PWM脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)設計課程設計(共18頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上設計題目及分析設計題目：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) 直流電動機：UN=48V，IN=3.7A，nN=200r/min允許過載倍數(shù)=2；電樞回路電磁時常=0.015s，機電時常=0.2s；PWM環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)：=4.8,；電樞回路總電阻：R=1；電樞電阻Ra=0.5。電流反饋系統(tǒng)=1.33V/A，轉速反饋系數(shù)=0.05V·min/r，電動勢轉速比Ce=0.18V·min/r。轉速電流調(diào)節(jié)器輸入輸出限幅電壓=10V. 采用MATLAB對雙閉環(huán)系統(tǒng)進行仿真，繪制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖，仿真得出啟動轉速，起動電流，直流電壓Ud，ASR,

2、ACR輸出電壓的波形。并對結果進行分析。 直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應用。本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計參數(shù)進行分析和計算，利用Simulink對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎上，本文設計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn)。對系統(tǒng)的性能指標進行了實驗測試，表明所設計的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，

3、具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達到了設計要求。采用MATLAB軟件中的控制工具箱對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行計算機輔助設計，并用SIMULINK進行動態(tài)數(shù)字仿真,同時查看仿真波形,以此驗證設計的調(diào)速系統(tǒng)是否可行。一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理：電動機在啟動階段，電動機的實際轉速(電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號,直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值

4、, 電動機以最大電流恒流加速啟動。電動機的最大電流(堵轉電流)可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉速上升到給定轉速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。對負載引起的轉速波動,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應變化,從而校正和補償電動機的轉速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù), 還能夠對因電網(wǎng)波動引起的電動機電樞電流的變化進行快速調(diào)節(jié),可以在電動機轉速還未來得及發(fā)生改變時,迅速使電流恢復到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉速下運行。2、雙閉

5、環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，如圖11所示。把轉速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖11 轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)其中：ASR-轉速調(diào)節(jié)器 ACR-電流調(diào)節(jié)器 TG-測速發(fā)電機 TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器 -轉速給定電壓 Un-轉速反饋電壓 -電流給定電壓 -電流反饋電壓 實際上在正常運行時，電流調(diào)

6、節(jié)器始終為不飽和狀態(tài)，而轉速調(diào)節(jié)器則處于飽和和不飽和兩種狀態(tài)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖2所示。圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如圖3所示。圖3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖圖中和分別表示轉速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構圖上必須把電流標示出來。電機在啟動過程中，轉速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和、飽和、退保和三種狀態(tài)，整個動態(tài)過程可分為圖4中的三個階段。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的轉速和電流波形如圖4所示。圖4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉速和電流波形圖4中所示的啟動過程，階段是電流上升階段，電流從0到達最大允許值Idm，

7、ASR飽和、ACR不飽和；階段時恒流升速階段，Id基本保持在Idm，電動機加速到了給定值n*，ASR飽和、ACR不飽和；階段時轉速調(diào)節(jié)階段（退飽和階段），ASR不飽和、ACR不飽和。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程利用飽和非線性控制，獲得了準時間最優(yōu)控制，但卻帶來了轉速超調(diào)。2.2 H橋PWM變換器 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兩端電壓的極性隨開關器件驅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

8、，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5所示。 圖5 橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅動電壓波形如圖6所示。 圖6 雙極式控制可逆PWM變換器的驅動電壓、輸出電壓和電流波形它們的關系是：。在一個開關周期內(nèi)，當時，晶體管VT1、VT4飽和導通而VT2、VT3截止，這時。當時，VT1、VT4截止，但VT2、VT3不能立即導通，電樞電流經(jīng)VD2、VD3續(xù)流，這時。在一個周期內(nèi)正負相間，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)在驅動電壓正負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機正轉；當正脈沖較

9、窄時，則反轉；如果正負脈沖相等，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 (1) 如果定義占空比，電壓系數(shù)，則在雙極式可逆變換器中 (2)調(diào)速時，的可調(diào)范圍為01，相應的。當時，為正，電動機正轉；當時，為負，電動機反轉；當時，=0，電動機停止。但是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。當控制電壓改變時，PWM變換器輸出平均電壓按現(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T。PWM裝

10、置的延遲時間，一般選取 =0.001s (3) 其中，-開關器件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)的選擇與晶閘管控制電路有所區(qū)別，這里選擇電流濾波時間常數(shù) =0.132 V·minr (4) =0.18s (5)=0.03s (6)4 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，取 錯誤！未找到引用源。=+=0.002+0.001=0.003 (7)4.2 電流調(diào)節(jié)器結構選擇 根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)時在電網(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

11、用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可見式（8）。 (8) 檢查對電源電壓的抗擾性能：，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)：。 電流環(huán)開環(huán)增益：要求，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，因此 (9)于是，ACR的比例系數(shù)為 (10)4.4 校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率：166.7 （1）PWM變換裝置傳遞函數(shù)的近似條件 (11)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 (12)滿足近似條件。（3）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 (13)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，各個電

12、阻和電容值的計算如下： 取50 取0.6 取0.2PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖7所示。 圖7 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 (14) 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結構圖如圖8所示。 圖8 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（），所以電流環(huán)等效時間常數(shù)為： (15) 轉速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)處理處理，取 (16) 5.2 轉速調(diào)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

13、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 (17) 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的超前時間常數(shù)為： (19) 轉速環(huán)的開環(huán)增益為： (20) 于是可得ASR的比例系數(shù)為： (21) 5.4 校驗近似條件 轉速環(huán)的截止頻率為： （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 (22) 滿足簡化條件。 （2）轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 (23) 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，不能滿足設計

14、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： 滿足要求。5.5 調(diào)節(jié)器電容和電阻值計算按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下： 取510 取0.2 取1 PI型轉速調(diào)節(jié)器原理圖如圖9所示。圖9 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調(diào)節(jié)器由以上計算可得轉速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 (24) 校正成典型II型系統(tǒng)的轉速環(huán)的動態(tài)結構圖如圖10所示。 圖10 轉速環(huán)的動態(tài)結構圖6 采用MATLAB對系統(tǒng)進行仿真 利用MATLAB-SIMULINK對系統(tǒng)進行仿真，系統(tǒng)框圖和仿真結果如下所示。6.1 原理框圖設

15、計6.1.1 電流環(huán)原理圖圖11 電流環(huán)原理圖 電流環(huán)的原理圖如圖11所示，輸入為階躍信號，通過ACR輸出限幅，控制輸出電流幅值大小。電流反饋環(huán)節(jié)加上PI調(diào)節(jié)器，使穩(wěn)態(tài)輸出無靜差。6.1.2 轉速環(huán)原理圖 轉速環(huán)原理圖如圖12所示。階躍給定輸入信號經(jīng)過一個慣性環(huán)節(jié)輸出，與反饋環(huán)節(jié)的比較作為ASR的輸入，ASR輸出限幅，控制輸出直流電壓幅值大小。負載擾動設定為階躍信號，系統(tǒng)空載啟動。若仿真時間設為5s,可以設定在3s時加入負載的擾動。 圖12 轉速環(huán)原理圖 6.1.3轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖13 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真原理圖 圖中，step為一個電壓階躍信號，當t=0時

16、，跳變?yōu)殡A躍值為10的信號。 圖中subsystem是新建的一個系統(tǒng)，通過設計參數(shù)，其等效為ASR或者ACR，只是兩者的參數(shù)設置不一樣，但內(nèi)部結構相同，包含比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，如圖14所示。圖14 ASR和ACR內(nèi)部結構圖6.2 仿真結果K=1時的仿真結果6.3 仿真結果分析 雙閉環(huán)控制電動機的轉速和電流分別由兩個獨立的調(diào)節(jié)器控制，轉速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉速的偏差調(diào)節(jié)電動機電樞的電流。當轉速低于給定轉速時，轉速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動機電流增加，從而使電動機獲得加速轉矩，電動機轉速加速上升，電機啟動性能良好，滿足動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定性。二、 實驗總結通過本次課程設計，一方面培養(yǎng)了我獨立動手，獨立思考，查閱相關資料獨立去發(fā)現(xiàn)，面對，分析和解決問題的能力，同時增強了自己理論聯(lián)系實踐，學以致用的能力。這大大激發(fā)了我對學習課本知識的興趣。在課程設計中，我也接觸到了許多新知識，這大大拓寬了我的視野。然而，另一方面，我也發(fā)現(xiàn)我對所學知識掌握的還不夠牢靠