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侯成成PWM可逆直流调速系统matlab仿真报告


本科生课程论文

课程名称 学 专 学 院 业 号

运动控制系统 机自学院 电气工程及其自动化 13122565 侯成成 杨影

学生姓名 指导教师 分 数

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《运动控制系统仿真》课程设计
——PWM 直流单闭环调速系统的动态建模与仿真

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,在该课程学习中单独 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.设计内容 (1)设计系统各单元电路和主控电路; (2)分析并测定系统各环节的输入输出特性及其参数,调试各单元电路; (3)系统性能分析与程序设计; (4)系统校正,修正系统静、动态性能。 2. 控制对象参数 直流电动机:型号为 Z4-132-1,额定电压 V,额定电流 A,额定转速为 2610

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r/min,反电动势系数=0.1459 Vmin/r,允许过载倍数=1.5;PWM 变换器开关频 率:8KHz,放大系数:=107.5;(538/5=107.5),直流母线电压为 538V。电枢回 路总电阻: ;时间常数:电枢回路电磁时间常数=0.0144s,电力拖动系统机电 时间常数=0.18s;转速反馈系数();对应额定转速时的给定电压。 3.设计要求 (1)在 matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。其中 PWM 变换器 利用给出的 PWM 控制器模块和 simulink/Powersystem 工具包中的功率封装模块 搭建,不能直接利用传递函数建模。比例积分调节器进行积分和输出限幅,输出 限幅值为+5 和-5。 (2)给出采用比例调节器 K p ? 7 、比例积分调节器时 K p ? 7 , 起动到额定转速的转速波形, 并就稳态静差和动态性能进行对比分 明原因。 (3) 给出采用比例积分调节器时 K p ? 7 , 形,分析空载起动过程中电流过流原因,请
1 10 ? ? 7

1 10 ? ? 7

空载 析说

的转速、电流、电枢电压波 给出解决过流问题的方法。

在 4s 突加 40%额定负载,给出仿真波形(包括转速、电流、转速调节器输 出) ,并加载过程中波形变化加以分析,比较加载前后稳态转速,说明原因。

四.PWM 直流调速系统简介
1.PWM 调速原理 可逆 PWM 变换器主电路有多种形式,最常用的是桥式(亦称 H 形)电路,如 图 1 所示, 电动机 M 两端电压 U AB 的极性随全控型电力电子器件的开关状态而改 变。 双 极 式 控 制 可 逆 PWM 变 换 器 的 四 个 驱 动 电 压 的 关 系 是 : U g1 ? U g 4 ? ?U g 2 ? ?U g 3 。在一个开关周期内,当 0 ? t< ton 时,U AB ? US ,电枢电 流 id 沿回路 1 流通;当 ton ? t<T 时,驱动电压反号,id 沿回路 2 经二极管续流,

U AB ? ?U S 。因此, U AB 在一个周期内具有正负相间的脉冲波形,这是双极式称
的由来。

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图 1.双极式控制可逆 PWM 变换器 由于 ACR 输出的数值在-10~10 之间, 为使 ACR 输出的数值同 PWM 发生器 输入信号相对应, 在 ASR 输出端加了一个 Gain 模块, 参数为 0.1。这样,当 ASR 输出限幅 10 时, PWM 输入端为 1, 占空比为 1; 当 ASR 输出限幅为-10 时, PWM 输入端为-1,占空比为 0。

五.Matlab 仿真设计
1.PWM 可逆直流调速系统仿真模型 1.1 比例调节器 K p ? 7 的 PWM 可逆直流调速系统仿真模型如图所示。

1.2 比例调节器 K p ? 7 的 PWM 可逆直流调速系统仿真结果 当给定值为 10 时,转速、电流、电枢电压波形形分别如下:

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1.3 比例积分调节器时 K p ? 7 ,

1 10 ? ? 7

的 PWM 可逆直流调速系统仿真模型如示。

1.4 比例积分调节器时 K p ? 7 , 如示。

1 10 ? ? 7

的 PWM 可逆直流调速系统仿真仿真结果

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当给定值为 10 时,当给定值为 10 时,转速、电流、电枢电压波形形分别如下:

1.3 仿真结果分析 比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用,在 于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压,以补偿电枢回路电阻压降的变 化。 比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状,而积分调节器的输出则包含 了输入偏差量的全部历史。 积分调节器到稳态时ΔUn =0, 只要历史上有过ΔUn , 其积分就有一定数值,足以产生稳态运行所需要的控制电压。 PI 控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点,又克服了各自的缺点。

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比例部分能迅速响应控制作用,积分部分则最终消除稳态偏差。 2.单闭环 PWM 可逆直流调速系统仿真模型 2.1 单闭环 PWM 可逆直流调速比例积分调节器时 K p ? 7 ,
1 10 ? ? 7

系统仿真模型如

1 10 ? ? 7

2.2 单闭环环 PWM 可逆直流比例积分调节器时 真结果

Kp ? 7

,调速系统仿

当给定值为 10 时,转速、电流、电枢电压波形形分别如下:

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图 13.直流电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩波形 2.3 仿真结果分析 上图为直流电机空载时电机的输出响应从波形可知, 闭环直流调速系统能根 据给定于反馈的误差自动调节输出脉冲宽度,调节占空比,从而改变桥式可逆 PWM 变换器输出的平均电压,从而控制转速。由于比例调节系统是基于当前误差 的调节,与历史值无关,是有差调节,故稳态转速下降。其余特性和开环特性一 样。由于电源电压过大以及电枢绕组电阻过小,都有可能导致过流,处理办法由 降压起动或者串电阻启动等。 3.单闭环 PWM 可逆直流调速系统在 4s 突加 40%额定负载仿真模型 3.1 单闭环 PWM 可逆直流调速系统在 4s 突加 40%额定负载仿真模型如下

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3.2 单闭环 PWM 可逆直流调速系统在 4s 突加 40%额定负载调速系统仿真结果 当给定值为 10 时,转速、电流、电枢电压波形形分别如下:

3.3 仿真结果分析。 加负载前后, 转速由于转速环在短时间的波动后趋于稳定,电枢电流也从零 附近的值稳定与某一定值,电枢电压不变。从图可知,系统抗扰动的性能较强。
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六.实习心得
《运动控制系统》 是自动化专业的一门主干专业课程,经过一周的控制系统 仿真课程设计的学习和实践, 我基本掌握了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, 使我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,并初步培养了实事求是的工作 作风和撰写科研总结报告的能力。 在仿真的过程中,我遇到了各种各样的问题,比如模块的寻找,参数如何设 置等。经过我不懈的努力,通过咨询老师、查询资料、询问同学等各种途径,逐 步解决了仿真课程设计中遇到的问题,并按时完成了学习任务。 经过此次实习后, 我对 matlab 软件有了更深的了解,熟悉 matlab 在控制领 域的应用,会用 matlab 中的各个模块对系统进行仿真,从而加深了自己对所学 知识的理解与应用。

七.参考文献
[1]院毅 陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社,2009

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