pwm電機調速課程設計--直流pwm調速控制系統(tǒng)的仿真與設計

1、<p>　　直流PWM調速控制系統(tǒng)的仿真與設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　伺服系統(tǒng)對數(shù)控技術、自動化、電氣工程及其自動化、機電一體化等專業(yè)是一門很重要的專業(yè)技術課。伺服系統(tǒng)的作用是聯(lián)系數(shù)控裝置與被控設備的中間環(huán)節(jié)，起著傳遞指令信息和反饋設備運行狀態(tài)信息的橋梁作用。</p><p>　　在當代工業(yè)

2、上PWM控制調速系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應用，其優(yōu)點還是日益突現(xiàn)，而帶有雙閉環(huán)的調速系統(tǒng)更是受到廣泛歡迎。在本次設計中，為了使調速達到高精度、高準度的要求，我使用了電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器，以此來組成雙閉環(huán)，電流環(huán)為內環(huán)，轉速環(huán)為外環(huán)。這樣的設計能夠達到任務要求的靜態(tài)指標和動態(tài)指標。特別是把此兩環(huán)校正為典型Ⅰ型和典型Ⅱ型后的性能指標更是達到了要求。本次設計中的電流調節(jié)器和電壓調節(jié)器都是使用PI調節(jié)器，PI調節(jié)器是由運放和各種電子元器件組成。<

3、;/p><p>　　關鍵詞：電機；MATLAB；simulink;雙閉環(huán)；Proteus</p><p><b>　　abstract</b></p><p>　　Servo System is an important professional technology for&#

4、160;several mayors such as  CNC Technology, robotization, electric engineering, electric engineering's  robotization and mechatronics. A

5、s a intermediate link, the function of servo  system is to connect numerical control device and controled devices, and b

6、e a  bridge between orders delivering and operating state's feedback. PWM control speed control system has been widely used in the contemporary industrial. Its advan

7、tages especilly its speed</p><p>　　Key word : MOTOR；MATLAB；SIMULINK; double closed-loop；Proteus</p><p><b>　　1 緒論 </b></p><p>　　通過建立數(shù)學模型，應用MATLAB仿真，設計，調試控制系統(tǒng)等環(huán)節(jié)來掌握電流環(huán)，速度

8、環(huán)等概念，在此基礎上通過調速控制系統(tǒng)的電路原理設計與仿真，調試來掌握電路設計的基本方法并把握PWM直流調速的過程和本質。通過完整的設計，系統(tǒng)地了解到應用伺服驅動控制系統(tǒng)的專業(yè)知識。</p><p>　　2 設計參數(shù)及要求</p><p><b>　　2.1設計參數(shù)</b></p><p>　　電機參數(shù) Pnom=10KW,Nnom=100r/

9、rad,,Unom=220V,Inom=55A,Ra=0.5,L=0.0085H。系統(tǒng)運動部分飛輪轉矩相應的機電時間常數(shù)Tm=0.075s，測速發(fā)電機的反饋系數(shù)λ=0.01178V.min/r，電流反饋系數(shù)ki=0.132V/A，</p><p><b>　　2.2具體要求</b></p><p>　　單位階躍響應的超調量小于26%；</p><p

10、>　　單位階躍響應的調整時間小于0.05s；</p><p>　　閉環(huán)帶寬不小于8Hz</p><p><b>　　3 系統(tǒng)方案設計</b></p><p>　　3.1他勵式直流伺服電動機模型設計</p><p>　　3.1.1他勵式直流伺服電動機電路模型</p><p>　　他勵式直流電動

11、機的電路模型如下圖所示</p><p>　　3.2.1 他勵式直流電動機的結構模型</p><p>　　對于他勵式直流電動機分別用、、、L、n分別為直流電動機的電動勢、電樞電流、電感系數(shù)、轉速。電樞回路的電壓平衡方程為：</p><p>　　電機發(fā)出的電磁轉矩為則有：</p><p>　　設負載轉矩為系統(tǒng)的飛輪轉矩為，在伺服控制系統(tǒng)中有：&l

12、t;/p><p>　　對于電樞回路的電壓平衡方程做拉普拉斯變換得到下式：</p><p>　　假設微電樞回路電磁時間常數(shù)。對于飛輪矩方程做拉普拉斯變換有：</p><p>　　我們假設負載是個恒力負載，與飛輪轉矩相關的系統(tǒng)機電時間常數(shù)為</p><p>　　所以我們可以得到如下的電機結構模型。</p><p>　　3.2.

13、2他勵式直流伺服電動機電流環(huán)設計</p><p>　　為提高調速系統(tǒng)啟動過程，我們設計了一個電樞電流調節(jié)環(huán)節(jié)。電樞電流調節(jié)環(huán)節(jié)一般采用比例積分環(huán)節(jié)Gi(s)。從電樞電流傳感器出來的信號通常還需要進行濾波等處理，設完成該功能的模塊為Gif(s)它一般為慣性環(huán)節(jié)。PWM控制與功率放大Gcp(s)一般可以簡化成比例環(huán)節(jié)。所以將電樞電流環(huán)節(jié)加入電動機模型，可以由下圖表示。</p><p>　　3.

14、2.3他勵式直流伺服電動機速度環(huán)設計</p><p>　　為了滿足調速系統(tǒng)的動，靜態(tài)性能要求，速度調節(jié)環(huán)節(jié)一般采用比例積分環(huán)節(jié)Gn(s)。他一般為慣性環(huán)節(jié)。為滿足調節(jié)系統(tǒng)的動靜態(tài)要求，速度調節(jié)環(huán)仍采用比例積分環(huán)節(jié)Gn（s），PI調節(jié)器，即是：</p><p>　　我們把速度環(huán)加入上圖之中，于是得到最終的模型如下圖。</p><p>　　3.2直流電動機參數(shù)的計算&l

15、t;/p><p>　　額定狀態(tài)下，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，電路模型中所示的電路平衡方程為</p><p>　　U —= E = n</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　又=9.55</b></p><p>　　根據(jù)參數(shù)計算公式計算電動機的固有參數(shù)<

16、/p><p>　　= = =0.1925</p><p>　　=9.55x=0.1925x9.55=1.838</p><p>　　= = =0.053</p><p>　　= = =0.017</p><p>　　可以計算出參數(shù)=0.053。</p><p>　　Keφ=0.1925

17、,Kmφ=1.838 Ta=0.017。于是電機部分帶入數(shù)據(jù)得</p><p>　　3.3系統(tǒng)的SIMULINK仿真調試過程</p><p>　　3.3.1系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)特性調整</p><p>　　現(xiàn)在我們把最終的模型圖中代入原始數(shù)據(jù)得到下圖</p><p>　　其中的慣性環(huán)節(jié)都選擇的比例積分環(huán)節(jié)都是隨機取的整數(shù)。于是運行一下查看結果。&l

18、t;/p><p>　　可以看到超調量遠遠大于設計要求的26%，響應時間也過長，所以不能使用。超調量過大是由于比例環(huán)節(jié)過大，于是減少其中的幾個比例環(huán)節(jié)的K的大小。得到下圖</p><p><b>　　仿真結果如下</b></p><p>　　雖然超調量沒有太大變化，不過響應時間基本達到要求。于是再次進行參數(shù)調整。</p><p&g

19、t;　　我嘗試改變積分環(huán)節(jié)的T 的大小將T的大小改成1之后。發(fā)現(xiàn)對于結果沒有什么影響。這是因為增大積分時間常數(shù)(積分減弱)有利于減小超調，減小震蕩、使系統(tǒng)更穩(wěn)定，但同時延長系統(tǒng)消除靜差的時間。比例環(huán)節(jié)是為了減小控制系統(tǒng)中的誤差，而積分環(huán)節(jié)是為了消除誤差，慣性環(huán)節(jié)就跟一個物體具有慣性一樣，比如說電容，兩端的電壓是不能突變的，只會慢慢的增長。所以決定把T和K同時進行調整。于是有了如下的數(shù)值。</p><p><

20、b>　　仿真結果如下</b></p><p>　　這個圖的超調量大約等于10%而響應時間小于0.03秒，已經(jīng)符合設計要求，所以大體上不再做改變，所以再經(jīng)過最后的微調之后得到最終的框圖為： 其仿真效果圖為：</p><p>　　從這張大圖可以看到其相應時間為0.02秒小于要求的響應時間0.05秒。超調量為4%也符合要求的26%以下。</p><p>

21、;　　從這張大圖可以看到系統(tǒng)最后是穩(wěn)定的沒有震蕩。</p><p>　　3.3.2 bode圖</p><p>　　為了得到BODE圖，首先要把輸入的階躍響應改為一般輸入in，將scope輸出改為一般輸出out。其他部分保持不變。于是得到如下的模型圖。</p><p>　　然后要對這個圖進行設計分析。選擇TOOLS工具欄中的control design中的linea

22、r analysis 得到如下界面。</p><p>　　如圖中所示選擇BODE RESPONSE PLOT 再點擊LINEARIZE MODEL 然后BODE圖就會自動生成。從BODE圖中我們就可以知道閉環(huán)帶寬。</p><p><b>　　仿真圖如下：</b></p><p>　　其中的閉環(huán)帶寬遠遠大于要求的8HZ。</p>

23、<p>　　3.4系統(tǒng)的PROTUSE仿真設計</p><p>　　3.4.1雙極式PWM調速原理</p><p>　　可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖2-1所示，電動機M兩端電壓的極性隨全控型電力電子器件的開關狀態(tài)而</p><p><b>　　改變。</b></p><p

24、>　　雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅動電壓的關系是：Ua=-Ub。在一個開關周期內，當0t<時 ，，電樞電流id沿回路1流通；當t<T時，驅動電壓反號，id沿回路2經(jīng)二極管續(xù)流，。因此，在一個周期內具有正負相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。</p><p>　　脈沖寬度調制（PWM）是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管

25、導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。 </p><p>　　雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：</p><p>　?。?）電流一定連續(xù)；</p><p>　?。?）可使電動機在四象限運行；</p><p>　?。?）電動機停止時有微振電流

26、，能消除靜磨擦死區(qū)；</p><p>　　（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍大；</p><p>　?。?）低速時，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。</p><p>　　雙極式控制方式的不足之處是：</p><p>　　在工作過程中，4個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，

27、為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。</p><p>　　在調速時候，UaUb是反向的，如果正向的電壓時間長，則控制電機正轉，如果正向電壓和反向電壓的時間相同，則根據(jù)電機的慣性方向確定轉動方向，大小不變，這樣就實現(xiàn)了電機轉動速度最終的穩(wěn)定。如過反向的時間更長則會造成減速或者反轉。</p><p>　　3.4.2自動控制原理準備知識</p><p&g

28、t;　?。?）比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及電路圖</p><p>　　G（s)=k=R2/R1</p><p>　?。?）積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及電路圖</p><p>　　G（s)=1/Ts T=R1C</p><p><b>　　\</b></p><p>　　積分環(huán)節(jié)，當輸入為單位階躍信號時，輸出

29、為輸入對時間的積分，輸出y(t)隨時間呈直線增長。</p><p>　?。?） 比例積分環(huán)節(jié)的電路圖和傳遞函數(shù)</p><p>　?。?） 濾波型調節(jié)器（慣性環(huán)節(jié)）</p><p>　　慣性環(huán)節(jié)的特點是，當輸入x(t)作階躍變化時，輸出y(t)不能立刻達到穩(wěn)態(tài)值，瞬態(tài)輸出以指數(shù)規(guī)律變化。就跟一個物體具有慣性一樣，比如說電容，兩端的電壓是不能突變的，只會慢慢的增長&

30、lt;/p><p>　　3.4.3電流調節(jié)器</p><p>　　通過自動控制原理的知識可以得到電流調節(jié)器是一個比例積分環(huán)節(jié)，由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，為了平衡反饋信號的延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時間上配合恰當，通過之前的仿真過程確定R的電阻值。</p><p>

31、;　　=，K=0.09=，T=0.5=，取=2，則=180，C=250pF</p><p>　　PI型電流調節(jié)器原理圖 </p><p>　　3.4.4轉速調節(jié)器</p><p>　?。?）電流環(huán)是轉速環(huán)的內環(huán)，設計轉速環(huán)時要對電流環(huán)做進一步的簡化處理，使電流成為一個簡單的環(huán)節(jié)，以便按典型系統(tǒng)設計轉速環(huán)。</p><p>　　圖中有2個標號，

32、在仿真的時候可以看到電壓的比較，從而得知調節(jié)的作用是否正確。通過之前的仿真過程可以得到</p><p><b>　　=</b></p><p>　　K=45=，T=8.15=，取=2，則=90，C=0.004075pF</p><p>　　于是得到如下的速度環(huán)仿真圖</p><p>　　3.4.5三角波發(fā)生器</p

33、><p>　　由于在送反饋時間里，需要將反饋值來改變電機驅動時間，所以需要個三角波信號來進行采樣，所以需要利用三角波發(fā)生器用于產(chǎn)生一定頻率的三角波UT，比較器是一個工作在開環(huán)狀態(tài)下的運算放大器，具有極高的開環(huán)增益及限幅開關特性。會使比較器輸出對應的開關信號。如圖13，其主要是送出了一個三角波，其的周期為T=9.79-7.64ms，即2.15ms誤差為0.75ms，誤差率為2.5%。滿足采樣定律。采樣定理是說采樣頻率F

34、s要大于最大頻率fs的2倍。</p><p>　　在protuse中使用一個示波器來看三角波發(fā)生器的情況</p><p><b>　　示波器</b></p><p>　　在示波器中 可以看到這樣的波形。所以叫三角波發(fā)生器。</p><p>　　3.4.6脈沖分配器及功率放大器</p><p>　　

35、脈沖分配器即一分多路，利用反向運算器，利用光電耦合器，隔離了控制電路和電機回路的電壓，但是光電耦合器產(chǎn)生電壓只有0~1V電壓，明顯不足，但是控制三極管時需要使用80V電壓，所以在后面要加一個放大器，采用運算放大器，當U>0.4時，根據(jù)放大器的設計，輸出為80V，當U<0.4V時，根據(jù)設計，輸出為-80V，作用與三極管，控制其導通和截止，來控制VT1,VT2,VT3,VT4的開斷。電機的正轉反轉也是通過這個部分完成的。<

36、/p><p>　　3.4.7 頻率電壓轉換器</p><p>　　此處利用的是帶脈沖的直流電動機，在轉速一定的情況下，每1轉輸出10個脈沖信號，再通過F/V的頻率轉換器，將其轉換成電壓信號傳遞給速度環(huán)，形成閉環(huán)控制。詳細參數(shù)如圖22所示。</p><p><b>　　4 仿真效果展示</b></p><p>　　下圖為SIM

37、ULINK下的動態(tài)特性仿真結果圖，其中超調量為4%，調整時間為0.02秒。</p><p><b>　　下圖為BODE圖 </b></p><p>　　可以看到閉環(huán)帶寬頻率完全符合要求。</p><p>　　在PROTUSE中的仿真</p><p>　　這里的轉速穩(wěn)定在885轉?？梢酝ㄟ^調整滑動變阻器的值改變轉速值。&l

38、t;/p><p><b>　　5 總結</b></p><p>　　在整個設計過程中，我不僅鞏固了以前所學到的知識，更學到了許多課外的知識。通過這次的課程設計，我也發(fā)現(xiàn)了很多平時學習中的不足，可謂是收獲頗多。</p><p>　　通過這次課設，我不僅在知識上有了進一步的鞏固和提高，在求學和研究的心態(tài)上也有不小的進步。我想無論是在學習還是在生活上只

39、有自己有心去學習和參與才可能有收獲，同時我也深深感受到理論與實踐相結合的重要性。以前一直覺得理論知識離我們很遠，經(jīng)過課程設計，才發(fā)現(xiàn)理論知識與生活的聯(lián)系。這大大激發(fā)我學習書本的興趣。再者我們學習的是工科，不單純只是理論方面的工作，還應該考慮到實際情況。理論計算的的結果可能與實際稍有差別，要以實際情況為準。</p><p>　　作為一名學習電氣工程及其自動化的學生，我們的夢想是成為一名電氣工程師，所以我覺得能做類似

40、的課程設計是十分有意義，而且是十分必要的。在成為一名合格的電氣工程師之前我們必須經(jīng)歷硬件的制作、軟件的調試、系統(tǒng)的設計這三個步驟。課程設計中我既鞏固了課堂上學到的理論知識，又掌握了Matlab在自動化應用中的基本使用方法。</p><p>　　總之，在設計過程中，我不僅學到了以前從未接觸過的新知識，而且學會了獨立的去發(fā)現(xiàn)，面對，分析，解決新問題的能力，不僅學到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益匪淺。</p

41、><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)（4版），阮毅、陳伯時，機械工業(yè)出版社</p><p>　　電力拖動自動控制系統(tǒng)（2版），陳伯時，機械工業(yè)出版社</p><p>　　電力傳動控制系統(tǒng)原理與應用，馮信康，水力電力出版社</p><p>　　

42、電力電子技術，王兆安，劉進軍，機械工業(yè)出版社</p><p>　　電力電子、電機控制系統(tǒng)的建模和仿真，洪乃剛，機械工業(yè)出版社</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　這次課程設計的完成，歸功于同學們的不懈努力還有肖老師無微不至的悉心指導。無論是在在論文的撰寫等各個方面肖老師都給予了大量的指導和幫助，甚至在晚上12點還堅守在