H型pwm调速系统

学学 号：号： 012111136020 1 课课 程程 设设 计计 题题 目目 直流双环系统（二）的设计及仿真分析（六） 学学 院院 自动化学院 专专 业业 自动化卓越工程师 班班 级级 自动化 zy1101 姓姓 名名 周青 指导教师指导教师 刘芙蓉 2014 年7月2日 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 周青周青 专业班级：专业班级： 自动化自动化 zy1101zy1101 指导教师：指导教师： 刘芙蓉刘芙蓉 工作单位：工作单位： 自动化学院自动化学院 题题 目目: : 直流双环系统（二）的设计及仿真分析（六）直流双环系统（二）的设计及仿真分析（六） 初始条件：初始条件： 有一转速、电流双闭环控制的 H 形双极式 PWM 直流调速系统，电动机参数为： ，电枢电阻，电枢回路总电阻，允 200,48 ,3.7 ,200 /min NNNN PW UV IA nr 6.5 a R 8R 许电流过载倍数，电势系数，电磁时间常数，机电时间20.12min/ e CVr0.015 l Ts 常数，电流反馈滤波时间常数，转速反馈滤波时间常数，0.2 m Ts0.001 oi Ts0.005 on Ts 调节器输入输出电压，调节器输入电阻，电力晶体管的开 * 10 nmimcm UUUV 0 40Rk 关频率，PWM 环节的放大倍数。1fkHz4.8 s K 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体 要求） 试对该系统进行动态参数设计。设计指标：稳态无静差，电流超调量；空载起动5% i 到额定转速时的转速超调量，过渡过程时间。画出系统结构框图并计算：20% n 0.1 s ts (1) 电流反馈系数 和转速反馈系数 ； (2) 设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取） ； 0 40Rk (3) 设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取） ； 0 40Rk (4) 让电机空载启动到额定转速，稳定运行后转速反馈断开，观察并录下电机的转速、电流 等的波形，并进行分析。 时间安排：时间安排：2014.6.21 布置课程设计题目 2014.6.22 - 6.27 完成课程设计 2014.628 - 7.1 撰写课程设计报告 2014.7.2 答辩并上交报告 指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 摘 要 本文首先叙述转速直流双闭环的结构组成，以及其优势，工作过程，以 及静态特性。然后讲到工程设计方法，用工程设计方法设计转速调节器以及电 流调节剂的过程。显示出在工程设计中，其方便性与可用性，接着用工程设计 的方法设计各调节器的参数并进行验证。最后用 matlab 仿真每个环节，按照设 计任务的要求让电机空载启动到额定转速，稳定运行后转速反馈断开，观察并 录下电机的转速、电流等的波形，并进行分析。 关键词：关键词：直流双闭环 调速系统 电流调节器 转速调节器 MATLAB 目 录 摘摘 要要.4 1 1、直流双闭环系统的组成及其静、动特性分析、直流双闭环系统的组成及其静、动特性分析.6 1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成.6 1.2 稳态结构框图和静特性.7 1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算.8 1.4 转速、电流双闭环控制系统的动态分析.8 2 转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计.10 2.1 调节器的工程设计方法.10 2.2 设计的基本思路.10 2.3 电流调节器的设计.11 2.4 转速调节器的设计.12 2.5 转速调节器退饱和时转速超调量的计算 .14 3 任务要求及计算任务要求及计算.15 3.1 和的计算.15 3.2 电流环参数的设计：.15 3.3 转速环参数设计：.16 4 系统仿真与分析系统仿真与分析.18 4.1 系统仿真原理图.18 4.2 转速、波形图与分析.19 结束语结束语.20 参考文献：参考文献：.21 + TG n ASR ACR U*n + - Un Ui U*i + -Uc TA M + - Ud Id UPE - M T G 内 环 外 环 n i 1、直流双闭环系统的组成及其静、动特性分析 1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成 转速单闭环系统中用 PI 调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转 速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象，但转速 单闭环不能理想的控制的电流的动态过程。 实际上由于主电路的电感作用，电流不可能突变，为了实现最快启动，关键是要 获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。切希望再恒流过程中，没有转速负反馈， 达到稳态转速后又希望有转速负反馈，所以我们采用转速环和电流环双环系统，如图 1-1 所示。从结构上看，电流环在里面，转速环在外边，为外环。这就形成了转速、电 流双闭环系统。为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调 节器。 图 1-1 转速、电流双闭环直流调速系统 ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 Ks 1/Ce U*nUc Id E nUd0 Un + - ASR + U*i -IdR R ACR - Ui UPE 1.2 稳态结构框图和静特性 稳态结构图，如图 1-2。当调节器饱和时，输出为恒值，相当于使该调节环开环。 当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。在正常运行时，电U 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。 图 1-2 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 1、转速调节器不饱和 这时两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入输出偏差都是 0。因此， 0 * n U n n 所以在时，转速恒定，静特性从理想空载状态的的一直延续到， dmd II0 d I dmd II 而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。 dm I dN I 2、转速调节器饱和 ASR 输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，成电流无静差的单电流 * im U 闭环调节系统。稳态时， 为最大电流。静特性为垂直的特性，这样 dm im d I U I * dm I 的下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR 将退出饱和状 0 nn 0 nn * nn UU 态。 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，转速负反馈起主要 dm I 调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调 dm I * im U 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。 1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 当两个调节器都不饱和时，、 0 * nnUU nn dLdii IIUU * 。 s dLne s de s d c K RIUC K RInC K U U / * 0 转速 n 由给定电压决定的，ASR 的输出量是由负载电流决定的，而控制电压 * n U * i U dL I 的大小则同时取决于n和，或者说，同时取决于和。 c U d I * n U dL I P 调节器的输出量总是正比于其输入量，而 PI 调节器则不然，PI 调节器未饱和时， 其输出量的稳态值是输入的积分，最终使 PI 调节器输入为零，才停止积分。 转速反馈系数，电流反馈系数。 max * n Unm dm im I U * 1.4 转速、电流双闭环控制系统的动态分析 启动过程主要分为三个阶段： 第一阶段：0T1，是电流上升阶段：突加给定电压后。经过两个调节器的跟随作用， Uc、Ud0、Id都上升，但在 Id没有达到负载电流以前电动机还不能转动。Id负载电流以 后电机才开始启动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器的输 入偏差电压比较大。输出电压保持限幅值，强迫电枢电流 Id迅速上升。直到 Id约等于 Idm，Ui约等于 U*im电流调节器很快就压制了 Id的增长，标志着这一阶段的结束。在这 一阶段 ASR 很快进入饱和状态，而 ACR 一般不饱和。 第二阶段：（T1T2）是恒流阶段，这个阶段 ASR 始终是饱和状态，系统成为在恒值 电流给定 U*im下 的电流调节系统，基本上保持 Id恒定，因而系统加速度恒定，转速呈 线性增长。是启动过程的主要阶段。ACR 一般选用 PI 调节器，能消除阶跃误差。但是 由于反电动势带来的斜坡输入无法完全消除，所以 Id一直略小于 Idm。启动过程中 ACR 不饱和。 、 第三阶段：（T2以后） ，转速调节阶段，当转速上升到给定值时，由于 ASR 的积分作 用，其输出还维持在限幅值，所以电机仍在加速，使 ASR 的输入偏差电压为负，ASR 开和始退出饱和状态 U*i和 Id很快下降，但只要大于负载电流，转速就会上升，知道 Id等于负载电流，电磁转矩等于负载转矩，转速达到峰值，之后电动机在负载的阻力 下减速。直到稳态。最后的调节阶段，ASR 和 ACR 都不饱和。ASR 起主导的转速调 节作用。 2 转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计 2.1 调节器的工程设计方法 必要性: 设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、 动态性能要求。 可能性: 电力拖动自动控制系统可由低阶系统近似，事先研究低阶典型系统的特 性，将实际系统校正成典型系统，设计过程就简便多了。建立调节器工程设计方法所 遵循的原则是： （1）概念清楚、易懂； （2）计算公式简明、好记； （3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； （4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式； （5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。 2.2 设计的基本思路 调节器的设计过程分作两步： 第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。 第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。 在选择调节器结构时，采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系都 已事先找到，就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。 用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，先内环后外环。首 先设计电流调节器，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。双闭环调速系统的动态结构图图 2-1， -IdL(s) Ud0(s ) Un + - - + - Ui ACR 1/R Tl s+1 R Tms U*I(s)Uc(s ) Ks Tss+1 Id 1 Ce + E Tois+1 1 T0is+1 ASR 1 T0ns+1 Tons+1 U*n(s) n(s) 电流环 E(s) 图 2-1 双闭环调速系统的动态结构框图 2.3电流调节器的设计 （1） 电流环的简化 由图 2-1 中我们可以看出，反电动势和电流反馈的作用相互交叉，这将给设计带 来麻烦，实际上反电动势与转速成正比，他代表转速对电流环的影响吗，但一般情况 下系统的电磁时间常数远小于机电常数，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的 扰动，所以在电流瞬变的过程中，可以认为反电动势基本不变，所以可以把反电动势 的作用去掉，暂不考虑。把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把 给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统。和一般都比小得多， )( * sui s T oi T l T 可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为。 oisi TTT （2）电流调节器结构的选择 电流环应以跟随性能为主，应选用典型 I 型系统，应采用 PI 型的电流调节器，其 传递函数可以写成，电流调节器的比例系数；电流调节 s sK sW i ii ACR ) 1( )( i K i 器的超前时间常数。 （3）电流调节器的参数计算 调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择，其中。 li T R KK K i si I 希望电流超调量，可选=0.707，%5% i 5 . 0 iIT K i ciI T K 2 1 即。)( 22 i l sis l i T T K R TK RT K （4）电流调节器的实现 含给定滤波和反馈滤波的模拟式 PI 型电流调节器原理图示于图 2-2。图中为电 * i U 流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压 d I 。 c U 可以导出、 0 R R K i i iii CR oioi CRT 0 4 1 图 2-2 PI 型电流调节器 2.4 转速调节器的设计 1 电流环的等效闭环传递函数 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，它的闭环传递函数)(sWcli 1 1 1 ) 1( 1 ) 1( / )( )( )( 2 * s K s K T sTs K sTs K sU sI sW II i i I i I i d cli 忽略高次项，可降阶近似为,近似条件。)(sWcli 1 1 1 )( s K sW I cli i I cn T K 3 1 电流环在转速环中应等效为。 1 1 1 )( )( )( * s K sW sU sI I cli i d 原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时 间常数的一阶惯性环节。这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流 I K 1 的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。 2 转速调节器结构的选择 把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间/ )( * sUn 常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节， I K 1 on T n T 。 on I n T K T 1 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含 在转速调节器 ASR 中，在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传 递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统。 ASR 也应该采用 PI 调节器，转速调节器的比例系数； s sK sW n nn ASR ) 1( )( n K 转速调节器的超前时间常数。 n 调速系统的开环传递函数为 ) 1( ) 1( ) 1( ) 1( ) 1( ) 1( )( 22 sTs sK sTsTC sRK sTsTC R s sK sW n nN nmen nn nmen nn n 开环增益，。 N K men n N TC RK K 3 转速调节器的参数计算 按照典型型系统参数关系，、，因此， nn hT 22 2 1 n N Th h K n me n RTh TCh K 2 ) 1( 一般以选择。5h 4 转速调节器的实现 转速调节器参数与电阻、电容值的关系为、。 0 R R K n n nnn CR onon CRT 0 4 1 2.5 转速调节器退饱和时转速超调量的计算 突加给定电压后，转速调节器很快就进入饱和状态，当转速上升到给定值时，转速 * n 偏差电压变成负值，ASR 退出饱和,因此在起动过程中转速必然超调。不是按线性系统 规律的超调，而是经历了饱和非线性区域之后的超调，称作“退饱和超调” 。退饱和超 调量不等于典型 II 型系统跟随性能指标中的超调量。 ASR 饱和时，相当于转速环开环，电流是恒值，延续到时为止,退饱和初 dm I * nn 始条件:。 dmd IInn)0(,)0( * 考虑实际转速与给定转速的差值 * nnn 典型 II 型系统，在、稳定运行，突然将负载由减小到，转速 dmd II * nn dm I dL I 会产生一个动态速升与恢复的过程，这样的突卸负载速升过程也就是退饱和转速超调 过程。 在典型 II 型系统抗扰性能指标中，的基准值，退饱和转速超调CTFKCb 2 2 的基准值或。n me dLdmn b TC IIRT n )(2 m n Nb T T nzn )(2 转速超调量%，其基准值应该是，经基准值换算后得 n * n m nN b b b n T T n n z C C n n C C * max * max )%)(2%)(% 外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样 做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非 常有利。 3 任务要求及计算任务要求及计算 3.1 和的计算 由可知：， nom * im 10UIV35 . 1 2 10 nom I 由可知： nomnm nU * 05 . 0 10 nom n 3.2 电流环参数的设计： 1、确定时间常数: 因为，所以取： kHzf1sTs001 . 0 电流滤波时间常数：sToi001 . 0 电流环小时间常数：sTTT ois i 002 . 0 2、选择电流调节器结构: 根据设计要求：电流超调量，且%5 i 105 . 7 002 . 0 015 . 0 i l T T 电流环设计为典 I 系统，选择 PI 调节器，其传递函数为 s s KsW i i iACR 1 3、选择电流调节器参数: ACR 超前时间常数： ，sTl i 015 . 0 电流开环增益：要求电流超调量，所以应取，所以%5i5 . 0 i i KT 250 002 . 0 5 . 05 . 0 i I T K ACR 的比例系数为：63 . 4 8 . 435 . 1 8015 . 0 250 s i Ii K R KK 4、校验近似条件: 电流环截止频率: ci 1 s250 I K （1）晶闸管装置传递函数近似条件： s ci T3 1 ，满足近似条件。 ci s s T 1 3 . 333 001 . 0 3 1 3 1 （2）忽略反电动势对电流环影响的条件： lm ci TT 1 3 ，满足近似条件。 ci lm s TT 1 7 . 54 015 . 0 2 . 0 1 3 1 3 （3）小时间常数近似处理条件： ois ci TT 1 3 1 。满足近似条件。 ci ois s TT 1 3 . 333 001 . 0 001 . 0 1 3 11 3 1 5、调节器的电阻电容：因为，则KR40 0 ， 近似取 KKRKR ii 2 . 1854063 . 4 0 KRi185 ，取FF R C i i i 81.0010 10185 015 . 0 6 3 F8.00 。取FF R T C oi oi 1 . 010 1040 001 . 0 44 6 3 0 F1 . 0 3.3 转速环参数设计： 1、确定时间常数: 电流环等效时间常数sT i 004 . 0 2 转速滤波时间常数sTon005 . 0 转速环小时间常数sTTT on in 009 . 0 2 2、选择转速调节器结构: 由于设计要求无静差，且要求设计为典 II 系统，转速调节必须含有积分环节;故 ASR 选择 PI 调节器，传递函数为 s s KsW n n n 1 )( ASR 3、选择转速调节其参数: 按跟随和抗扰性能都较好的原则， 取 h=5，则 ASR 的超前时间常数为: shT n n 045 . 0 009 . 0 5 转速环开环增益: 2 222 5 .1481 09.00252 6 2 1 s Th h K n N 所以，ASR 的比例系数为: 4 . 5 09.0085.0010 .202.105.316 2 1 n eT n ThR Ch K m 4、校验近似条件： 转速环截止频率： 1 7 .66045 . 0 5 . 1481 sK nNcn （1）电流环传递函数简化条件： i cn T5 1 ，满足简化条件。 cn i s T 1 100 002 . 0 5 1 5 1 （2）小时间常数近似处理条件： on i cn TT 2 1 3 1 ，满足条件。 cn on i s TT 1 5 . 74 005 . 0 002 . 0 2 1 3 1 2 1 3 1 5、计算调节器的电阻和电容：KR40 0 ，可近似取K216404 . 5 0 RKR nn K220 ，取FF R C n n n 20 . 0 10 10220 045 . 0 6 3 F20 . 0 ，取FF R T C on on 5 . 010 1040 005. 044 6 3 0 F5 . 0 6、校验转速超调量： m n nom b n T T n n z C C )(2%)(% max 当 h=5 时，而% 2 . 81% max b C C min 7 . 246 12 . 0 87 . 3 r C RI n e dnom nom 所以，满足要求%20% 0 . 18 2 . 0 009 . 0 200 7 . 246 22% 2 . 81% n 4 系统仿真与分析系统仿真与分析 4.1 系统仿真原理图 根据原理图以及计算的 ASR 和 ACR 的参数，在 matlab 中输入 simulink 命令，进 入仿真器，加载各环节，进行仿真，仿真图如图 4-1.根据题目要求，空载启动到额定 转速， 图 4-1 双闭环直流调速系统仿真原理图 电流给定一直为 0，在达到稳态后断开转速环，所以 step1 在设置阶跃时间为 2s，初始 值为 1，最终值为 0，这样就实现了再 2s 之后断开转速环。 4.2 转速、波形图与分析 图 4-2 双闭环直流调速系统的电流仿真波形图 图 4-2 双闭环直流调速系统的转速仿真波形图 从上