PWM脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及matlab仿真驗(yàn)證

1、1.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行嵌套鏈接，如圖1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(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UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，兩個調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸

2、出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出打到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零。為了實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不要進(jìn)入飽和狀態(tài)，因此對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形如圖所示：圖4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形如圖4所示，電機(jī)的起動過程中

3、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況：第階段（0-）是電流上升階段；第階段（-）是恒流升速階段；第階段（以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點(diǎn)：1） 飽和非線性控制2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)3） 準(zhǔn)時間最優(yōu)控制設(shè)定PWM的開關(guān)頻率為，故H型雙極式PWM整流的調(diào)制周期為：H橋式電路每個波頭的時間為，為了基本濾平波頭，應(yīng)有，因此取。根據(jù)所有發(fā)電機(jī)紋波情況，取。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：電流反饋系數(shù)： 2電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)。H橋式PWM整流的平均失控時間為。（2）電流濾波時間常數(shù)。H橋式電路每個波頭的時間為，為了基本濾平波頭，應(yīng)有，因此取。（3）電流環(huán)小

4、時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可以用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)見式檢查對電源電壓的抗擾性能：，參見表的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。表1 典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系27.8%16.6%9.3%6.5%電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：。電源開環(huán)增益：要求時，按表，應(yīng)取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為電流環(huán)截止頻率：（1）校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件滿足近似條件。（2）校驗(yàn)忽略反電勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件 滿足近似條件。（3）校驗(yàn)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件

5、 滿足近似條件。圖5 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器如圖5，按所用運(yùn)算放大器取，各個電阻和電容值為由以上計(jì)算可得電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為 3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計(jì)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)。取,則（2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所有測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取。 （3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點(diǎn)前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中?，F(xiàn)在擾動作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)調(diào)節(jié)器應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見,ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為按

6、跟隨性和抗擾性好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為于是可得ASR的比例系數(shù)為3.3 校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 滿足簡化條件。（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 滿足簡化條件。 圖6 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖6，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為由以上計(jì)算可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為 4 采用Matlab對系統(tǒng)進(jìn)行仿真 正常情況下系統(tǒng)的仿真框圖如圖7所示。圖7 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時仿真框圖當(dāng)電流環(huán)沒有斷線時，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行，此時系統(tǒng)為一個電流速度雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，此時啟動轉(zhuǎn)速和啟動電流的波形如圖8所示。圖8啟動時的電流和轉(zhuǎn)速曲線啟動電流和轉(zhuǎn)速都

7、經(jīng)歷了電流上升、恒流升速以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段。轉(zhuǎn)速經(jīng)過超調(diào)之后逐漸穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速n=200附近；電流經(jīng)過經(jīng)過超調(diào)后逐漸穩(wěn)定在等效負(fù)載擾動電流近。此時ACR和ASR的輸出波形如圖9和圖10所示。圖9 系統(tǒng)正常運(yùn)行時ACR的輸出波形圖10 系統(tǒng)正常運(yùn)行時ASR的輸出波形系統(tǒng)正常運(yùn)行時的波形如圖11所示。圖11 系統(tǒng)正常運(yùn)行時的波形 在原電路圖電流環(huán)反饋環(huán)節(jié)串入一個乘法器，如圖12所示，Step2初始值設(shè)為1，終值設(shè)為0，延時2s，將Gain5作為反饋代替，Gain5參數(shù)設(shè)置運(yùn)行后，開始電路正常運(yùn)行，2s后電流環(huán)突然斷線。圖12 電流環(huán)突然斷線的系統(tǒng)框圖系統(tǒng)運(yùn)行后電流和轉(zhuǎn)速的輸出波形如圖13所示。圖

8、13 電流環(huán)突然斷線時電流和轉(zhuǎn)速曲線電流環(huán)突然斷線時的ASR和ACR的輸出波形如圖14和圖15所示。圖16 電流環(huán)突然斷線時ASR輸出波形圖17 電流環(huán)突然斷線時ACR輸出波形電流環(huán)突然斷線時的波形如圖18所示。圖18 電流環(huán)突然斷線時的波形通過以上仿真可以看出，當(dāng)電流環(huán)突然斷線時，ACR沒有電流反饋環(huán)節(jié)，電流很快增加，轉(zhuǎn)速反饋增大，與給定的偏差減小，ASR輸出增大，ACR增大，轉(zhuǎn)速反饋增大，依次這樣震蕩。在這個過程中，比例作用很快，積分環(huán)節(jié)不夠大，所以會震蕩，此時系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。 心得體會本次課程設(shè)計(jì)歷時一周，在整個設(shè)計(jì)過程中，我不僅鞏固了以前所學(xué)到的知識，更學(xué)到了許多課外的知識。通過這次

9、的課程設(shè)計(jì)，我也發(fā)現(xiàn)了很多平時學(xué)習(xí)中的不足，可謂是收獲頗多。 通過這次課設(shè)，我不僅在知識上有了進(jìn)一步的鞏固和提高，在求學(xué)和研究的心態(tài)上也有不小的進(jìn)步。我想無論是在學(xué)習(xí)還是在生活上只有自己有心去學(xué)習(xí)和參與才可能有收獲，同時我也深深感受到理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性。以前一直覺得理論知識離我們很遠(yuǎn)，經(jīng)過課程設(shè)計(jì)，才發(fā)現(xiàn)理論知識與生活的聯(lián)系。這大大激發(fā)我學(xué)習(xí)書本的興趣。再者我們學(xué)習(xí)的是工科，不單純只是理論方面的工作，還應(yīng)該考慮到實(shí)際情況。理論計(jì)算的的結(jié)果可能與實(shí)際稍有差別，要以實(shí)際情況為準(zhǔn)。 作為一名學(xué)習(xí)電氣工程及其自動化的學(xué)生，我們的夢想是成為一名電氣工程師，所以我覺得能做類似的課程設(shè)計(jì)是十分有意義，而且是十分必要的。在成為一名合格的電氣工程師之前我們必須經(jīng)歷硬件的制作、軟件的調(diào)試、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這三個步驟。課程設(shè)計(jì)中我既鞏固了課堂上學(xué)到的理論知識，又掌握了Matlab在自動化應(yīng)用中的基本使用方法?？傊?，在設(shè)計(jì)過程中，我不僅學(xué)到了以前從未接觸過的新知識，而且學(xué)會了獨(dú)立的去發(fā)現(xiàn)，面對，分析，解決新問題的能力，不僅學(xué)到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益匪淺。 參考文獻(xiàn)1院毅 陳伯時