直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真

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(jì) 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求 2.2 電路設(shè)計(jì)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(jì) 2.4.1 電流環(huán)的簡(jiǎn)化 2.4.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 2.4.3 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 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(shí)現(xiàn)第三章 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)3.1 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)計(jì)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(dòng)系

2、統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)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(mén)用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)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(jì)2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求(1)穩(wěn)態(tài)指標(biāo):轉(zhuǎn)速無(wú)靜差;(2)動(dòng)態(tài)指標(biāo):電流超調(diào)量i5%,空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。2.2 電路設(shè)計(jì)及分析根據(jù)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)無(wú)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(jì)思路；通過(guò)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(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速n,通過(guò)測(cè)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(jì)），通過(guò)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(jì)），該方案中主要的環(huán)節(jié)是PWM脈寬調(diào)制的動(dòng)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(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。由于電流檢測(cè)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(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。它對(duì)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(cè)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(shí)際動(dòng)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(dòng)態(tài)過(guò)程中決定于于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)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(jì)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(jì)2.4.1 電流環(huán)的簡(jiǎn)化在圖1-2虛線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)麻煩。實(shí)際中，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化比較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即E0.其中忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)的近似條件是 （13）式中 電流環(huán)開(kāi)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(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)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(gè)濾波時(shí)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(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 （14）則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡(jiǎn)化成圖13c所示。簡(jiǎn)化的近似條件為 （15） 圖13電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡(jiǎn)化(a)忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)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(jì)從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)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(duì)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(xiě)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(shí)間常數(shù)為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇 （17）則電流環(huán)的動(dòng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.4.3 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)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(yùn)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(jì) 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(xiàng)，可降階近似為 （118）近似條件為 （119）式中 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)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(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)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(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)將給定信號(hào)改成，再把時(shí)間常數(shù)為和的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)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(jiǎn)化

9、成圖16b由于需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，而且在后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見(jiàn)，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(shí)間常數(shù)。（a）（b）（c）圖16 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡(jiǎn)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(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)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(shí)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(jì)3.1 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算（1） 確定時(shí)間常數(shù)1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts 查表的：三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017。整流電路形式最大失控時(shí)間Tsmax/ms平均失控時(shí)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(shí)間常數(shù)Toi。三相橋式電路每個(gè)波頭

11、的時(shí)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(shí)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(jì)要求超調(diào)量 =5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。可用PI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(xiàng)性能指標(biāo)都是可以接受的。 上式Tl=L/R=0.03s。（3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)： =Tl=0.03s。 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求超調(diào)量=5%時(shí)，應(yīng)取=0.5,因此 KI=0.5/=135.1s-1=1.013 (4) 檢驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止

12、頻率：=KI=135.1s-1 1) 檢驗(yàn)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(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 =40.82s-1< 滿足近似條件 3）檢驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l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(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為： 超調(diào)量=4.35%<5% 滿足設(shè)計(jì)要求3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算（1） 確定時(shí)間常數(shù)1）電流等效時(shí)間常數(shù)。=0.5，則=。2） 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)=0.01s。3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。近似處理?xiàng)l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(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) h=5, 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益 ASR的比例系數(shù)為 （4） 檢驗(yàn)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(jiǎn)化條件 滿足簡(jiǎn)化條件 2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足簡(jiǎn)化條件在退飽和的情況下，計(jì)算轉(zhuǎn)速超調(diào)有（2-6）在h=5時(shí)有=81.2%；=1.5；=0.07s； =0.0012s；=0.133；空載啟動(dòng)時(shí)有；即可求得由此可見(jiàn)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(wú)論哪種PWM變換器電路其驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí),PWM輸出平均電壓按線性變化,因此PWM裝置可以看成一個(gè)滯后裝置,當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為10KHZ時(shí),T=0.1ms,在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中,時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié): 但需注意,這只是近似的傳遞函數(shù),實(shí)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(jì)中,設(shè)定=0.0067,=40,通過(guò)改變?cè)O(shè)定值,來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能.第五章 系統(tǒng)的仿真 仿真的過(guò)程中，通過(guò)設(shè)定兩和個(gè)參數(shù)的值來(lái)改善系統(tǒng)的性能，下面概略描述三個(gè)主要的方針過(guò)程，如下：剛開(kāi)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(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，電流啟動(dòng)時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，恒電流加速過(guò)程短，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段慢?；谝陨闲Ч?，對(duì)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(dòng)時(shí)間縮短，恒流加速過(guò)程加長(zhǎng)，但轉(zhuǎn)速反饋沒(méi)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(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)的實(shí)習(xí),我對(duì)運(yùn)動(dòng)控制有了更深入的了解,不僅對(duì)轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)反饋控制加深了理解,還對(duì)PWM控制有了新的認(rèn)識(shí),PWM控制的實(shí)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(kāi)始拿到題目,一看挺簡(jiǎn)單的吧,但是開(kāi)始做時(shí),才知道PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并不簡(jiǎn)單,最重要的是,P