采用V—M反馈的PWM直流调速系统仿真设计

1、成绩 南京工程学院课程设计说明书 题 目: 采用V-M反馈的PWM 直流调速系统仿真设计 课 程 名 称: Matlab与控制系统仿真设计 院 系: 专 业: 班 级: 学 生 姓 名: 学 号: 设 计 时 间: 设 计 地 点: 指 导 教 师: 目 录一、课程设计目的2二 课程设计对象参数及要求22.1 控制对象2三、控制器设计过程和控制方案33.1根据直流电机的工作原理，电动机数学模型为33.2 系统指标4四、课设设计要求4五、控制器设计过程和控制方案55.1系统设计55.1.1 PI调节器设计65.1.2 PWM脉宽调节装置65.1.3 电流环的设计75.1.4 转速环的设计85.1

2、.5 滤波环节设计9六、控制系统仿真结构图9七、仿真结果及指标10八、收获和体会13一、课程设计目的针对具体的设计对象进行数学建模，然后运用经典控制理论知识 设计控制器，并应用Matlab进行仿真分析。通过本次课程设计，建立理论知识与实体对象之间的联系，加深和巩固所学的控制理论知识，增加工程实践能力。二 课程设计对象参数及要求2.1 控制对象电动机原理图如下图，图中，R和L分别为电枢回路电阻和电感，ua(t)为电枢电压，n(t)为电动机转动速度，ia(t)为电枢回路电流。通过调解电枢电压ua(t)，控制电动机的转动速度n(t)。电动机负载变化为电动机转动速度的扰动因素，用负载力矩TL(t)表示

3、。图2.1 直流电动机原理图直流电动机铭牌参数为：Id=13.6AUd=220V电枢回路总电阻：Rd=6.58欧额定转速n=1480r/min电动势常数0.131V/（r/min）转速反馈系数0.00337 V/（r/min）电流反馈系数0.4V/A电枢电路电磁时间常数T1=0.018s电力拖动系统时间常数Tm=0.25s采用单相220V供电，设计采用VM反馈的PWM直流调速系统。三、控制器设计过程和控制方案3.1根据直流电机的工作原理，电动机数学模型为(1)电枢回路电压平衡方程： (3-1) 式中，Ea为电动机的反电势，单位为；(2)转矩平衡方程： (3-2)式中，为电力拖动系统运行部分折算

4、到电动机轴上的飞轮力矩，单位为； (3)电磁转矩方程： (3-3)式中，为电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为；(4)由电磁感应关系，得： (3-4)式中，为电动势常数，单位为。对公式（3-1）、（3-2）、（3-3）和（3-4）进行拉式变换。当时，可得到传递函数如下： (3-5)当时，可得到传递函数如下： (3-6)式中， 电动势常数；电动机额定励磁下的转矩电流比；电枢回路电磁时间常数；电力拖动系统的机电时间常数。对公式（3-1）、（3-2）、（3-3）和（3-4）进行整理和拉式变换，可得电压与电流的传递函数为： (3-7)转速与转矩间的传递函数为： (3-8)根据(3-7)和(3-8)，即

5、可得到直流电动机的动态结构图，如下图3.1所示。图3.1 直流电动机动态结构图3.2 系统指标1、系统静特性良好，无静差（静差率s2）。2、动态性能指标：转速超调量n5%，电流超调量i3%，动态速降n8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts0.1s四、课设设计要求1双闭环直流电机速度控制系统框图设计2双闭环直流电机速度控制系统的动态数学模型3PWM脉宽调节装置动态数学模型分析4比例放大器和测速发电机模型分析5VM反馈的闭环调速系统的数学模型分析6采用PI调节的VM闭环调速系统的模型仿真五、控制器设计过程和控制方案 调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。目前对调速性

6、能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。从上世纪50年代末开始，晶闸管出现，且紧张感变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善，晶闸管-电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统。特别是大型电机项目，广泛的应用于世界各国。常用的直流调速系统包括单闭环直流调速系统和转速、电流双闭和调速系统，以及融合了各种现代、智能控制方法的新型调速系统，在单闭环调速系统中，用一个调节器综合各种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器的产数调速，单闭环调速系统，相对于运行下能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。为了避免点闭合调速系统的种种缺点，我们可以采用转速、电流串级调速系统，即转速

7、电流双闭环调速系统，采用两个调节器分别对转速和电流进行调节，基于电流和转速的双闭环调速系统在静态特性和动态特性上都能很理想，能很好的满足各种应用场所，是经典的控制系统。5.1系统设计双闭环V-M调速系统包括了以下几个部分：ACR调节器，ASR调节器、脉宽调节装置、主电路还有电源电路，我们着重进行了ACR和ASR的设计，同时也为其配置了合适的外围电路，双闭环调速系统的电路大体框图如下图所示：图5.1 转速、电流双环调速系统的方框图、 图示5.2 具体的双闭环系统的动态结构图 调速系统的主要被控对象是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环，以保证电动机的转速准确跟随给定电压，故把电流负反馈组成环作为

8、内环，把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。转速、电流两个闭环之间实现嵌套连接，且都带有输出滤波电路，转速调节ASR的输出电压，决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出电压决定了电力电子变换器的最大输出电压。因为PI调节器座位校正装置既可以保护系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性。5.1.1 PI调节器设计本系统中采用的是PI调节器，因为PI调节器可以消除稳态速差，组成无静差调速系统，符合设计要求。图5.3 PI调节器结构图PI调节器的传递函数为： (5-1)5.1.2

9、PWM脉宽调节装置PWM脉宽调节装置主要包括脉宽调制器和PWM变换器两部分，根据他们的工作原理，当控制电压Uc改变时，PWM变换器的输出电压要到下一个周期才能改变，因此，脉宽调制器和PWM变换器合起来可以看成一个滞后环节，若取PWM周期为延时时间，则PWM脉宽调节装置的传递函数为： (5-2)由于式（5-2）中包含指数函数，将使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将 按泰勒级数展开后，考虑到Ts很小，忽略其高次项，则PWM脉宽调节装置的传递函数可近似成一阶惯性环节。其传递函数为： (5-3)其动态结构图如图所示： （a）准确的动态结构图 （b）近似的动态结构图图5.4 P

10、WM脉宽调节装置动态结构图PWM控制器的放大倍数： (5-4) (5-5)根据题中参数可得到：由题意知：=0.001，则可得到PWM脉宽调节装置具体的动态结构图如下图5.5所示：图5.5 PWM动态结构图5.1.3 电流环的设计电流环经过简化后可视作转速环中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递函数。这样，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地一阶惯性环节。从稳态要求上看，希望电流无静差，为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择。由此可见，ACR应该采用PI调节器，其传递函数为： （5-6）1、确定时间常数PWM装置滞后时间常数Ts=0.0

11、01s电流滤波时间常数Toi=0.004s电流环小时间常数之和：2、选择电流调节器结构根据设计要求：%3%，且，可按典型型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的.3、选择电流调节器的参数ACR超前时间常数电流环开环时间增益：ACR的比例系数为：ACR的传递函数为：5.1.4 转速环的设计 转速环和电流环设计类似，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时把时间常数为1/Ki和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数地惯性环节，其中，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，现在在扰动作用点后面已经有

12、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，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： (5-7)式中-转速调节器的比例系数-转速调节器的超前时间常数1、确定时间常数转速环小时间常数：2、选择速度调节器的参数取h=5, ASR超前时间常数为：转速开环增益为：ASR的比例系数为：根据以上参数值可以求出速度环的传递函数：5.1.5 滤波环节设计 一般设计出来的simulink图会有一些不理想的尖角、过冲，这些不起眼的小问题可能会导致整个系统的崩溃，在设计中我们常常可以通过一些简单的滤波环节就可避免严重的问题。六、控制系统仿真结构图

13、在双闭环调速系统中，转速和电流两个控制环套在一起，对与这样多环控制系统，一般的设计方法：先设计内环，再设计外环。即先设计好内环的调节器，然后把整个内环当作外环的一个环节，再设计外环调节器。对于双闭环调速系统来说，先设计电流调节器，然后把整个电流环节看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。下图所示为内环电流环的动态结构图：设计好内环后，可以再内环的基础上，设计双闭环系统的动态结构图：七、仿真结果及指标当没有外界干扰时，系统处于稳定运行，此时系统是一个电流速度双闭环直流调速系统，此时转速和电流的波形如图所示： 图6.1 电流环阶跃响应图波形根据上图示系统的动态结构图，可以得到电流环的传递

14、函数：=双闭环阶跃响应图波形： 图6.2 速度环阶跃响应图图6.3 转速-电流环的bode图设计BODE图的代码如下示：num1=1/6.58;den1=0.018 1; num2=6.58;den2=0.25 1;na,da=series(num1,den1,num2,den2);nb,db=cloop(na,da,-1);num3=0.025 1.38;den3=0.002 0;num4=7.07;den4=0.001 1;nc,dc=series(num3,den3,num4,den4);nd,dd=series(nb,db,nc,dc);num5=0.4;den5=1;ne,de=fe

15、edback(nb,db,num5,den5);num6=1;den6=0.131;nf,df=series(ne,de,num6,den6);num7=-0.00337;den7=1;ng,dg=feedback(nf,df,num7,den7);printsys(ng,dg);step(ng dg);bode(ng dg);如以上图形所示：1、静差率: 符合设计要求2、转速超调量n5%3、电流超调量i3%4、动态速降n8-10%5、调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts0.1s以上系统性能指标均符合要求八、收获和体会本次设计是采用V-M反馈的PWM直流调速系统的设计，基于题目所给要求进行分析，对原理加以理解，然后根据所已知的条件设计调节器，最后运用matlab进行仿真。在本次课设中碰到了一些问题，开始的时候仿真出来的波形超调量始终不能满足要求，图形也不是很规则，调节时间也不能达到要求，最后通过借用图书馆的书籍以及通过网络上的搜索，查阅了许多关于本设计的书籍和资料，对该电路的设计有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。同时，通过与有共同设计内容的同学交流，分析、整理和研究课题，先确立了设计基本思路，遇到问题及时与伙伴沟通，在同学的指点和自己翻阅资料的努力下，最后完