PWM脉宽调制直流调速系统设计及MATLAB仿真验证

1、武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书目录1. 系统概述21.1 设计目的21.2 设计分析22. 转速、电流双闭环式的双极式PWM直流调速系统32.1 双极式PWM调速原理32.2 双极式PWM调速系统的优缺点32.3 转速、电流双闭环系统原理42.4 双闭环调速系统的作用63. 系统参数的确定73.1 整流电路失控时间及滤波时间的确定73.2 反馈系数的确定73.3 电流调节器参数的确定83.4 转速调节器参数的确定104. MATLAB仿真设计124.1 空载至额定转速仿真验证124.2 稳定运行时磁场突然减半仿真分析135. 小结176. 参考文献18PWM脉宽调制直流调速系

2、统设计及MATLAB仿真验证1. 系统概述1.1 设计目的1）掌握转速，电流双闭环控制的双极式PWM直流调速原理。2）掌握并熟练运用MATLAB对系统进行仿真。1.2 设计分析直流双闭环调速系统调节器包括转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）,从而分别引入了转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行串级连接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。电流环称为内环，转速环称为外环。其中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*Un变化，稳态时可减小转速误差，同时可以对负载变化起抗扰作用，其输出限幅电压决定了电流给

3、定的最大值；电流调节器作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压*iU（即外环调节器的输出量）变化，同时对电网电压的波动起及时抗扰作用，在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程，并在电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到自动保护与恢复的作用。根据设计要求，系统要求稳态无误差，故选用带限幅作用的PI调节器。 2. 转速、电流双闭环式的双极式PWM直流调速系统2.1 双极式PWM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2-1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而改变。图2

4、-1 桥式可逆PWM变换电路双极式控制可逆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经二极管续流，。因此，在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。2.2 双极式PWM调速系统的优缺点1） 双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限运行；（3）电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围大；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。2） 双极式控制方式的不足之处是： 在工

5、作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。2.3 转速、电流双闭环系统原理2.3.1 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2-2所示。图2-2 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，电流环在里面，称作电流内环；速度换在外边，称作转速外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。2.3.2 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2-3所示。图2-

6、3 双闭环调速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，不饱和输出未到达限幅值。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关系，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的两种情况。2.3.3 双闭环调速系统动态结构图系统动态结构图如图2-4所示。图2-4 系统动态结构图图中和分别表示转速调节器和电流调节器

7、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经历了饱和、退饱和、不饱和三种状态。2.4 双闭环调速系统的作用1. 转速调节器的作用转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采用PI调节器，则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2. 电流调节器的作用在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出；量的变化。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。当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

8、一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。3. 系统参数的确定3.1 整流电路失控时间及滤波时间的确定3.1.1 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。相对于整个系统的响应时间来说，一般情况下取统计平均值，认为是常数。对于双极式PWM直流调速系统，其IGBT的开关频率一般在1K赫兹以上，在此取 （1） 3.1.2 电流滤波时间常数和转速滤波时间常数双极式PWM电路每个波头的时间为 （2）为了基本滤平波头，应该选择 ， （3）根据所用测速发电机的纹波情况，取 Ton=0.005s （4）3.2 反馈系数的确定转速反馈系数 （5） 电流反馈系数 （6）3.3

9、电流调节器参数的确定3.3.1 电流环小时间常数的计算按小时间常数近似处理，取 （7）3.3.2 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，其传递函数如下： （8）检查对电源电压的抗扰性能： 各项指标可以接受3.3.3 计算电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数： （9）电源开环增益： 取=0.5 ，因此 （10）于是，ACR的比例系数为 Ki=KIiRKS=250×0.015×34.8×1.35=1.736 （11）3.3.4 校验近似条件 电流环截止频率： （12）

10、1. 校验晶闸管整流装置传递函数近似条件 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. 校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件3.3.5 计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图3-1所示，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下：Ri=KiR0=1.736×40K=69.44K 取69 （13）Ci=iRi=0.01569.44×103=2.16×10-7F=0.216F 取0.216uF （14） 取0.1uF （15）按照上述参数，电流环可达到的动态跟随性能指标为：=4.3%5% 满足设计要求图3-1 含给定滤波和

11、反馈滤波的PI型电流调节器3.4 转速调节器参数的确定3.4.1 确定时间常数电流环等效时间常数，按小时间常数近似处理，转速环小时间常数Tn=1KI+Ton=0.004+0.005=0.009s3.4.2 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。选择扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速开环调节器应共有两个积分环节，所以应该设计成典II型系统，这样的系统同时也能满足动态性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为： wASRs=Kn(ns+1)n （16）电动机的电动势系数为: Ce=UN-INRan

12、N=48-3.7×2200=0.203 （17）3.4.3 计算转速节器的参数按跟随和抗扰性能都比较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为： n=hTn=5×0.009=0.045s （18）转速开环增益为：KN=h+12h2Tn2=62×25×0.0092=1481.5s-2 （19）ASR的比例系数为: Kn=(h+1)CeTm2hRTn=6×1.35×0.203×0.22×5×0.05×3×0.009=24 （20）3.4.4 检验近似条件转速环截止频率: cn=KN1=K

13、Nn=1481.5×0.045=66.7s-1 （21）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13KITon=132500.005=74.5s-1>cn 满足近似条件3.4.5 计算调节器电阻和电容转速调节器的原理图如图3-2所示，取，则Rn=KnR0=24×40K960K 取960 （22）cn=nRn=0.045960000=4.6875×10-7F=0.468F 取0.5 （23） Con=4TonR0=4×0.00540000=0.5F 取0.5 （24）3.4.6 核定转速超调量 （25）当h=5时，=

14、81.2%， nN=IdRCe=3.7×30.203=54.68，代入上式得 n=6.21%<20% 满足设计要求图3-2 含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器4. MATLAB仿真设计4.1 空载至额定转速仿真验证根据上面计算的参数数据，使用Matlab的Simulink进行仿真验证，进行双闭环模型搭建。搭建好的双闭环模型如图4-1所示，转速环给定10V，负载设定为0A,即空载启动。仿真时间设为4s，用示波器观察电流及转速波形如图4-2所示：图4-1 双闭环调速系统仿真框图其中，限幅值的计算为： Ucm=UdmKs=Cen+IdRKs=0.203×200+3.7&

15、#215;3×24.8=13.08图4-2 空载启动至额定转速仿真结果4.2 稳定运行时磁场突然减半仿真分析 由模型中Ce=Ke，磁场突然减半，只需将模型中的1/Ce与2相乘即可，仿真使用乘法器完成这个过程，3s前阶跃信号为1，3s时突变为2。 仿真模型如图4-3示。仿真时间设为4s，同时增加示波器观察直流电压Ud,ASR,ACR输出电压的波形。图4-3 稳定运行时磁场突然减半仿真模型仿真结果如图4-4，4-5，4-6，4-7所示。从图中看出当励磁突然减半时，转速变为原来的2倍，通过转速反馈与给定相减使ASR减到0，电流给定也减到0，电机减速。减速到20

16、0r/min以下后，ASR达到饱和，电流给定为最大值1.5Inom，由于Id正比于nµ，则转速下降到一定值后保持不变。图4-4 稳定运行时磁场突然减半转速、电流波形 图4-5 稳定运行时磁场突然减半ASR输出电压波形图4-6 稳定运行时磁场突然减半ACR输出电压波形图4-7 稳定运行时磁场突然减半Ud输出电压波形实际情况中电机存在机械惯性，转速不可能突变，直流电机提供的最大转矩小于负载转矩，所以转速会直接减小。经验证，当励磁发生变化时，满足最大输出转矩大于负载转矩，直流电机在双闭环的调解下能稳定运行。5. 小结本次课程设计历时1.5周，在整个设计过程中，我不仅巩固了以前所学到的知识，

17、更学到了许多课外的知识。通过这次的课程设计，我也发现了很多平时学习中的不足，可谓是收获颇多。通过这次课设，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，同时我也深深感受到理论与实践相结合的重要性。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系。这大大激发我学习书本的兴趣。再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的工作，还应该考虑到实际情况。理论计算的的结果可能与实际稍有差别，要以实际情况为准。作为一名自动化的学生，我们的梦想是成为一名工程师，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。在成为一名合格的工程师之前我们必须经历硬件的制作、软件的调试、系统的