PWM直流調(diào)速系統(tǒng)

1、pwm直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真1設計意義速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應 快、抗干擾能力強等優(yōu)點。我們知道反饋閉環(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。實際工作中， 我們希望在電機最大電流限制的條件下，充雙閉環(huán)調(diào)分利用電機的允許過載能負 力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng) 盡可能用最大的加速度啟動，到達穩(wěn)定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬 上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這時，啟動電流波形，而轉速是線性增長 的。這是在最大電流轉矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程

2、。2主電路設計2.1 設計任務晶閘管三相橋式全控整流電路供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，直流電動機:220V,136A,1460r/min,電樞電阻R=0.2 Q,允許過載倍數(shù)入=1.5;電樞回路總電阻：R= 0.5 Q,電樞回路總電感:L= 15mH,電動機軸上的 總飛輪力矩：GD2= 22.5N - M,晶閘管裝置：放大系數(shù)Ks=40,電流反饋 系數(shù)：B =0.05V/A,轉速反饋系數(shù)：0c =0.007Vmin/r,濾波時間常 數(shù):Toi=0.002S ,T on = 0.01S設計要求：(1)穩(wěn)態(tài)指標：轉速無靜差；(2)動態(tài)指標：電流超調(diào)量。iW 5%,空載起動到額定轉速的轉速超調(diào)量(T n

3、W 10%2.2 電路設計及分析根據(jù)設計任務可知，要求系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)無靜差調(diào)速，并要求較好的動態(tài)性能，可選擇PI控制的轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，以完全達到系 統(tǒng)需要。轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)框圖兩個調(diào)節(jié)器的輸出均帶限幅作用的，轉速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了 電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR勺輸出限幅電壓限制了電力電子電換器 的最大輸出電壓。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如下圖 2所示圖2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖2.2.1 電流調(diào)節(jié)器直流電機是調(diào)壓調(diào)速，一般用調(diào)電樞電壓的方法來調(diào)速，用用電阻的方法或 者可調(diào)電源都可以。電流

4、調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓（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。 在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最 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 轉速調(diào)節(jié)器轉速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉速 n很快地跟隨給定電壓變 化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用 PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。它對負載 變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。由于測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波圖3動態(tài)結構圖2.3 H橋PW蛇換器脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直

5、流電源電壓調(diào) 制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列， 從而改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié) 電機的轉速。由于題目中給定為轉速、電流雙閉環(huán)控制的 H型雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，電動機M兩端電壓Uab的極性隨開關器件驅(qū)動電壓的極性變化而變化。通 過調(diào)節(jié)開關管的導通和關斷時間，即占空比，可以達到對直流電機進行調(diào)速的目 的。H型雙極性PWM變換器如圖4所示。圖4橋式可逆PW般換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅(qū)動電壓波形如圖 5所示pwMe換器的驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形圖5雙極式控制可逆它們的關系是：Ug1 Ug4Ug2 Ug3。在一個開關周期內(nèi)，當0 tton時,晶體管VT1、VT4飽和導通而

6、VT2、VT3截止，這時UAB Us。當ton t T時,VT1、VT4截止，但VT2、VT3不能立即導通，電樞電流id經(jīng)VD2、VD3續(xù)流,這時Uab -Us 0 Uab在一個周期內(nèi)正負相問，這是雙極式 PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖6所示。電動機的正反轉體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正負脈沖的寬窄ton 一上。當正脈沖較寬時，2 ,則Uab的平均值為正，電動機正轉；當正脈沖較ton 工窄時，則反轉；如果正負脈沖相等，2 ,平均輸出電壓為零，則電動機停止轉動。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為ton ,T-ton / 2tonUd Us T- (4-1) UsT T T如果定義占空比 處，

7、電壓系數(shù)上，則在雙極式可逆變換器中TUs2 -11 .調(diào)速時，的可調(diào)范圍為01,相應的 -11。當 時， 為正，電動機21 1正轉；當1時，為負，電動機反轉；當，時，=0,電動機停止。但是2 2電動機停止時電樞電壓并不等于零， 而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電 流也是交變的。3系統(tǒng)參數(shù)的選取3.1 PWM變換器滯后時間常數(shù)TsPWM控制與變換器的動態(tài)數(shù)學模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。當 控制電壓Uc改變時，PWM變換器輸出平均電壓Ud按現(xiàn)行規(guī)律變化，但其響應 會有延遲，最大的時延是一周開關周期 ToPWM裝置的延遲時間Ts T , 一般選取1Ts =0.001s f其中，f-開關器

8、件IGBT的頻率。3.2 電流濾波時間常數(shù)和轉速濾波時間常數(shù)PWM變換器電流濾波時間常數(shù)的選擇與品閘管控制電路有所區(qū)別，這里選擇電流濾波時間常數(shù)Toi 0.002sCe U=220 136 0.2 =0.132 V . min/rnnom1460_2 _ _GD2R22.5 0.5”!=-=-=0.18s302302375 Ce3750.1322Tl = RL 1.5 10 20.5=0.03s4電流調(diào)節(jié)器ACR的設計4.1 電流環(huán)小時間常數(shù)計算按小時間按常數(shù)近似處理，T i取U= Toi + Ts =0.002+0.001=0.0034.2 電流調(diào)節(jié)器結構選擇根據(jù)設計要求5% ,并保證穩(wěn)態(tài)時

9、在電網(wǎng)電壓的擾動下系統(tǒng)無靜差，可以按典型 型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器，電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可以采用 PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可見式WACR ( S)i( is 1)iS檢查對電源電壓的抗擾性能:TiT-0.030.00310,分析可知，各項指標都是可以接受的。4.3 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù):Ti0.03s電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5% ,根據(jù)典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系可知，應取K 1T j0.5,因此Ki0.5T i-05- 166.7s 10.003于是，ACR的比例系數(shù)為i iR166.70.03 0.5 1.2540 0.054.4 校驗近似條件電

10、流環(huán)截止頻率：ci I 166.7s1(1) PWM變換裝置傳遞函數(shù)的近似條件3Ts3 0.001333.3s 1ci滿足近似條件(2)校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件3：t:30.18 0.003140.8s ci滿足近似條件(3)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件111 ,13 . TsToi3 , 0.001 0.002235.7sci滿足近似條件4.5調(diào)節(jié)器電容和電阻值計算按所用運算放大器取R0 40k ,各個電阻和電容值的計算如下:RiKiR01.25 40 50k0.03350 100.6 FCoi4ToiR04 0.00240 1030.2 F取50 k取 0.6 F取 0.

11、2 FPI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖6所示 ACR限IR(7>1)(國+1)圖6含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器由以上計算可得電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為WACR ( S)Ki( iS 1)1.25(0.03s 1)iS0.03s校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結構圖如圖 7所示。圖7電流環(huán)的動態(tài)結構圖5速度調(diào)節(jié)器 ASR設計5.1 時間常數(shù)的設定在電流調(diào)節(jié)器的設計中為了達到電流超調(diào)的要求（i 5%）, KITi 0.5,所以電流環(huán)等效時間常數(shù) 工為:Ki1Ki2 i 2 0.003 0.006s轉速環(huán)小時間常數(shù) n o按小時間常數(shù)處理處理，取on 0.006 0.010.016s5.2 轉速調(diào)

12、節(jié)器結構選擇為了實現(xiàn)轉速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)， 它應該包含在轉速調(diào)節(jié)器ASR中。現(xiàn)在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉 速環(huán)開環(huán)調(diào)節(jié)器應該有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型II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也應該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Wasr(S)Kn( nS 1)5.3 轉速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算按跟隨性和抗擾性好的原則，取 h=5,則ASR勺超前時間常數(shù)為:0.016 0.08s轉速環(huán)的開環(huán)增益為:h 12h2 2n5 122 468.75s 225 0.0162于是可得ASR勺比例系數(shù)為:(h 1) Cen 2h6 0.

13、05 0.132 0.1812.70.007 0.5 0.0165.4 校驗近似條件轉速環(huán)的截止頻率為:cnn 468.8 0.08137.5s(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件1 K31 i166.73 0.003178.6s 1cn滿足簡化條件。(2)轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件11 166.71cn、40.0s3 on 3、0.01滿足簡化條件(3)校核轉速超調(diào)量當h=5時，由典型II型系統(tǒng)的階躍輸入跟隨性能指標的關系可知，n 37.6%,不能滿足設計的要求。實際上，突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。系統(tǒng)空載啟動到額定轉速時的轉速超調(diào)量：

14、C maxCb)- nnb2(C maxCb)(z)nb*n136 0.52 0.812 1.50.1320016 7.6%14600.18才兩足要求。5.5 調(diào)節(jié)器電容和電阻值計算按所用運算放大器取Ro 40k ,各電阻和電容值計算如下:RnnR0 12.7 40k508k取 510kn 0.08 F3 FRn 510 1030.157 F取 0.2 Fon4 onRo4 0.013 F40 1036.系統(tǒng)仿真與分析在Matlab中進入Simulink環(huán)境，創(chuàng)建 Model文件如下圖8所示:1電流內(nèi)環(huán)仿真系統(tǒng)圖8在Simulink仿真下的實驗結果是如圖9所示圖9|TfTl2.Pwm控制下的直

15、流調(diào)速系統(tǒng)仿真結果設計心得體會對PWM脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)的設計，再一次熟悉了課本所學知識，對雙閉環(huán) 系統(tǒng)的設計步驟和設計過程有了更深入的了解。通過本次課程設計，加深了對所學電力拖動自動控制系統(tǒng)課程知識的理解， 特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計，包括電流環(huán)、轉速環(huán)的設計。設計時借助 MATLAB軟件進行直流調(diào)速系統(tǒng)分析，進一步熟悉了 MATLAB中SIMULINK 的仿真。書寫課程設計說明書時使用 WORD軟件，使我掌握了許多 WORD編 輯和排版技巧。在此次課程設計中，我覺得查閱各類書籍是很重要的，通過查閱圖書館的書 籍可以開拓我們的視野，使我們的思維不僅僅局限在一個很小的圈子里， 對同一 個問題有多種分析思路、解決方法。另外，我認為光靠自己一個人的力量是遠遠 不夠的，當自己遇到問題實在解決不了時，可以和同學共同探討，尋找解決辦法。 正所謂“三人行，則必有我?guī)煛薄？傊?，這次課程設計不僅增加了我的知識積累， 為將來的畢業(yè)設計打下了基礎， 還讓