势 目前，交流调速已进入逐步替代直流调速的时代。电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波和阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速，然而晶闸管属于半控型器件，可以控制导通，但不能由门极控制关断，因此由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换相电路。70年代以后，功率晶体管(GTR).门极关断晶闸管(GTO晶闸管).功率场效应晶闸管(Power MOSFET).绝缘栅双极晶体管(IGBT)。 MOS控制晶闸管(MCT)等已经先后问世，这些器件都是既能控制导通又能控制关断的自关断器件，又称全控型器件。它不再需要强迫换相电路，使得逆变器构成简单.结构紧凑。IGBT由于兼有MOSFET和GTR的优点，是用于中小功率目前最为流行的器件，MCT则综合了晶闸管的高电压.大电流的特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率.高频率开关器件。电力电子器件正在向大功率化.高频化.模块化.智能化的方向发展。80年代以后出现的功率集成电路(Power IC)，集功率开关器件，驱动电路，保护电路，接口电路于一体，目前已应用于交流调速的智能功率模块(Intelligent Power Module IPM)采用IGBT作为功率开关，含有电流传感器.驱动电路及过载.短路.超温.欠电压保护电路，实现了信号处理.故障诊断.自我保护等多种智能功能，既减少了体积.减轻了重量，又提高了可靠性，使用.维护都更加方便，是功率器件的重要发展方向。
燕山大学 CDIO课程项目研究报告 项目名称： H桥可逆直流调速系统设计与实验 学院（系）：电气工程学院 年级专业： 学号： 学生： 指导教师： 日期： 2014年6月3日
目录 前言 (1) 摘要 (2) 第一章调速系统总体方案设计 (3) 1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成 (3) 1.2.稳态结构图和静特 (4) 1.2.1各变量的稳态工作点和稳态参数计算 (6) 1.3双闭环脉宽调速系统的动态性能 (7) 1.3.1动态数学模型 (7) 1.3.2起动过程分析 (7) 1.3.3 动态性能和两个调节器的作用 (8) 第二章 H桥可逆直流调速电源及保护系统设计 (11) 第三章调节器的选型及参数设计 (13) 3.1电流环的设计 (13) 3.2速度环的设计 (15) 第四章Matlab/Simulink仿真 (17) 第五章实物制作 (20) 第六章性能测试 (22) 6.1 SG3525性能测试 (22) 6.2 开环系统调试 (23) 总结 (26) 参考文献 (26)
前言 随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。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，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。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中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至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。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，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启动，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。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 项目预期成果： 设计一个双闭环可逆直流调速系统，实现电流超调量小于等于5%；转速超调量小于等于5%；过渡过程时间小于等于0.1s的无静差调速系统。 项目分工：参数计算： 仿真： 电路设计： 电路焊接： PPT答辩： 摘要
直流调速系统仿真 目录 一．直流调速系统仿真 1.开环直流调速系统的仿真 2.单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真 3.单闭环无静差转速负反馈调速系统的建模与仿真 4.单闭环电流截止转速负反馈调速系统的建模与仿真 5.单闭环电压负反馈调速系统的建模与仿真 6．单闭环电压负反馈和带电流正反馈调速系统的建模与仿真 7.单闭环转速负反馈调速系统定量仿真 8.双闭环直流调速系统定量仿真 9.PWM直流调速系统仿真 二．双闭环直流调速系统 1双闭环直流调速系统的工作原理 1.1双闭环直流调速系统的介绍 1.2双闭环直流调速系统的组成 1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 1.4双闭环直流调速系统的数学模型 2系统设计方法及步骤 2.1系统设计的一般原则 2.2电流环设计 2.2.1确定时间常数
2.2.2选择电流调节器结构 2.2.3选择电流调节器参数 2.2.4校验近似条件 2.3转速环设计 2.3.1确定时间常数 2.3.2选择转速调节器结构 2.3.3选择转速调节器参数 2.3.4校验近似条件 三．Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析 3.1Matlab和Simulink简介 3.2 Matlab建模与仿真 3.3电流环的MA TLAB计算及仿真 3.3.1电流环校正前后给定阶跃响的MA TLAB计算及仿真 3.3.2绘制单位阶跃扰动响应曲线并计算其性能指标 3.3.3单位冲激信号扰动的响应曲线 3.3.4电流环频域分析的MA TLAB计算及仿真 3.4转速环的MA TLAB计算及仿真 3.4.1转速环校正前后给定阶跃响应的MA TLAB计算及仿真 3.4.2绘制单位阶跃信号扰动响应曲线并计算其性能指标 3.4.3单位冲激信号扰动的响应曲线 3.4.4转速环频域分析的MA TLAB计算及仿真 4V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图