可逆直流PWM系統(tǒng).

1、可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)1 PWM簡介1.1 PWM勺基本概念脈沖調(diào)制技術(shù)簡稱 pwm PWM控制技術(shù)就是控制半導(dǎo)體開關(guān)元件的導(dǎo) 通和關(guān)斷時間比，即調(diào)節(jié)脈沖寬度或周期來控制輸出電壓的一種控制技 術(shù)。近年來，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。盡管直流電機比交流電機結(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)速傳動領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位。 然而，近10年來，由于電力電子技術(shù)已經(jīng)很好的解決了交流調(diào)速問題。交流調(diào) 速已得到了廣泛的應(yīng)用。交流調(diào)速是按交流電機轉(zhuǎn)速公式建立的對于同步機、

2、磁阻式電動機，其轉(zhuǎn)速為n=60f/p，對于籠型或繞線型轉(zhuǎn)子異步電機，其轉(zhuǎn)速為：n=60f/p（1-s）,原則上講，改變極對數(shù)p、改變轉(zhuǎn)差率s和調(diào)節(jié)頻率f都可以調(diào)速。但對于異步電動 機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 機，在運行中改變級對數(shù)會引起失步， 因此只能調(diào)頻調(diào)速。變頻調(diào)速是以變頻器 向交流電動機供電，并構(gòu)成開環(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，同時也促進了直流調(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)，開關(guān)磁阻 電動機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，并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達到變壓 目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制 技術(shù)。直流電動機轉(zhuǎn)速n的表達式為：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） 一每級磁通量（Wb Ce-與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)由式可知，直流電動機轉(zhuǎn)速n的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓 控制法。勵磁控制法控制勵磁通 ，其控制功率雖然小，但低速時受到磁極飽和 的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制。而且由于勵磁線圈電感 較大，動態(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 進步，可由PW斬波器進行斬波調(diào)壓。222主電路的設(shè)計2.1設(shè)計任務(wù)描述要求設(shè)計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)能進行平滑的速度調(diào)節(jié)，負載電機可逆運行，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，無靜差(靜差率 s 2);(3) 動態(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%動態(tài)速降 nW 10%調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間(調(diào)節(jié)時間)ts 1s ;(4) 系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)；(5) 調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流等保護，并且有制動措施。2.2電路設(shè)計及分析根據(jù)設(shè)計任務(wù)可知，要求系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)無靜差調(diào)速，并要求較好的動態(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)實際動態(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 電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最 大電流，從而加快動態(tài)過程。由于電流檢測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)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。它對負載 變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。由于測速發(fā)電機得到的轉(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 動態(tài)過程中決定大于輸入量的積分， 到達穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸 入無關(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2.3.1電流環(huán)的簡化在圖2-2虛線框內(nèi)的電流環(huán)中，電動勢與電流反饋的作用相互交叉， 這將給 設(shè)計工作帶來麻煩。實際中，對電流環(huán)來說，飯電動勢是一個變化比較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即 E 0.其中忽略反電動(23)勢對電流環(huán)的近似條件是式中3ci 電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。同時把給定信號改如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，為U*(s).則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖2 3b所示，從這里可以看出兩個濾波時間常數(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)個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為TSi= Ts Toi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖2 3c所示。簡化的近似條件為3ci省僉PACR治十1(a)忽略反電動勢的動態(tài)影響(b)等效成單位負反饋應(yīng))(c)小慣性環(huán)節(jié)近似處理圖23電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化2.3.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計從穩(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 2-3c可 以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在 突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時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)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇t=T(2 7)則電流環(huán)的動態(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)將用過的假定條件歸納如下，以便具 體設(shè)計時校驗。(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、動勢變化對電流環(huán)的動態(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，見式26,待定的只有Ki，可根據(jù)所需要的動態(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%上升時間troO6.6T4.7T3

12、.3T2.4T峰值時間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，如果對電流環(huán)的抗擾性能也有具體的要求， 還得再校驗一下抗擾 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，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，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(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 將給定信號改成U；(s). a,再把時間常數(shù)為1 K和Ton的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起Ton來，近似成一個時間常數(shù)為T.n的慣性環(huán)節(jié)，其中(221)則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡化成圖 2 6b由于需要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，而且在后面已經(jīng)有一個積分環(huán)節(jié)， 因此轉(zhuǎn)速環(huán)開 環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)， 所以應(yīng)該設(shè)計成

15、典型U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)等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性系統(tǒng)的近似處理空心)化嚴1)(C)校正后成為典型H型系統(tǒng) 圖2 6轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為不考慮負載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(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，要看動態(tài)性能的要求決定。244轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(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中計算可知此時轉(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，可通過改變 三駐、T.n、Tm大小來調(diào)節(jié)，但改變 空怛需改變Cb-Cbh,同時會影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，并且通過計算不能達到系統(tǒng)所需超調(diào)要求；而 Tm 屬于發(fā)電機固有屬性參數(shù)，不易改變，因此選擇改變 Tf來調(diào)節(jié)。同時由于Tn和 6成正比關(guān)系， J變小時超調(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，通過參數(shù)計算得到此時仿真模型如下圖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，此時轉(zhuǎn)速超調(diào)明顯減小，電流波形也得到改善，調(diào)節(jié)時間基本無變化，說明選取Ton =0.005是一個很好的參數(shù)，并且通過計算驗證可以得到此時 轉(zhuǎn)速超調(diào)為 n =5.2%,小于8%完全符合設(shè)計任務(wù)要求。同時，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)條件下會是系統(tǒng)振蕩，此時轉(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)過短時間調(diào)節(jié)后均可達到穩(wěn)定，驗證了系 統(tǒng)的穩(wěn)定性，此時系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間約為 0.35s，小于0.5s，符合設(shè)計任務(wù)要求?？偨Y(jié)課程設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗， 而且也是對自己能力的一種提 高?？梢哉f，本次課程設(shè)計令我獲益匪淺。首先，讓我有機會學(xué)以致用，并且查缺補漏，將老師在課堂上講述過的內(nèi)容 應(yīng)用到具體實踐中來，對于抽象的知識有了具體而生動的認識， 更加意識到實踐 與理論的區(qū)別，在實際生產(chǎn)中要考慮許多外界因素， 而在理論學(xué)習(xí)時則更多的是 在理想環(huán)境下進行的，這是我今后從事這