直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真

1、直流W調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真第一章摘要第二章主電路的設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)要求2.2電路設(shè)計(jì)及分析2.2.1電流調(diào)節(jié)器2.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.3系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析2.4電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.4.1電流環(huán)的簡化2.4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.4.3電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)2.5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.5.1電流環(huán)等效傳遞函數(shù)2.5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇2.5.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)第三章系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)3.1電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算3.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)計(jì)算第四章PWM控制器的建模 第五章系統(tǒng)仿真第一章摘要雙閉環(huán)（電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)）調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛的電 力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。反饋閉環(huán)控 制系統(tǒng)具有良好的抗

2、擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾 動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán) 的調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無差。在單閉環(huán)系 統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在 超過臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很 理想的控制電流的動態(tài)波形。關(guān)鍵字：PWM脈寬直流調(diào)速matlab仿真第二章 主電路的設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)要求穩(wěn)態(tài)指標(biāo):轉(zhuǎn)速無靜差；動態(tài)指標(biāo):電流超調(diào)量。. 3 :工（13） 式中3 電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同 時(shí)把給定信號改為u*（以錯(cuò)誤！未找到引用源。

3、，則電流環(huán)便等i效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖13b所示，從這里可以看出兩個(gè)濾 波時(shí)間常數(shù)取值相同的方便之處。最后，由于T,和T 一般都比錯(cuò)誤！未找到引用源。氣小得多， 可以當(dāng)作小慣性群而近似看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為錯(cuò)誤！未找到引用源。廣T + T,（14） 則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖13c所示。簡化的近似條件為錯(cuò)誤！未找到引用源。CDci1 T_ I3 tts oi(15)圖13電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化(a)忽略反電動勢的動態(tài)影響(b)等效成單位負(fù)反饋(c)小慣性環(huán)節(jié)近似處理2.4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性， 由圖13c可以看出，采用I型

4、系統(tǒng)就夠了。圖13c表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù) 可以寫成%（s）=打 is + 1）（ 1 一6）i式中K 一一電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；T i電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對消，選擇錯(cuò)誤！未找到引用源。L= T1 （17）則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖14所示的典型形式，其中錯(cuò)誤！未找到引用源。K=K T R4K Ps(1 8)$(象$+1)圖14校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.4.3電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如 圖15所示。圖中錯(cuò)誤！未找

5、到引用源。為電流給定電壓。錯(cuò) 誤！未找到引用源。書七為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是 電力電子變換器的控制電壓u錯(cuò)誤！未找到引用源。濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，可以容易地導(dǎo)出錯(cuò)誤！未找到引用源。K = Ro（114）錯(cuò)誤！未找到引用源。T廣RC（115）錯(cuò)誤!未找到引用源。T = - R Coi 4 o oi2.5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.5.1電流環(huán)等效傳遞函數(shù)由校正后的電流結(jié)構(gòu)框圖可知錯(cuò)誤！未找到引用源。W (s) =d()cli U *(s) p i1r , 1 Z i S 2 + s + 1KK(117)忽略高次項(xiàng)，錯(cuò)誤！未找到引用源?？山惦A近似為錯(cuò)

6、誤！未找到引用源。W占(s) s + 1 K i (118)近似條件為錯(cuò)誤！未找到引用源。3 qjf(119)式中錯(cuò)誤！未找到引用源。一一轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻 率。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電力換等效環(huán)節(jié)的輸入量為少(s)錯(cuò)誤！未找 i到引用源。，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為1錯(cuò)誤！未找到引用源。=住.P5 p s+1 KI(120)這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后， 可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)錯(cuò)誤！未找到引用源。的一 階慣性環(huán)節(jié)。2.5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)的選擇把電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)接入轉(zhuǎn)速環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動 態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1一6a所示。和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波

7、 和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號改成u*(s)a錯(cuò)誤！未 n找到弓I用源。，再把時(shí)間常數(shù)為錯(cuò)誤！未找到弓I用源。和錯(cuò)誤！ 未找到弓I用源。的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常 數(shù)為錯(cuò)誤！未找到引用源。的慣性環(huán)節(jié)，其中錯(cuò)誤！未找到引用源。T = + TI(121)則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡化成圖16b由于需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，而且在后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán) 節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)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(shí)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 錯(cuò)誤！未找到引用源。W倒(s) = K n； + Dn(122)

8、式中 錯(cuò)誤！未找到引用源。一一轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);錯(cuò)誤！未找到引用源。一一轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超其時(shí)間常數(shù)。(b)圖16轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化（a）用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)（b）等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性系統(tǒng)的近似處理（c）校正后成為典型II型系統(tǒng)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為錯(cuò)誤！未找到引用源。不考慮負(fù)載擾動時(shí)，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 6c所示。2.5.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的原理圖如圖1 7所示，圖中錯(cuò)誤！未找到引用源。為轉(zhuǎn)速給定電壓，錯(cuò)誤！ 未找到引用源。an為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào) 節(jié)器的給定電壓錯(cuò)誤！未找到引用源。Rn Cn1

9、 bal圖h-7含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)身調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系錯(cuò)誤！未找到引用源。K = Rn Ro(126)錯(cuò)誤！未找到引用源。廠R(127) (128)ono on第三章 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)3.1電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算（1）確定時(shí)間常數(shù)1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts查表的：三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017。整流電路形式最大失控時(shí)間Tsmax/ms平均失控時(shí)間Ts/ms單相半波2010單相橋式（全105波）6.673.33三相半波3.331.67三相橋式2）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí) 間是3.3ms,為了基本慮平波頭，應(yīng)有

10、（12）Toi=3.33ms,0此取Toi=2ms。3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T=Ts+Toi=0.0037s。（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求超調(diào)量G . =5%，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?？捎肞I型電流調(diào)節(jié)器。檢查 電源電壓的抗擾性能：Tl/t二T2/T1=8.11,各項(xiàng)性能指標(biāo)都是可以接受的。上式 Tl=L/R=0.03s。計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：匚=Tl=0.03so電流環(huán)開環(huán)增益：要求超調(diào)量G 滿足近似條件檢驗(yàn)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件3 匚=40.82s-l滿足近似條件按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為：超調(diào)

11、量G =4.35%33 TcnXi=38.7s-1 3cn2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足簡化條件（2-6）在退飽和的情況下，計(jì)算轉(zhuǎn)速超調(diào)有b = ( AC maxn Cb)色=2( AC max )(入-Z) ATXnn *Cn *b在 h=5 時(shí)有八=81.2%；人=1.5； T =0.07s； T =0.0012s；bC=0.133；空載啟動時(shí)有z = 0；即可求得37 x 1.5n 17700102Q = 2 x 81.2% x 1.5 x 0.133 x2 x 100% n 10.22%n14500.07由此可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量大于要求的10%，可在仿真文件中進(jìn)行調(diào)整并獲得良好電流轉(zhuǎn)速

12、波形。第四章PWM控制器的建模無論哪種PWM變換器電路其驅(qū)動電壓都是由PWM控制器 發(fā)出，控制器可以是模擬的，也可以是數(shù)字的.PWM控制器與變換器的動態(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)控制電壓改變時(shí),PWM輸出平均電壓按線性變 化，因此PWM裝置可以看成一個(gè)滯后裝置,當(dāng)開關(guān)頻率為10KHZ 吐T=0.1ms,在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小 的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)：KW（s）=寸十S T +1s但需注意，這只是近似的傳遞函數(shù),實(shí)際上PWM變換器不是 線性環(huán)節(jié),而是具有機(jī)電特性的非線性環(huán)節(jié).在本次設(shè)計(jì)中，設(shè)定T =0.0067, K =40，通過改變設(shè)定

13、值,來改善系統(tǒng)的動態(tài)性能.第五章系統(tǒng)的仿真仿真的過程中，通過設(shè)定兩T和K個(gè)參數(shù)的值來改善 ss系統(tǒng)的性能，下面概略描述三個(gè)主要的方針過程，如下：剛開始取參數(shù)T =0.125,K =20，在Matlab中進(jìn)入Simulink環(huán)境，創(chuàng)建Model文件系統(tǒng)仿真原理圖根據(jù)上圖建立仿真得到轉(zhuǎn)速、電流波形如圖所示這種情況與理想的結(jié)果相比很不好，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間相當(dāng)長， 電流啟動時(shí)間相當(dāng)長，恒電流加速過程短，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段慢?；谝陨闲Ч?，對參數(shù)進(jìn)行修正，取廣=0.001，K =20，仿 真波形如下圖:與上次相比電流的波形有所改善，啟動時(shí)間縮短，恒流加速過程 加長，但轉(zhuǎn)速反饋沒有得到改善，進(jìn)一步改正參數(shù)，取K =30， T =0.001，仿真結(jié)果如下圖：.8這次的波形基本與理想波形相似，轉(zhuǎn)速和電流反饋達(dá)到所需 的效果，比較理想。心得體會通過本次課程設(shè)計(jì)的實(shí)習(xí)，我對運(yùn)動控制有了更深入的了解, 不僅對轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)反饋控制加深了理解，還對PWM控制有了新 的認(rèn)識,PWM控制的實(shí)現(xiàn)結(jié)果與晶閘管觸發(fā)裝置是相同的，具有 相似的數(shù)學(xué)模型，剛開始拿到題目，一看挺簡單的吧，但是開始做時(shí)，才知道 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并不簡單，最重要的是,PWM數(shù)學(xué)模型 的建立，經(jīng)過小組幾天