PWM脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)題目及分析設(shè)計(jì)題目：轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的H型雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)：UN=48V,IN=3.7A,nN=200r/min允許過(guò)載倍數(shù)=2;電樞回路電磁時(shí)常TL=0.015s,機(jī)電時(shí)常Tm=0.2s；PWM環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)：KS=4.8,;電樞回路總電阻：R=1;電樞電阻Ra=0.5。電流反饋系統(tǒng)3=1.33V/A,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a=0.05V-min/r,電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比Ce=0.18V-min/r。轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器輸入輸出.*.*限幅電壓UnmUim=10V.采用MATLAB對(duì)雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，繪制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖，仿真得出啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，起動(dòng)電流，直流電壓Ud,ASR,ACR輸出電壓

2、的波形。并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。本文從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。然后按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用 SimulinkSimulink 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過(guò)仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實(shí)現(xiàn)。對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠

3、，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。采用 MATLABMATLAB 軟件中的控制工具箱對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并用 SIMULINKSIMULINK 進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真，同時(shí)查看仿真波形，以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)是否可行。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過(guò)程和原理：電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速（電壓）低于給定值， 速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個(gè)偏差信號(hào)， 經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值，速度調(diào)節(jié)器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器，此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào)，直流電壓迅速上

4、升，電流也隨即增大直到等于最大給定值，電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的最大電流（堵轉(zhuǎn)電流）可以通過(guò)整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來(lái)改變。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后，速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號(hào)減小到近于零，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)，閉環(huán)調(diào)節(jié)開(kāi)始起作用。對(duì)負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號(hào)將隨時(shí)通過(guò)速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來(lái)修正觸發(fā)器的移相電壓，使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化，從而校正和補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù)，還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來(lái)得及發(fā)生改變時(shí)，迅速使電流恢復(fù)到原來(lái)值，從而使速度更好地

5、穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。兩者之間實(shí)行嵌套連接，如圖 1 11 1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPEUPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖 1 11 1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)其中：ASR-ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR-ACR-電流調(diào)節(jié)器 TG-TG-測(cè)速發(fā)電機(jī) TA-TA-電流互一*感器 UPE-UPE-電力電子變換器

6、Un- -轉(zhuǎn)速給定電壓 Un-Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui- -電流給定電壓Ui-電流反饋電壓實(shí)際上在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器始終為不飽和狀態(tài)，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器則處于飽和和不飽和兩種狀態(tài)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 2 2所示。山ASRACRASRACR-啰圖2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中WASR( (s)s)和WACR(s)(s)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖上必須把電流 I Id標(biāo)示出來(lái)。電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和、飽和、退保和三種狀態(tài)，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程可分為圖4 4中的三個(gè)階段。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形如

7、圖 4 4所示。1_/圖4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形圖 4 4 中所示的啟動(dòng)過(guò)程，階段 I I 是電流上升階段，電流從 0 0 到達(dá)最大允許值 IdmIdm, ,ASASR R飽和、 ACACR R不飽和； 階段I II I時(shí)恒流升速階段， I Id d基本保持在IdmIdm, ,電動(dòng)機(jī)加速到了給定值n*,ASn*,ASR R飽和、ACRACR 不飽和；階段田時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（退飽和階段），ASRASR 不飽和、ACRACR 不飽和。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程利用飽和非線性控制，獲得了準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制，但卻帶來(lái)了轉(zhuǎn)速超調(diào)。2.2H橋PWM變換器脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的

8、方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于題目中給定為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的 H H 型雙極式 PWMPWM 直流調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī) M M兩端電壓UAB的極性隨開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，即占空比，可以達(dá)到對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的目的。H H 型雙極性 PWMPWM 變換器如圖 5 5 所示。圖5橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆 PWMPWM 變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖 6 6 所示。圖6雙 極 式 控 制 可 逆P W M變 換 器 的 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 、 輸 出 電 壓 和 電

9、 流 波 形它們的關(guān)系是：Ug1Ug4Ug2Ug3。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，當(dāng)0tton時(shí)，晶體管 VT1VT1、VT4VT4 飽和導(dǎo)通而 VT2VT2、VT3VT3 截止，這時(shí)UABUs0當(dāng)tontT時(shí)，VT1VT1、VT4VT4 截止，但 VT2VT2、VT3VT3 不能立即導(dǎo)通，電樞電流i id經(jīng)VD2VD2、VD3VD3 續(xù)流，這時(shí)UAB-USoU UAB在一個(gè)周期正負(fù)相問(wèn)，這是雙極式PWMPWM 變換器的特征，其電壓、電流波形如圖 6 6 所示。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體ton現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，2,則UAB的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，

10、ton工2,2,平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這里選擇電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi0.002s雙極式控制可逆 PWMPWM 變換器的輸出平均電壓為tonT-tonUdUsTT2-1調(diào)速時(shí)，的可調(diào)圍為 01,01,相應(yīng)的-11。當(dāng)1.1.機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)1時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)1時(shí)，=0,=0,電動(dòng)機(jī)停22止。但是電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。3系統(tǒng)參數(shù)的選取3.1PWM變換器滯后時(shí)間常數(shù)TsPWMPWM 控制與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。當(dāng)控制電壓 UcUc 改變時(shí)，PWMPWM 變換器輸出平均電壓 UdUd 按現(xiàn)行規(guī)律

11、變化，但其響應(yīng)會(huì)有延遲，最大的時(shí)延是一周開(kāi)關(guān)周期ToPWMPWM 裝置的延遲時(shí)間TsT T, ,一般選取.1Tsf=0.001s=0.001s(3)其中，f-f-開(kāi)關(guān)器件 IGBTIGBT 的頻率3.2電流濾波時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)PWMPWM 變換器電流濾波時(shí)間常數(shù)的選擇與品閘管控制電路有所區(qū)別,2ton2-1)UsT如果定義占空比口，電壓系數(shù)T匕,則在雙極式可逆變換器中Us(2)1一,、，一，,-時(shí)，為正，電動(dòng)22丁L1.510T|= =0.03s=0.03sR0.54電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì)5.3電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)計(jì)算按小時(shí)間按常數(shù)近似處理，Ti取錯(cuò)誤！未找到引用源。= =ToiToi+

12、 +TsTs=0.002+0.001=0.0035.4電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇?據(jù)設(shè)計(jì)要求5%,5%,并保證穩(wěn)態(tài)時(shí)在電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)下系統(tǒng)無(wú)靜差，可以按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，因此可以采用 PIPI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可見(jiàn)式(8)8)。WACR(s)1s1(8)iS S檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：口旦絲10,分析可知，各項(xiàng)指標(biāo)C CeU UnomI IdR Ra2201360.20md0md-=0.132V-=0.132V min/rmin/rn nnom2GD2R1460(4)22.50.5丁,=0.18s302302375Ce3750.132(6)Ti0.003都是可以接

13、受的。5.5電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算5.6校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率:ciI166.7166.7s1c-Numbered_2e9ab220-9811-44ec-ae76-5620f308110e-Numbered_b937b96c-7d2a-4a20-baab-27f4439b130c-NumbereP PWMWM 變換裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。(2)(2)校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件滿足近似條件(3)(3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù):iTl0.03so電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求5%,5%,?據(jù)典型 I I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)

14、的關(guān)系可知,0.50.5應(yīng)取KITi0.5,因此KITi0.003于是，ACRACR 的比例系數(shù)為1166.7s(9)iRs166.70.030.5/”1.25400.05(10)3Ts30.0011333.3sci(11)3 3, ,T TmT Tl3 30.180.0030.180.003140.8s40.8sci(12)111133T TsT Toi11113 3、0.0010.0020.0010.002235.7s235.7sci(13)5.7調(diào)節(jié)器電容和電阻值計(jì)算按所用運(yùn)算放大器取R040k,各個(gè)電阻和電容值的計(jì)算如下:PIPI 型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖 7 7 所示。圖7含給定濾波與

15、反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器由以上計(jì)算可得電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為校正成典型 I I 型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 8 8 所示。RiKiRo1.254050k取 5050kRi0.03350100.6F4ToioiR040.00240100.2F取 0.60.6F取 0.20.2FWACR(S)Ki(iS1)1.25(0.03s1)is0.03s(14)5速度調(diào)節(jié)器ASR設(shè)計(jì)時(shí)間常數(shù)的設(shè)定在電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中為了達(dá)到電流超調(diào)的要求（i5%）,KITi0.5,所以電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)工為:KI轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)1nonI0.0060.010.016s轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)

16、前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASRASR 中?，F(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)1KI2i20.0030.006s(15)no按小時(shí)間常數(shù)處理處理，取(16)圖8電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(1)(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件滿足簡(jiǎn)化條件。(2)(2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)器應(yīng)該有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型 IIII型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見(jiàn)，ASRASR也應(yīng)該采用 PIPI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WASRKn(ns1)(17)ns轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算按跟隨性和抗擾性好的原則，取 h=5h=5, ,則 ASRASR 的超前

17、時(shí)間常數(shù)為:nhn50.0160.08s(19)(21)轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)增益為：h15122-2-2468.75s2h22n2250.0162于是可得 ASRASR 的比例系數(shù)為:(h1)Cemn2hRn60.050.1320.18一12.70.0070.50.016(20)校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為:cnNn468.80.0837.5s11 1K K33i; ;166166.7.778.6s78.6s1330.0030.003cn(22)滿足簡(jiǎn)化條件。(3)(3)校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng) h=5h=5 時(shí)，由典型 IIII 型系統(tǒng)的階躍輸入跟隨性能指標(biāo)的關(guān)系可知，n37.6%,不能滿足設(shè)計(jì)的要求。實(shí)

18、際上，突加階躍給定時(shí)，ASRASR 飽和,不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按 ASRASR 退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。系統(tǒng)空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量：才兩足要求。5.5調(diào)節(jié)器電容和電阻值計(jì)算按所用運(yùn)算放大器取RO40k,各電阻和電容值計(jì)算如下:4on40.013FRO401040.0s40.0scn(23)(Cmax、nbn(_)*CbnC2(ma)(Cb1360.5z)nb20.8121.50.132nm14600.0167.6%0.18RnnR012.740k508k取 510510kCnn0.083FRn510100.157F取 0.20.2FCon1 1166.7166.7330.0

19、10.01PIPI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖 9 9 所示。aj 心J_4N(%S+I)爪5)蝗(泊M)圖9含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由以上計(jì)算可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為n(nS1)12.7(0.08S1)WASR(S)nS0.08s(24)校正成典型 IIII 型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 1010 所示。圖10轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖6采用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真利用 MATLAB-SIMULINKMATLAB-SIMULINK 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)框圖和仿真結(jié)果如下所示。原理框圖設(shè)計(jì)電流環(huán)原理圖圖11電流環(huán)原理圖電流環(huán)的原理圖如圖 1111 所示，輸入為階躍信號(hào)，通過(guò) ACRAC

20、R 輸出限幅,控制輸出電流幅值大小。電流反饋環(huán)節(jié)加上 PIPI 調(diào)節(jié)器，使穩(wěn)態(tài)輸出無(wú)靜差。轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖如圖 1212 所示。階躍給定輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)慣性環(huán)節(jié)輸出，與反饋環(huán)節(jié)的比較作為 ASRASR 的輸入，ASRASR 輸出限幅，控制輸出直流電壓幅值大小。負(fù)載擾動(dòng)設(shè)定為階躍信號(hào)，系統(tǒng)空載啟動(dòng)。若仿真時(shí)間設(shè)為 5s,5s,可以設(shè)定在 3s3s 時(shí)加入負(fù)載的擾動(dòng)。圖12轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖仿真結(jié)果K=1時(shí)的仿真結(jié)果圖中,stepstep 為一個(gè)電壓階躍信號(hào)，當(dāng) t=0t=0 時(shí)，跳變?yōu)殡A躍值為 1010 的信號(hào)。圖中subsystemsubsystem 是新建的一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)，其等效為 ASRASR或者 ACR,ACR,只是兩者的參數(shù)設(shè)置不一樣，但部結(jié)構(gòu)相同，包含比