PWM直流调速系统.doc

运动控制系统方针课程设计 pwm直流调速系统的建模与仿真1设计意义速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充双闭环调分利用电机的允许过载能负力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。2主电路设计2.1设计任务晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统,直流电动机:220V,136A,1460r/min,电枢电阻Ra=0.2,允许过载倍数= 1.5;电枢回路总电阻:R= 0.5,电枢回路总电感:L= 15mH,电动机轴上的总飞轮力矩:GD2= 22.5Nm2,晶闸管装置:放大系数Ks=40,电流反馈系数:=0.05V/A,转速反馈系数:=0.007Vmin/r,滤波时间常数:Toi=0.002s ,Ton=0.01s设计要求:(1)稳态指标:转速无静差;(2)动态指标:电流超调量i5%,空载起动到额定转速的转速超调量n10%2.2电路设计及分析根据设计任务可知，要求系统在稳定的前提下实现无静差调速，并要求较好的动态性能，可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统，以完全达到系统需要。转速、电流双闭环直流调速系统框图如图1所示。图1 转速、电流双闭环调速系统系统框图两个调节器的输出均带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子电换器的最大输出电压。双闭环直流调速系统原理框图如下图2所示图2双闭环直流调速系统原理框图2.2.1电流调节器直流电机是调压调速,一般用调电枢电压的方法来调速,用串电阻的方法或者可调电源都可以。电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。2.2.2转速调节器转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。它对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电机允许的最大电流。由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波。 图3动态结构图2.3 H桥PWM变换器 脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而改变平均输出电压的大小，以调节电机的转速。由于题目中给定为转速、电流双闭环控制的H型双极式PWM直流调速系统，电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。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。H型双极性PWM变换器如图4所示。 图4 桥式可逆PWM变换器电路双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图5所示。 图5 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形它们的关系是：。在一个开关周期内，当时，晶体管VT1、VT4饱和导通而VT2、VT3截止，这时。当时，VT1、VT4截止，但VT2、VT3不能立即导通，电枢电流经VD2、VD3续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图6所示。电动机的正反转体现在驱动电压正负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，则的平均值为正，电动机正转；当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出电压为零，则电动机停止转动。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为 如果定义占空比，电压系数，则在双极式可逆变换器中 调速时，的可调范围为01，相应的。当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，=0，电动机停止。但是电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。3 系统参数的选取3.1 PWM变换器滞后时间常数TsPWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。当控制电压改变时，PWM变换器输出平均电压按现行规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一周开关周期T。PWM装置的延迟时间，一般选取=0.001s 其中，-开关器件IGBT的频率。3.2 电流滤波时间常数和转速滤波时间常数 PWM变换器电流滤波时间常数的选择与晶闸管控制电路有所区别，这里选择电流滤波时间常数 =0.132 VminrTm=0.18s=0.03s4 电流调节器ACR的设计 4.1 电流环小时间常数计算 按小时间按常数近似处理，取 Ti=+=0.002+0.001=0.003 4.2 电流调节器结构选择 根据设计要求，并保证稳态时在电网电压的扰动下系统无静差，可以按典型型系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性的，因此可以采用PI调节器，其传递函数可见式 检查对电源电压的抗扰性能：，分析可知，各项指标都是可以接受的。4.3 电流调节器参数计算 电流调节器超前时间常数：。 电流环开环增益：要求，根据典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系可知，应取，因此 于是，ACR的比例系数为 4.4 校验近似条件 电流环截止频率：166.7 （1）PWM变换装置传递函数的近似条件 满足近似条件。 （2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件（3）电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。4.5 调节器电容和电阻值计算按所用运算放大器取，各个电阻和电容值的计算如下： 取50 取0.6 取0.2PI型电流调节器原理图如图6所示。 图6 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器由以上计算可得电流调节器传递函数为 校正成典型I型系统的电流环动态结构图如图7所示。 图7 电流环的动态结构图5 速度调节器ASR设计5.1 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： 转速环小时间常数。按小时间常数处理处理，取 5.2 转速调节器结构选择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该有两个积分环节，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 5.3 转速调节器参数计算 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： 转速环的开环增益为： 于是可得ASR的比例系数为： 5.4 校验近似条件 转速环的截止频率为： （1）电流环传递函数简化条件 满足简化条件。 （2）转速环小时间常数近似处理条件 满足简化条件。 （3）校核转速超调量 当h=5时，由典型II型系统的阶跃输入跟随性能指标的关系可知，不能满足设计的要求。实际上，突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。 系统空载启动到额定转速时的转速超调量： 满足要求。5.5 调节器电容和电阻值计算按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下： 取510 取0.2 取16系统仿真与分析在Matlab中进入Simulink环境，创建Model文件如下图8所示： 1电流内环仿真系统 图8在Simulink仿真下的实验结果是如图9所示 图92.Pwm控制下的直流调速系统仿真结果设计心得体会 对PWM脉宽直流调速系统的设计，再一次熟悉了课本所学知识，对双闭环系统的设计步骤和设计过程有了更深入的了解。 通过本次课程设计，加深了对所学电力拖动自动控制系统课程知识的理解，特别是双闭环直流调速系统的设计，包括电流环、转速环的设计。设计时借助MATLAB软件进行直流调速系统分析，进一步熟悉了MATLAB中SIMULINK的仿真。书写课程设计说明书时使用WORD软件，使我掌握了许多WORD编辑和排版技巧。 在此次课程设计中，我觉得查阅各类书籍是很重要的，通过查阅图书馆的书籍可以开拓我们的视野，使我们的思维不仅仅局限在一个很小的圈子里，对同一个问题有多种分析思路、解决方法。另外，我认为光靠自己一个人的力量是远远不够的，当自己遇到问题实在解决不了时，可以和同学共同探讨，寻找解决办法。正所谓“三人行，则必有我师”。 总之，这次课程设计不仅增加了我的知识积累，为将来的毕业设计打下了基础，还让我懂得自主学习的重要性，还有做什么事情都要有恒心，有信心，动脑子去想，就一定有所收获。在此还要感谢老师对我不