pwm直流双闭环调速系统设计

课程设计

题目：转速、电流双闭环可逆直流

PWM调速系统设计

学生姓名： 学 号： 班 级: 专 业： 指导教师： 起始时间： 2016年6月6日--6月17日

摘要

直流脉宽变换器，或称为直流PWM变换器，是在全控型电力电子器件问世以后出现的能取代相控整流器的直流电源。根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类。

电流截至负反馈环节只能限制电动机的动态电流不超过某一数值，而不能控制电流保持为某一所需值。根据反馈控制原理，以某物理量作为负反馈控制，就能实现对该物理量的无差控制。用一个调节器难以兼顾对转速的控制和对电流的控制。如果在系统中另设一个电流调节器，就可以构成电流闭环。电流调节器串联在转速调节器之后，形成以电流反馈作为内环、转速作为外环的双闭环调速系统。

利用单片机实现对直流电动机的双闭环调速，此系统使直流电机具有优良的调速特性，调速方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，制动和反转，能满足生产过程自动化系统的各种特殊运行要求。

第32卷第5期　2006年9月中国测试技术

CHINAMEASUREMENTTECHNOLOGYVol132　No15Sept12006　

全数字化双闭环可逆直流PWM调速系统设计

刘刚利

(成都电子机械高等专科学校,四川成都610031)

摘　要: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,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。该方案以

89C52微机为核心,分别采用了8255、8253、8279、ADC0809、741914等芯片与一些外围电路。

关键词:直流可逆调速;数字触发;PWM;数字控制器

中图分类号:TP273　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:167224984(2006)0520110203

DesignofalldigitalDC2PWMtimingsystemwithadual2(C)

AbstractMsystemwithadual2converteranddual2closed2loop1Inthehardware,itfullymicrocomputerinabundantinterfaceandfastspeedtorealiz

第一章 双闭环直流调速系统的工作原理

1.1直流调速系统简介

调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最普遍的一种系统。目前，需要高性能可控电力拖动的领域多数都采用直流调速系统。

1.2晶闸管-电动机直流调速系统简介

20世纪50年代末，晶闸管（大功率半导体器件）变流装置的出现，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管时代。由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机直流调速系统，简称V-M系统，又称为静止的Ward-leonard系统。这种系统已成为直流调速系统的主要形式。

图1.1是V-M系统的简单原理图[1,3,5]。图中V是晶闸管变流装置，可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。由于V-M系统具有调速范围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，且已比较成熟，因此已在世界各主要工业国得到普遍应用。

- +~GT

Uc + L_~UdM

图1.1 晶闸管-电动机直流调速系统（V-M系统）

但是，晶闸管还存在以下问题：

（1）由于晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难；

（2） 由于晶闸管元

黄石理工学院 课程设计报告

摘要

本文实现了转速电流双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确直观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可方便的设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其多系统性能的影响，取得了很好的效果。但怎样处理好转速控制和电流控制之间的关系呢？经过反复研究和实践，终于发现，如果在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串联连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，那么这两种调节作用就能互相配合，相辅相成了。

本文利用MATLAB软件中的simulink组件对直流双闭环调速系统进行仿真，结果表明，应用MATLAB进行系统仿真具有方便，高效及可靠性高等优点。

关键词：双闭环直流调速系统，晶闸管，直流电动机，MATLAB，仿真

Abstract

This paper presents the speed-current double closed-loop DC speed control system design, experimental results can be accurate visual observation of sp

广东工业大学华立学院 课程名称 自动控制系统 题目名称 双闭环直流调速系统设计和Matlab仿真 学生学部（系） 机电与信息工程学部 专业班级 13自动化1班 学生姓名 侯华杰 序号 19 学生姓名 黄苑怀 序号 22 学生姓名 方炳坤 序号 14 学生姓名 吴银泉 序号 42 指导教师 黄淑芬 2016年 6 月 13 日

广东工业大学华立学院

大作业任务书

题目名称 学生学部（系） 专业班级

一、大作业的内容

转速、电流双闭环直流调速系统的设计和Matlab仿真，包括： 1．系统框图 2．系统稳态结构图 3．系统动态结构图

4．ASR、ACR的设计和参数选择

5．Matlab仿真，通过仿真确定调节器参数并讨论PI整定规律。

二、大作业的要求与数据

黄石理工学院 课程设计报告

摘要

本文实现了转速电流双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确直观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可方便的设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其多系统性能的影响，取得了很好的效果。但怎样处理好转速控制和电流控制之间的关系呢？经过反复研究和实践，终于发现，如果在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串联连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，那么这两种调节作用就能互相配合，相辅相成了。

本文利用MATLAB软件中的simulink组件对直流双闭环调速系统进行仿真，结果表明，应用MATLAB进行系统仿真具有方便，高效及可靠性高等优点。

关键词：双闭环直流调速系统，晶闸管，直流电动机，MATLAB，仿真

Abstract

This paper presents the speed-current double closed-loop DC speed control system design, experimental results can be accurate visual observation of sp

邵阳学院毕业设计（论文）

引言

当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发与利用有关。

能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高12% ~ 55%左右，90%以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果进行单位

GNP能耗（吨标准煤/千美元）的国家比较（90年代中期），中国分别是瑞士、意大

利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、

8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中国火电厂煤耗为412克标准煤kW/h，

是国际先进水平的1.27倍。

由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。

邵阳学院毕业设计（论文）

引言

当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发与利用有关。

能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高12% ~ 55%左右，90%以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果进行单位

GNP能耗（吨标准煤/千美元）的国家比较（90年代中期），中国分别是瑞士、意大

利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、

8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中国火电厂煤耗为412克标准煤kW/h，

是国际先进水平的1.27倍。

由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。

转速电流双闭环直流调速系统设计

一.ACR和ASR的设计和参数计算： 1.电流环的设计：

根据题目要求，电流环按照典Ⅰ系统设计，电流环调节器采用PI调节器，其传递函数为W(1) 参数计算：

PWM的滞后时间常数TS ：

ACR?S?S?1???K?

ii?SiTS=

11==0.001s f1KHZ电流环小时间常数T?i：

T=T+T?iSoi=0.001s+0.001s=0.002s

电流反馈系数?：

?=Uim=

?Idm10=1.35V/A 2?3.7为将电流环校正为典Ⅰ系统，电流调节器的超前时间常数应对消掉控制对象的大时间常数Tl，即为满足

?=Til=0.015 s

?i ?5%，取KIT?i=0.5 = KKIi因此，KI?RS?=

12T?i=

1?1=250 s

2?0.002于是可以求得ACR的比例放大系数Ki：

R250?0.015?8?KK=K?=4.8?1.35=4.63

Iiis

所以电流环PI调节器的传递函数为：WACR?S??（2） 校验近似条件：

电流环截止频率wci?KI?250s 所以31?14.63?0.015S?1?

0.015STTm?3l1?1?54.8s

0.2?0.0151显然满足近似条件wci?3

双闭环调速系统的工作原理及其调试

一、双闭环调速系统的分析

1．双闭环调速系统的原理图

图2-1 转速、电流双闭环调速系统

ST——转速调节器 LT——电流调节器 SF——测速发电机 LH——电流互感器 Ugn、Ufn——转速给定和速度反馈电压 2．双闭环调速系统的工作原理

采用双闭环调速系统即可保证在起动过程中，起动电流不超过某一最大值，而使电机和可控硅元件不会被烧坏，又能保证稳态精度，这主要是依靠电流环和转速环的作用。

3．KZS-1型晶闸管直流调速实验装置 其面板布置图如图2-2所示。 4．转速调节器ST

ST的作用是在起动过程中的大部分时间里，转速调节器ST处于饱和限幅状态，转速环相当于开环，系统表现为恒值电流调节的单环系统，只有转速超调后，ST退出饱和后，才真正发挥线性调节作用，使转速不受负载变化的影响。

ST能将输入的给定和反馈信号进行加法、减法、比例、积分微分等运算，使其输出量按某种规律变化，其原理电路如图2-8所示。

图2-2 面板布置图

图2-3 转速调节器（ST）原理电路图

ST采用集成电路运算放大器组成，它具同相输入和反相输入两个输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。

2端为给定输入端，1端