直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)研究仿真.doc

1、Matlab實驗設(shè)計說明書題目：直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)研究仿真姓名：學號：班級：指導教師：摘要3第一章 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型41.1額定勵磁下直流電動機的傳遞函數(shù)41.2仿真模型建立41.3晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)51.4比例放大器和測速發(fā)電機的傳遞函數(shù)61.5單閉環(huán)調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)和傳遞函數(shù)6第二章 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的建模步驟92。1 PWM 發(fā)生器的建模92.2 電動機本體模塊參數(shù)的設(shè)置102.3仿真示例11第三章 仿真結(jié)果133。1 PWM發(fā)生器仿真結(jié)果133.2 轉(zhuǎn)速單環(huán)PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果133.3 直流電機轉(zhuǎn)速仿真圖14心得體會16參考資料17摘要在介紹雙閉

2、環(huán)PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)原理基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能指標采用工程設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù)，并運用Matlab的Simulink和Power System工具箱、面向系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真。文章重點介紹了調(diào)速系統(tǒng)的建模和PWM 發(fā)生器、直流電機模塊互感等參數(shù)的設(shè)置，給出了PWM 直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型和仿真結(jié)果，驗證了仿真模型及調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置的正確性。關(guān)鍵詞： 直流脈寬; 參數(shù)設(shè)置； 仿真第一章 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型為了進行系統(tǒng)的動態(tài)分析，必須搞清楚組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性，建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，最終建立起整個系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模

3、型-系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。1.1額定勵磁下直流電動機的傳遞函數(shù)  額定勵磁下他勵直流電動機的等效電路，其中電樞回路電阻R和電感L包含整流裝置內(nèi)阻和平波電抗器的電阻與電感在內(nèi)。直流電動機有兩個輸入量,即理想空載整流電壓Udo和負載電流IdL,前者為控制輸入量,后 者是擾動輸入量。如果不需要表現(xiàn)出電流Id，通過結(jié)構(gòu)圖變換，可變成下圖（a)；電流連續(xù)時直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 1.2仿真模型建立在Simulink 環(huán)境下采用SimPow erSystems 工具箱， 建立圖1 所示的有制動通路不可逆直流PWM 調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 4 ， 如圖5 所示。模型由PWM 發(fā)生器、萬能橋、直流電機、主電源

4、和勵磁電源等組成.其中, 萬能橋設(shè)置為1 個橋臂的IGBT/ Diodes， 兩個直流電源均為220V。仿真模型中需要設(shè)置的參數(shù)有: 負載、PWM 發(fā)生器的開關(guān)頻率及占空比、電樞回路電感, 其它值。1。3晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)  由于晶閘管整流裝置總離不開觸發(fā)電路，因此在分析系統(tǒng)時往往把它們看成一個整體，當作一個環(huán)節(jié)處理.這一環(huán)節(jié)的輸入量是觸發(fā)電路的控制電壓 Uct，輸出量是理想空載整流電壓Udo。如果在一定范圍內(nèi)將非線性特性線性化，可以把它們之間的放大系統(tǒng)Ks視作常數(shù)，則晶閘管觸發(fā)和整流裝置可以看成 是一個具有純滯后的放大環(huán)節(jié).   晶閘管觸發(fā)

5、和整流裝置之所以存在滯后作用是由于整流裝置的失控時間造成的.眾所周知,晶閘管是一個半控型器件，在陽極正向電壓下供給門極觸發(fā)脈沖 就能使其導通，一旦導通，門極便失去了控制作用。改變控制電壓Uct，雖然觸發(fā)脈沖相位可以移動,但是必須在正處于導通的元件完成其導通周期關(guān)斷后，整流 電壓Udo才能與新的脈沖相位相適應，因此造成整流電壓Udo滯后于控制電壓Uct的情況。如下圖所示,以三相半波純電阻負載整流電路為例.假設(shè)在 t1時刻A相晶閘管觸發(fā)導通,控制角為下 降為Uct1。如果控制電壓t2時刻發(fā)生變化，由Uct1下降為Uct2，但是由于A相晶閘管已經(jīng)導通，Uct2引起的控制角的變化對它已不起作用，平均

6、整流電壓Udo1并不會立即生產(chǎn)反應，必須等到t3時刻后A相晶閘管關(guān)斷，觸發(fā)脈沖才有可能控制B相晶閘管.設(shè)Uct2對應的控制角為，則B相晶閘管在t4時刻才導通,平均整流電壓變成Udo2。假設(shè)平均整流電壓是在自然換相點變化的，則從Uct發(fā)生變化到Udo發(fā)生變化之間的時間便是失控時間。顯然，失控時間Ts是隨機的,它的大小隨控制電壓發(fā)生變化的時間而異,最大值是整流電路兩個自然換相點之間的時間，取決于整流電路的形式和交流電源的頻率。  不同整流電路的失流時間 整流電路形式 單相半波單相橋式，單相全波三相半波三相橋式，六相半波最大失控時間Tsmax/s0。020。010.00670.0033平均

7、失控時間Ts/s0。010。0050。00330。001671.4比例放大器和測速發(fā)電機的傳遞函數(shù)  比例放大器和測速發(fā)電機的響應都可以認為是瞬時的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)和反饋系數(shù)。1.5單閉環(huán)調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)和傳遞函數(shù)  知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后,根據(jù)它們在系統(tǒng)中的相互關(guān)系(參見下圖），可以畫出轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。 轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 利用結(jié)構(gòu)圖的計算方法，可以求出轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為       

8、0;             式中，-閉環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)。  式子表明，將晶閘管觸發(fā)和整流裝置按一個階慣性環(huán)節(jié)近似處理后,帶比例放大器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的一個三階線性系統(tǒng)。  上面所述單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),電動機電樞的供電電源是晶閘管整流裝置的輸出電壓。當電動機電樞的供電電源采用直流PWM變換器時，也可以得到完全相仿 的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。當采用直流PWM變換器時，組成系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)是電壓比較環(huán)節(jié)、比例放大器、脈寬調(diào)制器和PWM變換器、直流電

9、動機以及測速發(fā)電機，與 V-M系統(tǒng)的惟一區(qū)別就是用脈寬調(diào)制器和PWM變換器取代了晶閘管觸發(fā)和整流裝置。因此，唯一不同的是脈寬調(diào)制器和PWM變換器本身的傳遞函數(shù),其他各個 環(huán)節(jié)完全相同。根據(jù)脈寬調(diào)制器和PWM變換器的工作原理，當脈寬調(diào)制器的控制電壓Uc改變時，PWM變換器的輸出電壓要到下一個周期才能改變。因此，脈寬 調(diào)制器和PWM變換器合起來也可以看作是一個具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，它的最大滯后時間不超過一個開關(guān)周期T.由于脈寬調(diào)制器的開關(guān)周期通常要比晶閘管整流 裝置的失控時間小得多，因此，像晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳遞函數(shù)的近似處理一樣，當系統(tǒng)的截止頻率滿足   

10、0;                                 時，脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)也可以近似成一個一階慣性環(huán)節(jié)，即            

11、60;                                               式中，Ud-PWM變換器輸出的

12、空載平均電壓；     Uc-脈寬調(diào)制器的控制電壓；    脈寬調(diào)制器和PWM變換器的開關(guān)周期，單位為s。第二章 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的建模步驟在雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中, 可根據(jù)工程設(shè)計方法設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù).由于直流電機有很多類型，在實際仿真中,可采用Matlab 中直流電機通用模塊并設(shè)置互感參數(shù)來代替各種類型的直流電機，驗證系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的正確性。本文在調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型建立以及設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)的基礎(chǔ)上, 通過Matlab 的工具箱中PI 調(diào)節(jié)器和直流電機模塊,對此系統(tǒng)進行仿真,仿真結(jié)果可驗證模型及參數(shù)設(shè)置的正確性

13、。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理雙閉環(huán)PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用橋式電路；控制電路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 設(shè)置輸出限幅,以限制最大起動電流.根據(jù)系統(tǒng)運行的需要, 當給定電壓Un 后，ASR 輸出飽和， 電機以最大的允許電流起動，使得電機轉(zhuǎn)速很快上升,而達到給定的速度后轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR 退飽和,電機電樞電流下降，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)很快達到穩(wěn)態(tài).2。1 PWM 發(fā)生器的建模直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵是PWM 發(fā)生器的建模。從雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖可知， 電流調(diào)節(jié)器ACR 輸出最大限幅時，H 橋的占空比為1.對于PWM 發(fā)生器， 采用兩個Discret

14、e PWM Generator 模塊。由于此模塊中自帶三角波,其幅值為1，且輸入信號應在1 與1 之間，將輸入信號同三角波信號相比較， 當比較結(jié)果大于0時， 占空比大于50 ，PWM 波表現(xiàn)為上寬下窄，電機正轉(zhuǎn)；當比較結(jié)果小于0 而大于1 時，占空比小于50 %，PWM 波表現(xiàn)為上窄下寬， 電機反轉(zhuǎn)。Discrete PWM Generator 模塊的參數(shù)設(shè)置為：調(diào)制波為外設(shè)，載波頻率根據(jù)電力電子開關(guān)頻率確定.其次，由于電機運轉(zhuǎn)時，H 橋應與對角兩管觸發(fā)信號一致，為此采用Selector 模塊（路徑為：Simulink/Signal Routing/Selector)，其參數(shù)設(shè)置為:Input

15、 Type 為Vector，Elements 為1 2 4 3， 使得PWM 發(fā)生器信號同H 橋?qū)莾晒苡|發(fā)信號相對應。PWM 發(fā)生器模型及封裝后子系統(tǒng)如下圖所示。 PWM 發(fā)生器模型及封裝后子系統(tǒng)由于ACR 輸出的數(shù)值在1010 之間， 為使ACR 輸出的數(shù)值同PWM 發(fā)生器輸入信號相對應， 在ASR 輸出端加了一個Gain 模塊， 參數(shù)為0。1.這樣，當ASR 輸出限幅10 時,PWM 輸入端為1， 占空比為1； 當ASR 輸出限幅為-10 時，PWM 輸入端為-1,占空比為0。2。2 電動機本體模塊參數(shù)的設(shè)置已知:功率驅(qū)動器為線性放大器，放大倍數(shù)取5o，直流電動機參數(shù)為：R=0512,L

16、=0015， Ue=220V，Ie=53A,ne=1460map， Ce=0132，GD2=2245 N ,測速發(fā)電機的放大倍數(shù)Kd=51460(Vrmp），控制器為PID調(diào)節(jié)器調(diào)速系統(tǒng)采用直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，它的主電路是采用電力電子器件構(gòu)成的脈寬調(diào)制式放大器也稱為脈寬調(diào)制變換器,即PWM變換器因為PWM調(diào)速是通過調(diào)整電力晶體管的開通與關(guān)斷時間來對電機進行調(diào)速的,所以有以下公式：Ud=TonU/T ，Ton為晶體管飽和導通時間，T為一個開關(guān)周期的時間,通過調(diào)節(jié)Ton的大小就可以調(diào)節(jié)平均電壓，也就可以改變電機的兩端電壓進行調(diào)速晶體管需要一個控制方波進行控制，這個方波由脈寬調(diào)制器產(chǎn)生,它是由一個運算

17、放大器和二個輸入信號組成的電壓比較器其中運算放大器必需工作在開環(huán)狀態(tài)稍有一點輸入就可以使運算放大器飽和,以便把連續(xù)的電壓變成脈沖壓Simulink中由于沒有電壓比較器，所以用些非線性函數(shù)來模擬其的產(chǎn)生.實際的電動機互感的參數(shù)與直流電動機的類型有關(guān)， 也與勵磁繞組及電樞繞組的繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)， 從Matlab 中的直流電動機模塊可以看出，其類型為他勵直流電動機，故其互感參數(shù)公式為：其中：Ce為電動機常數(shù),Uf、Rf分別為勵磁電壓和勵磁電阻，UN、Ra、IN、nN、If分別為電動機額定電壓、電樞電阻、額定電流、額定轉(zhuǎn)速和勵磁電流。在具體仿真時,首先根據(jù)電動機的基本數(shù)據(jù)，寫入電動機本體模塊的對應參數(shù)，

18、至于電動機本體模塊的互感參數(shù)，則據(jù)電動機常數(shù)和勵磁電流，由公式（1）即可得到.2。3仿真示例根據(jù)已經(jīng)知道的實驗數(shù)據(jù)要求，計算可得轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，電動機數(shù)據(jù)如下仿真圖中所示，ASR采用PID形式。轉(zhuǎn)速單環(huán)PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型第三章 仿真結(jié)果3。1 PWM發(fā)生器仿真結(jié)果由于本題使用的是傳遞函數(shù)形式模擬出得硬件環(huán)節(jié)，而PWM發(fā)生器控制的是開關(guān)器件的通斷是三角波和正弦波合成的一系列PWM波，所以無法加入PWM模擬器，只等效為一階慣性環(huán)節(jié).假設(shè)階躍給定為220，如下圖。PWM仿真結(jié)果圖3.2 轉(zhuǎn)速單環(huán)PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果假設(shè)階躍給定為50V，計算易得最終轉(zhuǎn)速為4317。79r/d.下面

19、分別觀察電流和轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果。直接電機電流仿真圖：可知由于I（積分)作用,系統(tǒng)最終能夠達到無靜差，因為電流最終等于負載電流,而模擬時負載為0，所以電流最后為0.由仿真圖形看出仿真正確。電流圖3。3 直流電機轉(zhuǎn)速仿真圖 電動機啟動后轉(zhuǎn)速持續(xù)上升,最終達到給定值達到穩(wěn)定值，觀察可知結(jié)果與計算結(jié)果相近.轉(zhuǎn)速圖心得體會Matlab是一個基于矩陣運算的軟件，它的運算功能非常強大，編程效率高，強大而智能化的作業(yè)圖功能，可擴展性強，simulink動態(tài)仿真功能，主要用于仿真、驗證、算法思想是否正確。在這段時間里,我們主要學習MATLAB的工具的使用，熟悉其最基礎(chǔ)的功能，鍛煉了我的實際動手能力。經(jīng)過本次實訓，確實讓我學到并且鞏固的許多知識,對于MATLAB以及Simulink的一些使用方法和操作步驟有了更深的認知。一開始的時候?qū)τ谲浖碗妱訖C的知識還真是有些許茫然，導致在仿真的時候總是出這樣火那樣的錯誤，但是經(jīng)過不斷地修改，查證以及對知