PWM脉宽调制直流调速系统设计及MATLAB仿真验证.doc

武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书PWM脉宽调制直流调速系统设计及MATLAB仿真验证1.设计任务1.1双闭环调速系统结构图 转速、电流双闭环直流调速系统的结构图如图1-1所示 图1-1系统结构图 图1-1转速、电流双闭环直流调速系统的结构图图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，在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，电流环子啊里面，称作内环；速度环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。1.2双闭环调速系统稳态结构图双闭环调速系统稳态结构图如图1-2所示 图1-2系统稳态结构图分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的 调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压U在稳态时总为零。 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1.3双闭环调速系统动态结构图 系统动态结构图如图1-3所示 图1-3系统动态结构图 图中分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数，为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电流显露出来。电机的启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种状态，整个动态过程就分成图1-4中的I、II、III三个阶段。 图1-4系统启动过程转速电流波形综上所述，双闭环直流调速系统的启动过程有以下三个特点：饱和非线性控制；转速超调；准时间控制。2系统参数选取2.1 H桥PWM变换器由于题目中给定为转速、电流双死循环控制的H型双极性PWM直流调速系统，如图2-1a所示为H型双极性PWM调速系统。图中四个开关管VT1、VT2、 VT3、 VT4。VT1与VT4由同一个脉冲控制同时开通或者关断；VT2和VT3同时开通和关断，得到图2-1b的电压波形。使得直流电机两端所受电压在+Ud和-Ud之间转换，通过调节开关管的导通和关断时间，即占空比，可以达到对直流电机进行调速的目的。VT1VT2VT3VT4Matoff+Ud-Udb 图2-1 H桥式PWM直流调速系统（a）原理图 （b）双极性PWM电压波形2.2整流电路失控时间及滤波时间的确定 2.2.1整流电路平均失控时间常数 失控时间是随机的，它的大小随电源电压发生变化的时刻而变化，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源和整流电路形式有关，由下式确定 （2-1）式中f交流电源频率；m一周内整流电压脉冲数。相对整个系统的响应时间来说，一般情况下可取统计平均值，认为是常数，表2-1列出了不同整流电路的失控时间。 表2-1 各种整流电路的失控时间（f=50Hz）整流电路形式最大失控时间/ms平均失控时间/ms单相半波2010单相桥式（H桥）105三相半波6.673.33三相桥式3.331.67根据表2-1可知H桥式PWM整流的平均失控时间为： （2-2） =0.001s2.2.2电流滤波时间常数和转速滤波常数H桥式电路每个波头的时间为 （2-3）= 为了基本滤平波头，应该选择 （2-4） 根据所有发电机纹波情况，取 2.3反馈系数的确定转速反馈系数 （2-5） 电流反馈系数 （2-6） 3电流调节器ACR的设计 3.1电流环小时间常数计算按小时间常数近似处理，取 (3-1) 3.2电流调节器结构选择根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可以按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可以用PI调节器，其传递函数可见式（3-1）。 （3-1）检查对电源电压的抗扰性能：，各项指标可以接受。 3.3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。电源开环增益：要求时，按表3-1，应取，因此 于是，ACR的比例系数为 3.4校验近似条件 电流环截止频率： 晶闸管整流装置传递函数近似条件 满足近似条件。忽略反电势变化对电流环动态影响条件 满足近似条件。 电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。3.5计算调节器电容和电阻如图3-1，按所用运算放大器取，各个电阻和电容值为 图3-1 PI型电流调节器由以上计算可得电流调节器传递函数为4速度调节器ASR设计 4.1时间常数的设定在电流调节器的设计中为了达到电流超调的要求（），,所以电流环等效时间常数为： (4-1) 转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 (4-2) 4.2调节器选择及参数计算为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环调节器应共有两个积分环节，所以应该设计成典型II型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见,ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 （4-3）电动机的电动势系数为 (4-4) 按跟随性和抗扰性好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 (4-5) 转速开环增益为 (4-6) 于是可得ASR的比例系数为 (4-7) 4.3 校验近似条件转速环的截止频率为 (4-8) 电流环传递函数简化条件为 满足简化条件。 转速环小时间常数近似处理条件为 满足简化条件。 验证空载启动转速超调量 满足要求 4.4调节器电阻及电容计算如图4-1，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为 图4-1 PI型转速调节器由以上计算可得转速调节器传递函数为 5 采用Matlab对系统进行仿真直流调速系统仿真框图如图5-1图5-1 稳态结构仿真图 图中step为一个电压阶跃信号，当t=0时跳变为幅值为10的信号，图中step2在t=2s时输出阶跃信号，使得switch开关动作，实现速度环突然断线。图中Gain1为一个传递函数，实现负载电流与速度成正比。图中subsystem通过设定参数等效ASR于ACR调节器。两者结构完全一致，只是在参数设定上有所区别，其内部结构如图5-2所示。 5-2 ASR与ACR内部结构图 5.1调速系统稳定运行 当速度环没有断线时，系统处于稳定运行，此时系统为一个电流速度双闭环直流调速系统，此时启动转速和启动电流的波形如图5-3所示。图5-3 启动转速及电流波形启动电流和转速都经历了电流上升、恒流升速以及转速调节三个阶段。转速经过超调之后逐渐稳定在额定转速n=200附近；电流经过经过超调后逐渐稳定在等效负载扰动电流附近。这就是典型的转速、电流双闭环稳定运行下启动过程电流及电压的变化过程。此时，ASR和ACR的输出波形如图5-4所示图5-4 稳态时ASR与ACR输出波形 在启动时ASR的输入为最大值，输出也为最大值，随着电机转速的提升，输出逐渐变小。到稳定时，反馈与给定相等，输出为零。5.2转速环突然断线 将图5-1中开关打向另外一侧，则系统转速环断线，系统变为电流单闭环直流调节系统。5.2.1 ACR输出有限幅断线 当时间t=2s时，阶跃信号使得快关打开，转速环断开，系统变为电流单闭环直流调速系统，具体电流及转速发生变化如图5-5所示 图5-5有限幅断线电流速度波形如图5-5为有ACR限幅断线后ASR及ACR的输出波形。图5-6有ACR限幅断线直流电压ASR与ACR输出波形此时ASR由于没有反馈所以饱和输出，电流输出增大，ASR的输出经过限幅之后作为ACR的给定，ACR的输入也随之增大，最后在电流闭环的作用下致使速度输出也变大。5.2.2 ACR输出无限幅断线 如图5-7为断线后无ACR限幅系统启动电流及电压波形。由于ACR没有限幅，并且转速环断线，没有转速反馈，这就致使转速出现超出额定转速达到380。图5-7断线后无ACR限幅系统电流及转速波形如图所示为断线后无ACR限幅系统ACR、ASR输出波形。此时ASR由于没有反馈所以饱和输出，电流输出增大，ASR的输出经过限幅之后作为ACR的给定，ACR的输入也随之增大，并且ACR没有限幅环节，其输出电压也会增大，最后在电流闭环的作用下致使速度输出也变大。所以转速的输出会超出额定转速，如图5-8所示图5-8 断线后无ACR限幅系统ASR、ACR输出波形6 总结与体会通过这次课程设计，我学到了很多以前没有涉及到得知识，也发现了很多平时学习中的不足。在平时的学习中常常都是考试要考什么，我就学什么，对于一些公式根本就没有去理解和推到，所以就造成了考完试以后就把这些知识给忘掉，没有能够转化成自己的知识。作为一名学习电气工程及自动化的学生，我们的梦想是成为一名电气工程师，所以我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。在成为一名合格的电气工程师之前我们必须经历硬件的制作、软件的调试、系统的设计这三个步骤。这这次课程设计也培养了我们的团队合作精神，让几个人一起作一个课题可以让我们更好的发挥自己的特长。课程设计中我既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了Matlab的在自动化应用中的基本使用方法。同时，这次课程设计也培养了我认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。参考文献1陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，20022邹伯敏.自动控制理论.机械工业出版社 20033徐月华,汪仁煌.Matlab在直流调速设计中的应用.广东工业大学,20014 马葆庆,孙庆光.直流电动机的动态数学模型.电工技术,19975 周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真.中国电力出版社,