可逆直流PWM系統(tǒng).

1、可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)1 PWM簡(jiǎn)介1.1 PWM勺基本概念脈沖調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)稱 pwm PWM控制技術(shù)就是控制半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo) 通和關(guān)斷時(shí)間比，即調(diào)節(jié)脈沖寬度或周期來(lái)控制輸出電壓的一種控制技 術(shù)。近年來(lái)，隨著全控型器件的不斷發(fā)展和PWM技術(shù)的日益完善，已廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速和開(kāi)關(guān)電源等領(lǐng)域。1.2 PWM控制技術(shù)的應(yīng)用調(diào)速可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。盡管直流電機(jī)比交流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本 較高、維修保養(yǎng)貴，但是其調(diào)速性能好，所以在調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位。 然而，近10年來(lái)，由于電力電子技術(shù)已經(jīng)很好的解決了交流調(diào)速問(wèn)題。交流調(diào) 速已得到了廣泛的應(yīng)用。交流調(diào)速是按交流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式建立的對(duì)于同步機(jī)、

2、磁阻式電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速為n=60f/p，對(duì)于籠型或繞線型轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，其轉(zhuǎn)速為：n=60f/p（1-s）,原則上講，改變極對(duì)數(shù)p、改變轉(zhuǎn)差率s和調(diào)節(jié)頻率f都可以調(diào)速。但對(duì)于異步電動(dòng) 機(jī)以上三種方法雖可采用，但是變極調(diào)速是有極調(diào)速，而改變轉(zhuǎn)差率的目的是各 種調(diào)速都是耗能型調(diào)速方法，只有變頻調(diào)速是最為理想的調(diào)速方法。 但同步電動(dòng) 機(jī)，在運(yùn)行中改變級(jí)對(duì)數(shù)會(huì)引起失步， 因此只能調(diào)頻調(diào)速。變頻調(diào)速是以變頻器 向交流電動(dòng)機(jī)供電，并構(gòu)成開(kāi)環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器是把固定電壓、固定頻率的 交流電變?yōu)楣潭妷?，可調(diào)頻率的交流變頻器。 變頻器的種類有很多種，其中電 壓型pwi方式交一直一交變頻器發(fā)展速度最快。pwr變頻

3、器迅速發(fā)展的原因：一 是變頻器所用的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件不斷發(fā)展； 二是PWI控制技術(shù)的日益完善。電力 電子技術(shù)不僅促使交流調(diào)速迅速發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了直流調(diào)速的新發(fā)展。用于直流調(diào)速系統(tǒng)，例如，以往普遍應(yīng)用的晶閘管相控整流 一直流電機(jī)調(diào)壓 調(diào)速系統(tǒng)，現(xiàn)在也發(fā)展了全波步控整流 PW斬波一直流電壓調(diào)速系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)磁阻 電動(dòng)機(jī)也是有直流斬波器供電的。PWh控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與 關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖序列，并通過(guò)控制電壓脈沖寬度或周期以達(dá)到變壓 目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制 技術(shù)。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為：n= Ua-Ia IRaCe- （r/mi

4、n ） 式中Ua 電樞端電壓（V） la 電樞電流（A） 習(xí)R電樞電路總電阻（Q） 一每級(jí)磁通量（Wb Ce-與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)由式可知，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓 控制法。勵(lì)磁控制法控制勵(lì)磁通 ，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁極飽和 的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制。而且由于勵(lì)磁線圈電感 較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的是電樞電壓控制法。Ua=Ud-laR,雖然調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓達(dá)到調(diào)速目的，但這種方法效率很低。隨著電力電子技術(shù)的 進(jìn)步，可由PW斬波器進(jìn)行斬波調(diào)壓。222主電路的設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)描述要求設(shè)計(jì)PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，可

5、完成以下任務(wù)：(1) 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)可逆運(yùn)行，具有較寬的調(diào)速范圍(D 10)，系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作；(2) 系統(tǒng)靜特性良好，無(wú)靜差(靜差率 s 2);(3) 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量S n V 8%電流超調(diào)量 S iV 5%動(dòng)態(tài)速降 nW 10%調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間(調(diào)節(jié)時(shí)間)ts 1s ;(4) 系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)；(5) 調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過(guò)電壓、過(guò)電流等保護(hù)，并且有制動(dòng)措施。2.2電路設(shè)計(jì)及分析根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)可知，要求系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速，并要求較好的動(dòng)態(tài)性能，可選擇PI控制的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，以完全達(dá)到系 統(tǒng)

6、需要。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。圖2-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)框兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出均帶限幅作用的,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR勺輸出限幅電壓決定了 電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR勺輸出限幅電壓限制了電力電子電換器 的最大輸出電壓。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如下圖 2-2所示：圖2-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖la圖2-2系統(tǒng)實(shí)際動(dòng)態(tài)原理框圖2.2.1電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓 (即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量)變化。對(duì) 電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最 大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。由于電流檢測(cè)中常常含有交流分量， 為使其不影響

7、 調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。2.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n很快地跟隨給定電壓變 化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。它對(duì)負(fù)載 變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。由于測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波。2.2.3系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而 PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量在 動(dòng)態(tài)過(guò)程中決定大于輸入量的積分， 到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸 入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。 根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有 關(guān)的反饋系數(shù)*轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a二如(2 1)nmax*電

8、流反饋系數(shù)b(22)Idm2.3電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.3.1電流環(huán)的簡(jiǎn)化在圖2-2虛線框內(nèi)的電流環(huán)中，電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉， 這將給 設(shè)計(jì)工作帶來(lái)麻煩。實(shí)際中，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，飯電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化比較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即 E 0.其中忽略反電動(dòng)(23)勢(shì)對(duì)電流環(huán)的近似條件是式中3ci 電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。同時(shí)把給定信號(hào)改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)，為U*(s).則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖2 3b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Ts和心一般都比T小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似看作

9、是一(2 4)(25)個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為TSi= Ts Toi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡(jiǎn)化成圖2 3c所示。簡(jiǎn)化的近似條件為3ci省僉PACR治十1(a)忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響(b)等效成單位負(fù)反饋應(yīng))(c)小慣性環(huán)節(jié)近似處理圖23電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡(jiǎn)化2.3.2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(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖 2-3c可 以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。再?gòu)膭?dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在 突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素。為此，電流環(huán)應(yīng)跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。圖2-3

10、c表明，電流環(huán)的控制對(duì)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W (s)_KiTs 0WACR(S)- -( 2 6)Ts式中 Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);T 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(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇t=T(2 7)則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖 24所示的典型形式，其中(2 8)懇拆)$(氐*+1)圖2 4校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上述結(jié)果是在一系列假定條件下得到的， 現(xiàn)將用過(guò)的假定條件歸納如下，以便具 體設(shè)計(jì)時(shí)校驗(yàn)。(1)電力電子變換器純滯后的近似處理 1 3ci3Ts(2 9)(2)忽略反電

11、動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響3 - 3(210)(3)電流環(huán)小慣性群的近似處理.13ci a1T sT oi(211)2.3.3電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算由式25可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是Ki和，其中t已選定，見(jiàn)式26,待定的只有Ki，可根據(jù)所需要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。根據(jù)電流超調(diào)量，由表21,可選E和KiG i的值。一般5乞5%，取E =0.707,心匚0.5，Ki(212)表2 1典型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)的關(guān)系參考關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比E1.00.80.7070.60.5超調(diào)量S0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間troO6.6T4.7T3

12、.3T2.4T峰值時(shí)間tpoO8.3T6.2T4.7T3.6Too相角穩(wěn)定裕度Y76.369.9fifij59.251.8截止頻率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T再利用式27和式26得到Kj= T1R =_ -Il（213）2心 Ti 2KsBT i 丿如果實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同， 式211和式212當(dāng)然應(yīng)作相應(yīng) 的改變。此外，如果對(duì)電流環(huán)的抗擾性能也有具體的要求， 還得再校驗(yàn)一下抗擾 性能指標(biāo)是否滿足2.3.4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25所示。圖 中U*為電流給定電壓。- B Id為電流負(fù)反饋電壓

13、，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變 換器的控制電壓Uc。圖2 5含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，可以容易地導(dǎo)出(214)(215)Ti - 二 RoCoi4(216)2.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.4.1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ld(s)WUi*(s)卩瓦12 1s s 1 KiK|(217)忽略高次項(xiàng)，Wcii (s)可降階近似為Wcii (s)Ki近似條件為(218)(219)-：1 Ki 的3池i式中3cn轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)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U*(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為(220)ld(s)Wc

14、ii(s)U*(s廠B這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)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)1 Kl的一階慣性環(huán)節(jié) 2.4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 26a所示。和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí) 將給定信號(hào)改成U；(s). a,再把時(shí)間常數(shù)為1 K和Ton的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起Ton來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T.n的慣性環(huán)節(jié)，其中(221)則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡(jiǎn)化成圖 2 6b由于需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)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(kāi) 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

15、典型U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)， ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其 傳遞函數(shù)為Wasr(s)=KnTnS 1)(222)式中Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);Tn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超其時(shí)間常數(shù)(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)的近似處理空心)化嚴(yán)1)(C)校正后成為典型H型系統(tǒng) 圖2 6轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡(jiǎn)化這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖26c所示。243轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Kn和6。按照典型U型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，有(223)-2h2T(224)因此Kn(h 1)卩 C

16、eTm2h: RT2n(225)至于中頻寬h應(yīng)選擇多少，要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定。244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27所示，圖中U為轉(zhuǎn)速給定電壓，-a n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U*。圖2 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)系為RoRoCon(226) (2 27)(2 28)3系統(tǒng)仿真3.1系統(tǒng)仿真原理在Matlab中進(jìn)入Simulink環(huán)境，創(chuàng)建 Model文件如下圖3-1所示圖3-1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3-2所示:壽益圖3-2系統(tǒng)轉(zhuǎn)速

17、、電流仿真波形（參數(shù)調(diào)節(jié)前）3-2系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流仿真波形（參數(shù)調(diào)節(jié)后）3.2系統(tǒng)分析結(jié)果由2.2中計(jì)算可知此時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量 6為10.22%,大于要求的8%因此需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)以減小超調(diào)，得到更好的轉(zhuǎn)速、電流波形，由公式（2-6 ）可發(fā)現(xiàn)，要減小超調(diào)量，可通過(guò)改變 三駐、T.n、Tm大小來(lái)調(diào)節(jié)，但改變 空怛需改變Cb-Cbh,同時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，并且通過(guò)計(jì)算不能達(dá)到系統(tǒng)所需超調(diào)要求；而 Tm 屬于發(fā)電機(jī)固有屬性參數(shù)，不易改變，因此選擇改變 Tf來(lái)調(diào)節(jié)。同時(shí)由于Tn和 6成正比關(guān)系， J變小時(shí)超調(diào)減小。由于T=n =（丄* Tn），減小轉(zhuǎn)速濾波常_ K數(shù)Ton即可減小Tn。選擇Ton =0.0

18、05時(shí)，通過(guò)參數(shù)計(jì)算得到此時(shí)仿真模型如下圖3-3所示：圖3-3參數(shù)調(diào)整后仿真模型此時(shí)得到轉(zhuǎn)速、電流仿真波形如下圖3-4所示:圖3-4轉(zhuǎn)速、電流仿真波形（參數(shù)調(diào)節(jié)后 ）如圖所示，此時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)明顯減小，電流波形也得到改善，調(diào)節(jié)時(shí)間基本無(wú)變化，說(shuō)明選取Ton =0.005是一個(gè)很好的參數(shù)，并且通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證可以得到此時(shí) 轉(zhuǎn)速超調(diào)為 n =5.2%,小于8%完全符合設(shè)計(jì)任務(wù)要求。同時(shí)，在仿真環(huán)境中改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)將影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，在一定參數(shù)條件下會(huì)是系統(tǒng)振蕩，此時(shí)轉(zhuǎn)速、電流波形如下圖3-5所示：由圖可以看到，轉(zhuǎn)速、電流波形經(jīng)過(guò)短時(shí)間調(diào)節(jié)后均可達(dá)到穩(wěn)定，驗(yàn)證了系 統(tǒng)的穩(wěn)定性，此時(shí)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間約為 0.35s，小于0.5s，符合設(shè)計(jì)任務(wù)要求?？偨Y(jié)課程設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)， 而且也是對(duì)自己能力的一種提 高。可以說(shuō)，本次課程設(shè)計(jì)令我獲益匪淺。首先，讓我有機(jī)會(huì)學(xué)以致用，并且查缺補(bǔ)漏，將老師在課堂上講述過(guò)的內(nèi)容 應(yīng)用到具體實(shí)踐中來(lái)，對(duì)于抽象的知識(shí)有了具體而生動(dòng)的認(rèn)識(shí)， 更加意識(shí)到實(shí)踐 與理論的區(qū)別，在實(shí)際生產(chǎn)中要考慮許多外界因素， 而在理論學(xué)習(xí)時(shí)則更多的是 在理想環(huán)境下進(jìn)行的，這是我今后從事這