《电力拖动自动控制系统》课程设计-PWM直流脉宽调速系统建模与仿真.docx

武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程计说明书学 号： 0120911350501课 程 设 计题 目pwm直流脉宽调速系统建模与仿真学 院自动化专 业电气工程及其自动化班 级电气0905姓 名指导教师2012年6月15日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电气0905 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: pwm直流脉宽调速系统建模与仿真 初始条件：1技术数据： pwm变流装置：rrec=0.5，ks=44。 负载电机额定数据：pn=8.5kw，un=230v，in=37a，nn=1450r/min，ra=1.0，ifn=1.14a，gd2=2.96n.m2 系统主电路：tm=0.07s，tl=0.005s 2技术指标 稳态指标：无静差动态指标：电流超调量：i5%，起动到额定转速时的超调量：n8%，动态速降n10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s要求完成的主要任务: 1技术要求： (1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（d10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 2设计内容：(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图 (2) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作用(3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过matlab来进行调节器的参数调节(4) 绘制pwm直流脉宽调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图） (5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书时间安排：课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：（1） 复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的20%（2） 根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的40%（3） 完成设计和文档整理。约占总时间的40%指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要本文在介绍双闭环pwm直流调速系统原理基础上，根据系统的动、静态性能指标采用工程设计方法设计调节器参数，并运用matlab的simulink面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现了转速电流双闭环pwm直流调速系统的建模与仿真。本文重点介绍了调速系统的建模和pwm发生器、直流电机模块等参数的设置，利用matlab的simulink仿真得到pwm 直流可逆调速系统转速和电流仿真波形，并由仿真波形通过matlab来进行调节器的参数调节，验证了仿真模型及调节器参数设置的正确性。为实际应用中pwm直流脉宽调速系统的设计提供了理论基础和实现的平台，使得设计过程变得非常简单、快速！关键词：直流脉宽调制、双闭环、matlab目录pwm直流脉宽调速系统建模与仿真11 概述12 设计任务及要求22.1 主要任务 22.2 设计要求 23 理论设计33.1 方案论证33.2 系统模型的建立53.2.1 直流电机模型 53.2.2 调速系统动态模型83.3 调速系统性能分析 93.3.1 静态性能和启动过程 93.3.2 动态性能113.3.3 两个调节器的作用123.4 调节器设计123.4.1 电流调节器的设计133.4.1.1 确定时间常数143.4.1.2 选择电流调节器的结构153.4.1.3 选择电流调节器的参数153.4.1.4 检验近似条件153.4.1.5 计算acr的电容电阻163.4.2 转速调节器的设计163.4.2.1确定时间常数 163.4.2.2选择转速调节器的结构 163.4.2.3选择转速调节器的参数 173.4.2.4检验近似条件 173.4.2.5计算asr的电容电阻 173.4.2.6选择超调量的计算 183.4.2.7校验过渡过程时间 184 matlab仿真 194.1 matlab简介194.2 pwm直流脉宽调速系统仿真 194.3 仿真结果 205 总结与体会 21参考文献 22pwm直流脉宽调速系统建模与仿真1概述直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调整，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流pwm调速系统。直流pwm调速系统采用门极可关断晶闸管gto、全控电力晶体管gtr、mosfet、igbt等电力电子器件组成的直流脉冲宽度（pwm）型的调速系统近年来已经发展成熟，用途越来越广泛，与晶闸管可控整流调速系统（v-m系统）相比，在很多方面具有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率元件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；（4）系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；（5）主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；（6）直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。因此，对直流pwm调速系统的学习和研究具有很高的实用价值，能够为以后的工作学习提供扎实的基础。2 主要任务及要求题目中所给的负载电机额定数据如下：pn=8.5kw，un=230v，in=37a，nn=1450r/min，ra=1.0，ifn=1.14a，gd2=2.96n.m2 tm=0.07s，tl=0.005s所给出的pwm变流装置参数如下：rrec=0.5，ks=44。 2.1 主要任务(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图 (2) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作用, (3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过matlab来进行调节器的参数调节。(4) 绘制pwm直流脉宽调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图） (5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书2.2 设计要求(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（d10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 (3)稳态指标：无静差(4)动态指标：电流超调量：i5%，起动到额定转速时的超调量：n8%，动态速降n10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s3 理论设计3.1 方案论证要求采用直流pwm调制，所以开关器件必须是全控型的电力电子器件，全控型的器件有门极可关断晶闸管gto、全控电力晶体管gtr、mosfet、igbt等，因为igbt具有较高的开关频率，较高的功率承受能力，而且驱动简单，所以选择igbt作为开关器件。题目要求实现电机的可逆运行，要求转速反向，就需要改变pwm变换器输出的电压的正负极性，使得直流电机可以在四象限中运行。可逆pwm变换器的主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称h桥型）电路，如图1所示，电机两端电压的极性随着全控型电力电子器件的开关状态而改变。可逆pwm变换器的控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，在这里采用最常见的是双极式控制的h桥型pwm变换器。图1 桥式可逆变换器电路双极式pwm变换器的工作状态要视正、负脉冲电压的宽窄而定，如图2所示。当正脉冲较宽时，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转。当正脉冲较窄时，平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相等，=，平均电压为零，则电动机停止。图2双极式pwm变换器电压和电流波形双极式可逆pwm变换器电枢平均端电压为： 以=定义pwm电压的占空比，则=的变化范围为 1。当为正值时，电动机正转；为负值时，电动机反转；0时，电动机停止。在0时虽然电机不动，电枢两端的瞬时电和瞬时电流都不是零，而是交变的。这个交变电流平均值为零，不产生平均转矩，陡然增大电机的损耗。但它的好处是使电机带有高频的微振，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、反向的静摩擦死区。调速性能指标要求无静差、电流超调量：i5%，起动到额定转速时的超调量：n8%，动态速降n10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s。可以看到这样的指标要求较高，采用一般的单闭环调速方式不可能达到要求，所以这里采用转速、电流双闭环调速控制方式。转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。转速、电流双闭环调速控制直流调速系统原理图如图3所示，为实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器upe。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图3 转速、电流双闭环直流调速系统原理图其中：asr-转速调节器 acr-电流调节器 tg-测速发电机 ta-电流互感器 upe-电力电子变换器 -转速给定电压 un-转速反馈电压 -电流给定电压 -电流反馈电压3.2 系统模型的建立3.2.1 直流电机模型直流电机有稳态模型和动态模型，由于这里主要研究系统的动态性能，而且动态模型中包含了稳态模型，所以这里只给出了直流电机动态模型的建立。他励直流电机在额定励磁下的等效电路如图4所示，其中电枢回路总电阻r和电感l包含电力变换内阻、电枢电阻和电感及可能在主电路中接入的其他电阻和电感，规定的正方向已标明在图中。图4他励直流电机在额定励磁下的等效电路假定主电路电流连续，动态电压方程为忽略粘性摩擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为式中 包括电机空载转矩在内的负载转矩（）； 电力拖动装置折算到电机轴上的飞轮惯量（）额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为式中 电机额定励磁下的转矩系数（），。再定义下列时间常数： 电枢回路电磁时间常数（s），； 电力拖动系统机电时间常数（s），。代入电压方程和动力学方程整理得式中 负载电流（a），。在零初始条件下，取拉氏变换，得到电压与电流间的传递函数为电流与电动势的传递函数为结合上述两式，考虑，即得到额定励磁下直流电机的动态结构图，如图5所示。图5额定励磁下直流电机的动态结构图经过等效变换，可以的到如图6所示的动态结构框图。图6直流电机动态结构框图的变换由此可以的到直流电机的传递函数3.2.2 调速系统动态模型在图2所示的转速、电流双闭环直流调速系统原理图中转速调节器和电流调节器一般采用pi调节器以消除静态误差。电力电子变换器由桥式可逆变换器电路组成的，而pwm变换器电路由pwm控制器发出驱动电压来控制主电路上的全控器件实现的，如图7所示。pwm控制器pwm变换器图7 pwm控制器与变换器的框图按照3.1节中对pwm变换器工作原理和波形的分析，可以看出，当控制电压改变时，pwm变换器输出平均电压按照线性规律变换，但其相应会有延迟，最大的时延是一个开关周期t。因此pwm控制器与变换器可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成式中 pwm装置的放大系数； pwm装置的延长时间，。当开关频率较大时，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数较小的滞后环节可以近视看成一个一阶的惯性环节注意上式是近似的传递函数，实际的pwm变换器不是一个线性环节，而是具有继电特性的非惯性环节。至于电流反馈环节和转速反馈环节都可以看成是线性的一阶惯性环节，。那么根据转速、电流双闭环直流调速系统原理图图3可以得到双闭环直流调速系统的动态结构图如图8所 图8 双闭环直流调速系统的动态结构图3.3 调速系统性能分析3.3.1静态性能和启动过程双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差。这时，转速负反馈起主要的调节作用，但负载电流达到时,对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流的自动保护。这就是采用了两个pi调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图9。图9 双闭环直流调速系统的静特性设置双闭环控制的一个重要目的是获得接近于理想的起动过程，双闭环调速系突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图10所示。由于在起动过程中转速调节器asr经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段，在图中分别以、ii、ii图10双闭环脉宽调速系统起动时转速和电流波形第i阶段0是电流上升的阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使、上升，当后，电动机开始转动。由于电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器asr的输入偏差电压数值较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流迅速上升。当时，电流调节器的作用使不在迅速增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，asr由不饱和很快达到饱和，而acr一般应该不饱和以保证电流环的调节作用。第ii阶段是恒流升速阶段。从电流升到开始，到转速升到给定值（即静特性上的）为止，属于恒流升速阶段，是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，asr一直是饱和的，转速环相当于是开环。系统表现为在恒值电流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超也可能不超调，取决于电流调节环的结构和参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势e也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。由于电流调节器acr是pi调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不饱和的。第iii阶段以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电机仍在最大电流下加速，必然会使转速超调。转速超调以后，asr输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压即acr的给定电压立即从限幅值降下来，主电流也因而下降。但是，由于仍大于负载电流，在一段时间内，转速将继续上升。到时，转矩,则，转速n到达峰值（t=时）。此后。电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小于的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，asr与acr都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，asr处于主导地位，而acr的作用则是力图使尽快地跟随asr的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统.由上述可知，双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内，asr处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。双闭环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时asr发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。3.3.2动态性能（一）动态跟随性能如上所述，双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应该强调有良好的跟随性能。（二）动态抗扰性能1抗负载扰动负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此，在突加（减）负载时，必然会引起动态速降（升）。为了减少动态速降（升），必须在设计asr时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于acr的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。2.电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果也不一样。负载扰动作用在被调量n的前面。它的变化经积分后就可被转速检测出来，从而在调节器asr上得到反映。电网电压扰动的作用点离被调量更远，它的波形先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，已经太晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环，这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后，才在系统中起作用。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多。3.3.3 两个调节器的作用1.转速调节器的作用（1）使转速n跟随给定电压变化，稳态无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定允许的最大电流。2.电流调节器的作用（1）对电网电压波动起及时抗扰作用。（2）起动时保证获得允许的最大电流。（3）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全饱和作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。3.4 调速器设计我们现在采用一般系统调节器的工程设计方法具体设计双闭环调速系统的两个调节器。由工程设计法可知，设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环逐步向外扩展。在这里，先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。3.4.1 电流调速器的设计h型双极式pwm变换器供电的直流调速系统，直流电动机的参数以及给出：额定功率=8.5kw，额定电压=230v，额定电流=37a，电枢电阻ra=1，额定转速=1450r/min。系统主电路参数：tm=0.07s，tl=0.005s pwm变流装置参数：电阻=0.5，=44设电流过载倍数=1.5，pwm变流装置的开关频率为4khz则根据电流环结构图图11进行电流调速器参数设计如下图11 电流环结构图3.4.1.1确定时间常数（1）脉宽调制器和pwm变换器的滞后时间常数与传递函数的计算由pwm开关频率得到开关周期脉宽调制器和pwm变换器的放大系数为 于是可得脉宽调制器和pwm变换器的传递函数为（2）电流滤波时间常数 取0.0005s（3）电流环小时间常数 3.4.1.2选择电流调节器结构根据设计要求，而且因此可以按典型i型系统设计电流调节器选用pi型，其传递函数为 3.4.1.3选择电流调节器参数要求时，应取，因此又 于是3.4.1.4检验近似条件 （1）要求，现。（2）要求，现。（3）要求， 现。 可见均满足要求。3.4.1.5计算acr的电阻和电容取=40k，则 ，取 按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为，故满足设计要求。3.4.2转调节器的设计3.4.2.1 确定时间常数（1）电流环等效时间常数为（2）取转速滤波时间常数（3）3.4.2.2 asr结构设计根据稳态无静差及其他动态指标要求，按典型ii型系统设计转速环，asr选用pi调节器，其传递函数为 3.4.2.3 选择asr参数取h=5，则则 3.4.2.4 校验近似条件 （1）要求，现有。（2）要求，现有可见均能满足要求。3.4.2.5 计算asr电阻和电容取，则 ，取600 ，取0.055 3.4.2.6 检验转速超调量 当h=5时，而，因此可见转速超调量满足要求。2.4.2.7 校验过渡过程时间空载起动到额定转速的过渡过程时间可见能满足设计要求。4 matlb仿真4.1 matlab简介 系统仿真和调试在设计电路时,要对所设计的电路的性能进行预计、判断和校验。过去常用数学和物理这两种方法,它们对设计规模较小的一般电路是可行的。随着大规模集成电路的迅速发展,电路品种日新月异,规模越来越大,同时对电路的可靠性、性价比也越来越高,原来的方法已完全不能适应电路的要求。控制系统的计算机法仿真是一门涉及到控制理论、计算机技术的综合性新兴学科。它是以控制系统的数学模型为基础，以计算机为工具，对系统进行实验研究的一种方法。系统仿真就是用模型代替实际系统进行实验和研究，而计算机仿真能够为各种试验提供方便、灵活可靠的数学模型。目前应用的比较多的是matlab ,它包含了强大的仿真器和仿真库。使用matlab对控制系统进行计算机仿真的主要方法是：以控制系统的传递函数为基础，使用matlab的simulink工具箱，从元件库中选取所需的元件,连接好原理图,加上激励源,然后单击仿真按钮即可自动开始,可以同时观察复杂的模拟信号和数字信号波形,以及得到电路性能的全部波形4.2 pwm直流脉宽调速系统仿真仿真的动态模型已经在3.2.2节中给出，如图8所示。而且模型中各环节的参数在3.4节中已经计算好了，现在只需要将动态模型和参数都输入到matlab中的simulink中即可进行仿真。在simulink中建立的模型如图12图12 pwm直流脉宽调速系统仿真图输入给定step为一个阶跃信号，在t=0时刻由0跃变到10，若负载扰动step1不加信号，则是仿真空载启动的情况；若负载扰动step1加一个在t=0时刻由0跃变到37的阶跃信号，则是仿真满载启动的情况。运行仿真，然后双击scope就可以查看仿真所得的电流波形和转速波形。43仿真结果满载启动的电流电压波形如图13所示。图13 满载启动时电流、转速波形可以看到系统在小于0.6s的时间完成启动过程达到静态稳定。启动过程波形非常理想，由此算出：可以看出满载启动时电流超调量和转速超调量都满足要求。空载启动，稳定后，在t=1s时突加额定负载的仿真波形如图14所示图14 空载启动，稳定后，在t =1s时突加额定负载的仿真波形可以看到系统在0.3s以前完成了空载启动，达到静态稳定，启动波形非常理想。，。由此可以算出可以看出空载启动时电流超调量和转速超调量都满足要求。空载启动稳定之后，突加额定负载，可以看到系统只