PWM可逆直流调速系统matlab仿真实习

运动控制系统仿真运动控制系统仿真 课程设计课程设计 PWM 直流调速系统的动态建模与仿真 学院 电气与控制工程学院学院 电气与控制工程学院 班级 自动化班级 自动化 11041104 班班 姓名 钟传琦姓名 钟传琦 学号 学号 11060504301106050430 日期 日期 20142014 年年 6 6 月月 2727 日日 0 一 课程设计的目的及任务一 课程设计的目的及任务 运动控制系统 是自动化专业的一门主干专业课程 在该课程学习结束 后单独安排了 1 周的控制系统仿真课程设计 其目的是要求学生针对某个电机 控制系统功能模块或整个控制系统进行设计与实现 使学生能进一步加深对课 堂教学内容的理解 了解典型的电机控制系统基本控制原理和结构 掌握基本 的调试方法 提高综合应用知识的能力 分析解决问题的能力和工程实践能力 并初步培养实事求是的工作作风和撰写科研总结报告的能力 二 课程设计的基本要求二 课程设计的基本要求 运动控制系统 被控对象是交 直流电动机 能量转换是由电力电子器 件构成的变换器 微机构成控制器 因此控制系统仿真课程设计学生应掌握以 下基本内容 1 交 直流电动机 2 电力电子变换器 3 微机控制器 4 转速 电流等检测电路 5 输入输出转换电路 调理电路和功放电路等 三 课程设计的内容及基本要求三 课程设计的内容及基本要求 1 1 设计题目 设计题目 1 开环直流调速系统的动态建模与仿真 2 单闭环有静差转速负反馈调速系统的动态建模与仿真 3 单闭环无静差转速负反馈调速系统的动态建模与仿真 4 带电流截止转速负反馈的单闭环调速系统的动态建模与仿真 5 单闭环电压负反馈调速系统的动态建模与仿真 6 双闭环直流调速系统的动态建模与仿真 7 有环流可逆直流调速系统的动态建模与仿真 8 逻辑无环流可逆直流调速系统的动态建模与仿真 9 三相异步电动机数学模型的建立 10 PWM 直流调速系统的动态建模与仿真 本文所选题目为 10 PWM 直流调速系统的动态建模与仿真 1 2 2 设计内容 设计内容 1 设计系统各单元电路和主控电路 2 分析并测定系统各环节的输入输出特性及其参数 调试各单元电路 3 系统性能分析与程序设计 4 系统校正 修正系统静 动态性能 3 3 设计要求 设计要求 1 初步掌握控制系统的分析和设计的基本方法 包括设计任务 进行设 计题目的方案论证 通过调查研究 设计计算 确定方案 写出总结报告 2 培养一定的自学能力和独立分析问题 解决问题的能力 包括学会自 己分析解决问题的方法 对设计中遇到的问题 能通过独立思考 查阅工具书 参考文献 寻找答案 3 通过严格的科学训练和工程设计实践 逐步树立严肃认真 一丝不苟 实事求是的科学作风 并培养学生在实际工作中应具有的生产观点 经济观点 和全局观点 4 4 控制对象参数控制对象参数 直流调速系统的基本数据如下 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 5N m2 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 四 四 PWMPWM 直流调速系统简介直流调速系统简介 1 PWM1 PWM 调速原理调速原理 可逆 PWM 变换器主电路有多种形式 最常用的是桥式 亦称 H 形 电路 如图 1 所示 电动机 M 两端电压的极性随全控型电力电子器件的开关状态 AB U 而改变 双极式控制可逆 PWM 变换器的四个驱动电压的关系是 在一个开关周期内 当 0t 时 电枢 1423gggg UUUU on t ABS UU 电流 id 沿回路 1 流通 当t T 时 驱动电压反号 id 沿回路 2 经二极管续 on t 2 流 因此 在一个周期内具有正负相间的脉冲波形 这是双极 ABS UU AB U 式名 称的由来 图 1 双极式控制可逆 PWM 变换器 2 2 PWMPWM 发生器的发生器的 matlabmatlab 建模建模 直流脉宽调速系统仿真的关键是 PWM 发生器的建模 从双闭环调速系统的 动态结构框图可知 电流调节器 ACR 输出最大限幅时 H 桥的占空比为 1 对 于 PWM 发生器 采用两个 Discrete PWM Generator 模块 由于此模块中自带 三角波 其幅值为 1 且输入信号应在 1 与 1 之间 将输入信号同三角波信号 相比较 当比较结果大于 0 时 占空比大于 50 PWM 波表现为上宽下窄 电机正转 当比较结果小于 0 而大于 1 时 占空比小于 50 PWM 波表现为 上窄下宽 电机反转 Discrete PWM Generator 模块的参数设置为 调制波 为外设 载波频率根据电力电子开关频率确定 其次 由于电机运转时 H 桥 应与对角两管触发信号一致 为此采用 Selector 模块 路径为 Simulink Signal Routing Selector 其参数设置为 Input Type 为 Vector Elements 为 1 2 4 3 使得 PWM 发生器信号同 H 桥对角两管触发 信号相对应 PWM 发生器模型及封装后子系统如图 2 所示 图 2 PWM 发生器模型及封装后子系统 3 由于 ACR 输出的数值在 10 10 之间 为使 ACR 输出的数值同 PWM 发生 器输入信号相对应 在 ASR 输出端加了一个 Gain 模块 参数为 0 1 这样 当 ASR 输出限幅 10 时 PWM 输入端为 1 占空比为 1 当 ASR 输出限幅为 10 时 PWM 输入端为 1 占空比为 0 五 五 MatlabMatlab 仿真设计仿真设计 1 1 开环开环 PWMPWM 可逆直流调速系统仿真模型可逆直流调速系统仿真模型 1 1 开环 PWM 可逆直流调速系统仿真模型如图 3 所示 图 3 开环 PWM 可逆直流调速系统仿真模型 1 2 开环 PWM 可逆直流调速系统仿真结果 1 当给定值为 5 时 PWM 发生器波形 桥式电路输出电压波形 以及 直流电机转速 电枢电流 励磁电流和电磁转矩波形分别如下 4 图 4 PWM 发生器波形 图 5 桥式电路输出电压波形 图 6 直流电机转速 电枢电流 励磁电流和电磁转矩波形 2 当给定值为 0 时 PWM 发生器波形 桥式电路输出电压波形 以及直 流电机转速 电枢电流 励磁电流和电磁转矩波形分别如下 5 图 7 PWM 发生器波形 图 8 桥式电路输出电压波形 图 9 直流电机转速 电枢电流 励磁电流和电磁转矩波形 6 1 3 仿真结果分析 PWM 发生器产生脉冲宽度可调 频率一定的方波 其中波 1 4 相同 2 3 相同 切两种波形互补 从而驱动 H 桥式可逆 PWM 电路 在 PWM 波驱动下桥式 电路产生脉冲电压 从而给直流电机供电 当给定为 5 时 PWM 发生器输出占空比为 0 75 和 0 25 的两路信号分别作 用于桥式 H 电路 PWM 变换器输出占空比为 0 75 平均电压为 110V 电机转速 应为额定空载转速的一半 当给定为 0 时 PWM 发生器输出占空比都为 0 5 PWM 变换器输出占空比为 0 5 此时桥式 H 型电路输出平均电压为 0V 电机稳态转速为 0 当给定为负时 PWM 发生器输出占空比为 0 0 5 和 0 5 1 PWM 变换器输出 占空比 0 0 5 平均电压小于 0V 电机反转 图 6 9 为直流电机在空载时的启动响应曲线 需要说明的是由于想使 PWM 观察更明显 故将 PWM 频率设置较小 仅为 200Hz 所以转速 电枢电流 电 磁转矩的脉动比较大 但并不失仿真的一般性 而且原理更为清楚 2 2 单闭环单闭环 PWMPWM 可逆直流调速系统仿真模型可逆直流调速系统仿真模型 2 1 单闭环 PWM 可逆直流调速系统仿真模型如图 7 所示 图 10 单闭环 PWM 可逆直流调速系统仿真模型 2 2 单闭环环 PWM 可逆直流调速系统仿真结果 当给定值为 7 时 PWM 发生器波形 桥式电路输出电压波形 以及直流电 机转速 电枢电流 励磁电流和电磁转矩波形分别如下 7 图 11 PWM 发生器波形输出波形 图 12 桥式电路输出电压波形 8 图 13 直流电机转速 电枢电流 励磁电流和电磁转矩波形 2 3 仿真结果分析 上图为直流电机空载时电机的输出响应从 PWM 发生器输出波形可知 闭环 直流调速系统能根据给定于反馈的误差自动调节输出脉冲宽度 调节占空比 从而改变桥式可逆 PWM 变换器输出的平均电压 从而控制转速 由于比例调节 系统是基于当前误差的调节 与历史值无关 是有差调节 故稳态转速下降 其余特性和开环特性一样 六 实习心得六 实习心得 运动控制系统 是自动化专业的一门主干专业课程 经过一周的控制系 统仿真课程设计的学习和实践 我基本掌握了针对某个电机控制系统功能模块 或整个控制系统进行设计与实现 使我能进一步加深对课堂教学内容的理解 了解典型的电机控制系统基本控制原理和结构 掌握基本的调试方法 提高综 合应用知识的能力 分析解决问题的能力和工程实践能力 并初步培养了实事 求是的工作作风和撰写科研总结报告的能力 在仿真的过程中 我遇到了各种各样的问题 比如模块的寻找 参数如何 设置等 经过我不懈的努力 通过咨询老师 查询资料 询问同学等各种途径 逐步解决了仿真课程设计中遇到的问题 并按时完成了学习任务 经过此次实习后 我对 matlab 软件