双极式控制直流PWM-M可逆调速系统的建模与仿真--毕业论文参考文献.pdf

电 子 技 术 研 发e le c t r o n ic s r & d 电子技术 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 0 0 7 5 5 2 0 1 3 0 7 0 0 4 双极式控制直流p w m - m 可逆调速系统的建模与仿真 吴祥营荣 军孙敏敏朱珊珊杨 铮 ( 湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南 岳阳) 摘要：阐述了双极式控制直流p wm m调速系统的工作原理，并且详细研究了在ma t l a b s i mu l in k 中的 双极式控制直流p wm m调速系统的建模方法，最后给出了反映系统性能的仿真结果并对其进行了比较分析， 对双极式控制直流p wm m可逆调速系统在实际工程中的应用有很好的借鉴意义。 关键词：直流电机；p wm；调速；仿真； th e m o d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f bi p o l a r re v e r s i b l e p w m - m dc dr i v e s y s t e m w u xi a n g y i n g ro n g j u n s u n mi n mi n z h u s h a n s h a n ya n g zh e n g ( de p a r t me n t o f i n f o r ma t i o n a n d co mmu n i c a t i o n en g i n e e r i n g ， hu n a n i n s t i t u t e o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y y u e y a n g ， h u n a n ) ab s t r a c t ： t h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f b i p o l a r r e v e r s i b l e p w m m dc s p e e d c o n t r o l s y s t e m， a n d ma k e s a d e t a i l e d s t u d y o f t h e mo d e l i n g me t h o d o f t h e s p e e d c o n t r o l s y s t e m i n m a t l a b s i mu l i n k at l a s t ， t h e p a p e r g i v e s t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s a n d ma k e s a c o mp a r a t i v e a n a l y s i s f o r r e fle c t i n g t h e s y s t e m p e r f o r ma n c e ， wh i c h h a s a g o o d r e f e r e n c e f o r t h e a p p l i c a t i o n o f b i p o l a r dc p w m m r e v e r s i b l e s p e e d c o n t r o l s y s t e m i n e n g i n e e r i n g ke y wo r d s ： dc mo t o r ； pw m ： s p e e d c o n t r o l ； s i mu l a t i o n 0 引言 在电力拖动系统中，调节电压的直流调速是应用 最广泛的一种调速方法 ，利用 电力mo s f e t 等一些 全控型器件组成的晶体管脉冲调宽型开关放大器 j 己逐步发展成熟，用途越来越广。本文主要研究了 直流电机双极式控制直流p wm m可逆调速系统的 原理和控制方法，以及其在ma t l a b s i m u l in k 中建模 与仿 真。 1 h 型主电路在ma t l a b s i m u l i n k 的建模与仿真 1 1 h 型主电路原理介绍 直流p wm m调速系统 的主电路组成如图l 所 示，主电路由4 个电力场效应晶体管v t 1 - v t 4 四个 续流二极管v dl v d4 成h型连接组成 。当vt 1 和 vr 4 导通时，有正向电流通过电动机m，电动机正转； 当vt 2 t l vt 3 导通时 ，有反 向电流通过电动机m，电 动机反转。vt 1 vt 4 驱动信号的调制原理如图2 所 示，在三角波与控制信号 ，相交时，分别产生驱动 信 号 1 、 4 和 u b 2 、 3 。 图1直流p wm m调速系统主电路 图2 直流p wm调制波形图 1 2 h 型主电路的仿真模型 图1 直流p wm m系统主电路在ma t l a b s i m u l i n k 中的仿真模 型如 图3 所示 。图3 中h型变流器调用 1 o 1 一 j ： _ j v t 3 vd1 v n3 - 一 一 ， 、 二 = ： 厂 一一 -j i i 一 j v t 4 、 r r l vo2 vd4 图i直流p wm m调速系统主 电路 i i r l i l i r l i l r 1 图2直流p wm调制波形 图 多功能桥，其参数设为2 相桥臂，a b c 在交流输 出端，开关器件为电力mos f e t 。当多功能桥模块 参数设a b c 在交流输出端时，原本是用于逆变，现在 用于直流p w m 变流时，其驱动信号发生电路需另外设 计。设计的驱动信号发生电路如图4 所示，图中输入 端i n l 接脉宽调制f p wm) 信号，输 出端o u t l 输出4 路 mo s f e t 的驱动信号。脉宽调制由两个p wm发生器 模块进行，其中上方的p wm发生器产生v t 1 f h vt 2 电子技术研发 e le c t r o n ic s r d 电子技 术 的驱动信号，下方的p wm发生器产生v t 3 d v t 4 的 驱动信号，为了使p wm发生器输出的驱动信号顺序 与多功能桥的驱动顺序一致，模型中加入一个选择 器模块 ，调整 了脉冲序列 。因为mo s f e t 有导通和 关断时间，为了避免上下桥臂的两个管子同时导通 和关断，造成桥臂的直通现象，需要有 “ 死时”限 制，这里采取的办法是将下方的p wm发生器输入的 控制信号为设为u c t + 0 0 0 1 ，即将 略为抬高，使下 方的p wm发生器信号变窄一些，这样上下两个管子 就不会 同时导通和关断。该p wm驱动信号发生电路 经过打包后即成图3 中的p wm分支电路模块。 在主电路模块中控制信号通过互动开关与p wm分 支电路模块连接，因此双击互动开关模块就可以选择 控制信号 ，和一 ， ，控制电动机正转与反转。 。 ， 。 圈3 且 梳 p w m- m 调 速 糸 坑 的 仿 真 模 型 图4双极式p wm驱动信号发生 电路的仿真模型 1 3仿真模型使用模块参数设置 图3 中伺服 电动机 参数设 置为 ： = 1 1 0 v， 2 9 a，n y = 2 4 0 0 r mi n ，电枢电阻 。 的值为3 4 q， 电枢电感厶的值为6 0 4 mh，转动惯量0 0 1 4 k g 1t i ， 励磁电压l 1 0 v，励磁电流0 5 a。仿真该系统在额定 负载时的工作情况。另外可根据伺服电动机参数计 算得电动机励磁电阻r 7 = 2 2 0 q，l r= 0 7 9 7 h，l f= 0 ， 将电动机参数输入 电动机模型对话框，并通过计算 公式 ( 1 ) 和 ( 2 ) 可以得到转矩常数 和额定负载转矩 t z ： ， uv - r a n 1 1 0 - 3 4 x 2 9 ， ， 珊 厂( 1 ) =q( ) 4 】 7 v n i n = 9 5 5 c e l a=( 9 5 5 0 0 4 1 7 x 2 9 ) n m 1 1 5 n ( 2) 另外，在直流p wm模型中控制信号 的取值方 位为0 1 ， 。 也就是双极性p wm的调制度 ，当取 u a = o 8 时，p wm变流器的直流电源 电压。 1 4仿真结果及其分析 0 毫 0 2 0 0 a )t s t l s 图5直流p wm m系统响应 曲线 在ma t l a b s imu l i n k 中搭建好模型后并进行仿真 可得到如图5 所示的直流电机p wm m调速系统的仿 真波形。从波形中可 以看出变流器输出电压呈 良好 的矩形波，如果不设一定的 “ 死时”，由于上下桥 臂管子的换流重叠现象，使输 出电压呈梯形 。图5 中的u d l 为输出 电压 的平均值 ，输 出电压略 高于 l 1 0 v。图5 中 为伺服电动机的转速响应，转速上升 平稳，这是p wm调制的特点，图5 中 为 电动机起 动过程中的电流曲线 ，起动 电流最大值为3 0 a，约 为稳定电流的1 0 倍。 2双极性控制直流p wm m可逆调速系统在ma t l a b s i m u l i n k 的建模与仿真 2 1 双极性控制直流p wm m可逆调速系统的 工作原理 为了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：转速调节器a s r 和电流 调节器a c r，二者之间实行串级联接，如图6 所示。 即把转速调节器as r的输 出当作电流调节器a c r的 输入，再用电流调节器a c r的输出去控$ p wm调制 器。从闭环结构上看，电流调节环在里面 ，叫做内 环；转速调节器在外面，叫做外环。这样就形成了 转速、电流双闭环调速系统。为 了获得 良好的静、 动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用p i 调节器 。 图6直流p wm m可逆调速系统仿真模型 2 2仿真模型使用模块参数设置 双极式控制直流p wm m可逆调速系统的仿真 妻 誊w ， j一 蔷 电 子 技 术 研 发 e le c t ro n ic s r d 电子技术 6 置 流p w m- m 司逆 速 系 统 仿 真模 型 模型如图6 所示，模型在直流p wm m系统主 电 路模型基础上增加了转速调节器as r h 电流调节器 ac r ，分别如 图7 和 图8 所示 。as r和ac r都采 用 带输出限幅的p i 调节器。调节器参数取值见表l ，模 型的其他设置与h型主电路仿真相同，仿真算法采 用o d e 2 3 t b 。 t i 图8 电流调节器p i ac r参数 表l直流p wm m可逆调速系统参数 转速调节 电流调节 参 数 as r ac r 放大倍数 2 3 5 3 5 6 积分时间常数局 j = = 0 5 2 0 0 0 3 调节器输 出限幅 l 0 转速反馈系数 a a = o 0 0 4 1 7 电流反馈数 0 8 3 2 3仿真结果及其分析 双极式控制直流p wm可逆系统的仿真结果如图 9 及 图1 0 所示。图9 为系统从正转起动至反转运行过 程中转速对给定 的仿真波形。在仿真中取电流的 过载倍数 = 3 ，因此电动机的正转起动和制动时， 反转起动过程 中始终保持者最大电流l 2 a左右。在 正反转速达到额定值2 4 0 0 r mi n 后 ，电流下降 ij 4 a 左右。图l 0 为电流调节器ac r 的输出信号 的仿真 波形， ， 的波动反映了电流调节器的调节作用， ， 的变化使变流器的脉宽随之调整，输出电压值也随着 变化，使电流保持不变。 2 0 0 20 0 0 l ： j - 广一 ： f 1 0 毫 o 1 0 1 0 差 o 。 佃 1 0 毛 0 1口 a t l s ：。 ：l 图1 o直流p wm可逆系 统的电流调整器 的仿真波形 3结束语 本文在分析h 型主电路原理的基础上， 研究了增加 经典的速度、电流双 闭环p i 控制方法 ，并在ma t l a b s i m u l i n k 进行 了建模与仿真 。仿真结果表 明：波形 符合理论分析，系统运行平稳 ，具有较好的静态和 动态特 性。 参考文献 ： 1 王兆安， 黄俊 电力电子技术 m 5 版， 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 0 2 洪乃刚 电力电子和电力拖动控制系统ma t l a b 的仿真 m 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 6 3 李红伟， 谌海云， 王洪诚 基于v i s s i m的h 桥可逆 直流调速系统的建模和仿真 j 电气应用， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 1 8 )