1、.直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真第一章 摘要第二章 主電路的設(shè)計 2.1 設(shè)計任務(wù)要求 2.2 電路設(shè)計及分析 2.2.1 電流調(diào)節(jié)器 2.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 2.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析 2.4 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 2.4.1 電流環(huán)的簡化 2.4.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 2.4.3 電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 2.5.1 電流環(huán)等效傳遞函數(shù) 2.5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇 2.5.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)第三章 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計3.1 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)計算 第四章 PWM控制器的建模第五章 系統(tǒng)仿真第一章 摘要 雙閉環(huán)（電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)）調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛的電力傳動系

2、統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無差。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。關(guān)鍵字：PWM脈寬直流調(diào)速 matlab仿真第二章 主電路的設(shè)計2.1 設(shè)計任務(wù)要求(1)穩(wěn)態(tài)指標(biāo):轉(zhuǎn)速無靜差;(2)動態(tài)指標(biāo):電流超調(diào)量i5%,空載起動到額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。2.2 電路設(shè)計及分析根據(jù)設(shè)計任務(wù)可

3、知，可選擇PI控制的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，以完全達(dá)到系統(tǒng)需要，使得系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)無靜差調(diào)速，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖1-1所示。圖1-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)框圖設(shè)計思路；通過PWM脈寬調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以得到可變的平均輸出電壓，帶動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速n,通過測速發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)速以電壓的形式反饋到轉(zhuǎn)速環(huán)，（典型系統(tǒng)設(shè)計），通過電流互感器將電力電子變換裝置的電流Id以電壓的形式反饋到電流環(huán)，（用典型系統(tǒng)設(shè)計），該方案中主要的環(huán)節(jié)是PWM脈寬調(diào)制的動態(tài)模型的建立。2.2.1電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟

4、隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。2.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。它對負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。由于測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波。圖1-2 系統(tǒng)實際動態(tài)原理框圖2.3 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量在

5、動態(tài)過程中決定于于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)數(shù) （11）電流反饋系數(shù)數(shù) （12）2.4 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計2.4.1 電流環(huán)的簡化在圖1-2虛線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計工作帶來麻煩。實際中，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化比較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動勢基本不變，即E0.其中忽略反電動勢對電流環(huán)的近似條件是 （13）式中 電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改為，則電

6、流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖13b所示，從這里可以看出兩個濾波時間常數(shù)取值相同的方便之處。最后，由于和一般都比小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為 （14）則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖13c所示。簡化的近似條件為 （15） 圖13電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化(a)忽略反電動勢的動態(tài)影響 (b)等效成單位負(fù)反饋(c)小慣性環(huán)節(jié)近似處理2.4.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖13c可以看出，采用型系統(tǒng)就夠了。圖13c 表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成

7、（16）式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇 （17）則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖14所示的典型形式，其中 （18）圖14 校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.4.3 電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖15所示。圖中為電流給定電壓。為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。圖15 含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理根據(jù)運算放大器的電路原理，可以容易地導(dǎo)出 （114） （115） （116）2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 2.5.1 電流環(huán)等效傳遞函數(shù)由校正后的

8、電流結(jié)構(gòu)框圖可知 （117）忽略高次項，可降階近似為 （118）近似條件為 （119）式中 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電力換等效環(huán)節(jié)的輸入量為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 （120）這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。2.5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)的選擇把電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)接入轉(zhuǎn)速環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖16a所示。和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成，再把時間常數(shù)為和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 （121）則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡化

9、成圖16b由于需要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，而且在后面已經(jīng)有一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （122）式中 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超其時間常數(shù)。（a）（b）（c）圖16 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化（a）用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) （b）等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性系統(tǒng)的近似處理 （c）校正后成為典型型系統(tǒng)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為不考慮負(fù)載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖16c所示。2.5.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)

10、速調(diào)節(jié)器的原理圖如圖17所示，圖中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。圖17含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)身調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為 （126） （127） （128）第三章 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計3.1 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算（1） 確定時間常數(shù)1）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts 查表的：三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017。整流電路形式最大失控時間Tsmax/ms平均失控時間Ts/ms 單相半波單相橋式（全波）三相半波三相橋式 20 10 6.67 3.331053.331.672) 電流濾波時間常數(shù)Toi。三相橋式電路每個波頭

11、的時間是3.3ms,為了基本慮平波頭，應(yīng)有（12）Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms。 3） 電流環(huán)小時間常數(shù)之和=Ts+Toi=0.0037s。（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求超調(diào)量 =5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器?？捎肞I型電流調(diào)節(jié)器。檢查電源電壓的抗擾性能：Tl/=T2/T1=8.11,各項性能指標(biāo)都是可以接受的。 上式Tl=L/R=0.03s。（3）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： =Tl=0.03s。 電流環(huán)開環(huán)增益：要求超調(diào)量=5%時，應(yīng)取=0.5,因此 KI=0.5/=135.1s-1=1.013 (4) 檢驗近似條件 電流環(huán)截止

12、頻率：=KI=135.1s-1 1) 檢驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 1/3Ts=196.1s-1> 滿足近似條件 2）檢驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 =40.82s-1< 滿足近似條件 3）檢驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件(1/3)1/TsToi=180.8s-1> 滿足近似條件按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為： 超調(diào)量=4.35%<5% 滿足設(shè)計要求3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算（1） 確定時間常數(shù)1）電流等效時間常數(shù)。=0.5，則=。2） 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)=0.01s。3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。近似處理條件，取 =+=0.0174s。（

13、2） 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。 選用PI調(diào)節(jié)器（3） 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) h=5, 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 ASR的比例系數(shù)為 （4） 檢驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 滿足簡化條件 2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足簡化條件在退飽和的情況下，計算轉(zhuǎn)速超調(diào)有（2-6）在h=5時有=81.2%；=1.5；=0.07s； =0.0012s；=0.133；空載啟動時有；即可求得由此可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量大于要求的10%，可在仿真文件中進(jìn)行調(diào)整并獲得良好電流轉(zhuǎn)速波形。第四章 PWM控制器的建模 無論哪種PWM變換器電路其驅(qū)動電壓都是由PWM控制器發(fā)出,控制器可以是模擬的,也可以是數(shù)字的.PWM

14、控制器與變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致,當(dāng)控制電壓改變時,PWM輸出平均電壓按線性變化,因此PWM裝置可以看成一個滯后裝置,當(dāng)開關(guān)頻率為10KHZ時,T=0.1ms,在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中,時間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成一個一階慣性環(huán)節(jié): 但需注意,這只是近似的傳遞函數(shù),實際上PWM變換器不是線性環(huán)節(jié),而是具有機(jī)電特性的非線性環(huán)節(jié). 在本次設(shè)計中,設(shè)定=0.0067,=40,通過改變設(shè)定值,來改善系統(tǒng)的動態(tài)性能.第五章 系統(tǒng)的仿真 仿真的過程中，通過設(shè)定兩和個參數(shù)的值來改善系統(tǒng)的性能，下面概略描述三個主要的方針過程，如下：剛開始取參數(shù)=0.125,=20，在M

15、atlab中進(jìn)入Simulink環(huán)境，創(chuàng)建Model文件系統(tǒng)仿真原理圖根據(jù)上圖建立仿真得到轉(zhuǎn)速、電流波形如圖所示這種情況與理想的結(jié)果相比很不好，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時間相當(dāng)長，電流啟動時間相當(dāng)長，恒電流加速過程短，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段慢。基于以上效果，對參數(shù)進(jìn)行修正，取=0.001，=20，仿真波形如下圖：與上次相比電流的波形有所改善，啟動時間縮短，恒流加速過程加長，但轉(zhuǎn)速反饋沒有得到改善，進(jìn)一步改正參數(shù)，取=30，=0.001，仿真結(jié)果如下圖：這次的波形基本與理想波形相似，轉(zhuǎn)速和電流反饋達(dá)到所需的效果，比較理想。 心得體會通過本次課程設(shè)計的實習(xí),我對運動控制有了更深入的了解,不僅對轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)反饋控制加深了理解,還對PWM控制有了新的認(rèn)識,PWM控制的實現(xiàn)結(jié)果與晶閘管觸發(fā)裝置是相同的,具有相似的數(shù)學(xué)模型,剛開始拿到題目,一看挺簡單的吧,但是開始做時,才知道PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計并不簡單,最重要的是,P