畢業(yè)設(shè)計(jì)論文—直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在 電氣傳動中獲得了廣泛應(yīng)用。為了獲得可調(diào)的宜流電壓，利用電力電子器件的完全可 控性，采用脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變?nèi)诵『蜆O性的直流電壓 作為電動機(jī)的電樞端電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱為宜流脈寬調(diào)速 系統(tǒng)。木設(shè)計(jì)建立了基于脈寬調(diào)制的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并分析 了系統(tǒng)的基本原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)直流脈寬調(diào) 速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，采用matlab 軟件對直流電動機(jī)雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，并查看仿

2、真波形，以此驗(yàn) 證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)是否可行。本文在matlab環(huán)境下建立了雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 模型，并對系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了仿真測試，與此同時建立了一套單閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行對比 測試，表明所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能， 達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng)；脈寬調(diào)制；轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)；仿真abstractbeing widely used in electrical transmission, dc (direct current) speed control system has the advantages of wide speed range, high

3、accuracy, good dynamic performance, and it is easy to control. to achieve adjustable dc voltage, using the full controllability of the power electronic devices and pulse width modulation technology, a constant dc voltage is modulated directly into variable size and polarity, which is used as the mot

4、or armature terminal voltage to achieve smooth speed control of the system, this speed control system is known as the dc pwm (pulsc-width-modulation) speed control system.a mathematical model based on speed and current double closed loop dc speed control of pwm is established in this paper and its p

5、rinciple, static and dynamic performance arc analyzed. then the system parameters are designed, analyzed and calculated according to the automatic control theory also, the speed control system of dc motor double closed loop is simulated by use of matlab, and the simulation waveforms are viewed in or

6、der to verify whether the design of the speed control system is feasible or not. a double closed loop dc pwm system model is established in the matlab environment, and the system performance is simulated and tested at the same time, a single closed loop system is also established to carry out the co

7、mparison test, indicating that the operation of the design of double closed loop pwm system is stable and reliable and the system has a good static and dynamic performance, which can meet the design requirements.key words: dc speed control system, pulse width modulation, speed and current double clo

8、sed loop, simulation摘要iabstractii目錄iii1緒論1l1直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)簡介11.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史11.3采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義21.4論文的主要研究內(nèi)容32pwm脈寬調(diào)制42pwm基本介紹42.2h橋pwm變換器基本原理43轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡介73.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖73.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)結(jié)構(gòu)圖74系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)104.1系統(tǒng)建立104.2系統(tǒng)參數(shù)選取104.2.1 pwm變換器滯后時間常數(shù)104.2.2反饋系數(shù)的確定104.2.3電流調(diào)節(jié)器acr的參數(shù)計(jì)算114.2.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的參數(shù)計(jì)算114.2.5電動機(jī)參

9、數(shù)計(jì)算125采用matlab對系統(tǒng)進(jìn)行仿真135仿真模型的建立與設(shè)置135.1.1電機(jī)模塊的設(shè)置135.1.2給定信號的建立145.3 asr、acr模塊的建立145.1.4 pwm及橋式電路模塊的建立165.1.5其他模塊的設(shè)置175.2單閉環(huán)系統(tǒng)仿真175.2.1仿真模型175.2.2仿真結(jié)果175.3雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真195.3.1仿真模型195.3.2仿真結(jié)果195.4結(jié)果分析21結(jié)論23致謝24參考文獻(xiàn)251緒論1.1直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)簡介直流調(diào)速是指人為地或口動地改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械的要求。從 機(jī)械特性上看，就是通過改變電動機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機(jī)的機(jī)械特

10、性，從而改變電動機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn),使電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā) 生變化。脈寬調(diào)制，是利用電力電子開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流電壓變成連續(xù)的直流脈 沖序列，并通過控制脈沖的寬度或周期達(dá)到變壓的目的。所采用的電力電了器件都為全 控型器件,如電力晶體管、功率mosfet. igbt等。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制技術(shù)， 直接將恒定的直流屯壓調(diào)制成可變?nèi)诵『蜆O性的直流屯壓作為屯動機(jī)的屯樞端屯壓，實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，簡稱言流pwm調(diào)速系統(tǒng)。pwm調(diào)速系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性：(1) pwm調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡

11、單，需用的功率器件少；(2) 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；(3) 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到1:10000左右；(4) 如果可以與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能 力強(qiáng)；(5) 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也 不大，因而裝置效率較高；(6) 直流電源采用不可控整流時，屯網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。1.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史直流傳動具冇良好的調(diào)速特性和轉(zhuǎn)矩控制性能，在工業(yè)生產(chǎn)屮應(yīng)用較早并沿用至 今。早期直流傳動釆用冇接點(diǎn)控制，通過開關(guān)設(shè)備切換直流電動機(jī)電樞或磁場回路電阻 實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速。1

12、930年以后出現(xiàn)電機(jī)放大器控制的旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組供電給直流電動機(jī)(由 交流電動機(jī)m和直流發(fā)電機(jī)g構(gòu)成，簡稱g-m系統(tǒng))，以后又出現(xiàn)了磁放大器和汞弧 整流器供屯等，實(shí)現(xiàn)了直流傳動的無接點(diǎn)控制。其特點(diǎn)是利用了直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸 入電壓冇著簡單的比例關(guān)系的原理，通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵磁電流或汞弧整流器的觸 發(fā)相位來獲得可變的宜流電壓供給宜流電動機(jī)，從而方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)速。但這種調(diào)速方法 后來被晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)所取代，至今已不再使用。1957年晶閘管 問世后，采用品閘管相控裝置的可變宜流電源一宜在宜流傳動中占主導(dǎo)地位。由于電力 電子技術(shù)與器件的進(jìn)步和晶閘管系統(tǒng)具有的良好動態(tài)性能，使直流調(diào)速

13、系統(tǒng)的快速性、 可靠性和經(jīng)濟(jì)性不斷提高，在20 ttt紀(jì)和當(dāng)長的一段時間內(nèi)成為調(diào)速傳動的主流。今天 正在逐步推廣應(yīng)用的微機(jī)控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)具有高精度、寬范圍的調(diào)速控制， 代表著直流電氣傳動的發(fā)展方向。在實(shí)際應(yīng)用中，電動機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機(jī) 電能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電 動機(jī)的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影 響。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展,20世紀(jì)末以交流調(diào)速為主導(dǎo)方向調(diào)速系統(tǒng) 趨完善，其性能可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，她的控制技術(shù)已

14、居于世界先進(jìn)水平。但曲于 造價較高，口前在國內(nèi)應(yīng)用局限性較大，在較短的時間內(nèi)難以取代較為落后的直流調(diào)速。 和對而言，pwm調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了這個空白。pwm調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單, 功率元件少，開關(guān)頻率高，其控制水平從1khz可到達(dá)4kh乙電機(jī)電流連續(xù)，低速性能 好，諧波少，穩(wěn)態(tài)精度高，脈動小，損耗和發(fā)熱都較小，調(diào)速范圍快，調(diào)速系統(tǒng)頻帶寬, 快速響應(yīng)好，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。特別是近幾年大功率ctr、gto、igbt的相繼問世，促使其生產(chǎn)水平已達(dá)到4500v、 2500a,組成的pwm變換器用來驅(qū)動上千千瓦的電動機(jī)，廣泛用于交通、工礦企業(yè)等 電動傳動系統(tǒng)中，因此對pwm調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，在調(diào)

15、速精度要求較高的場合， 對解決傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速精度低、穩(wěn)定性差的難題，具有廣泛的意義和價值2】。1.3采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速 系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基 礎(chǔ)。首先，應(yīng)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性；然后，在建 立該系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個 調(diào)節(jié)器的作用；第三，研究一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法，和經(jīng)典控制理論的動態(tài)校

16、正方 法相比，得出該設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，即計(jì)算簡便、應(yīng)用方便、容易掌握；第卩l(xiāng)|,應(yīng)用工程 設(shè)計(jì)方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)問題，等等。通過對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的 基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對 該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其 使用效率。并以此為基礎(chǔ)，再對交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系 統(tǒng)的原理，使z能夠應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個生產(chǎn)領(lǐng)域習(xí)。1.4論文的主要研究內(nèi)容本文從脈寬調(diào)制器的基本原理和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)入手，建立了雙閉環(huán)直流脈寬 調(diào)

17、速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了該系統(tǒng)的工作原理。然后按照自動控制原理，該調(diào) 速環(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simulink對系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給 定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。木文的主要工作：設(shè)計(jì)pwm脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路和控制環(huán)節(jié)，在matlab中實(shí)現(xiàn)pwm 脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真。主要設(shè)計(jì)任務(wù)：(1) 了解pwm脈寬調(diào)制技術(shù)的原理和主電路實(shí)現(xiàn)方案；(2) 熟悉pwm脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理；(3) 掌握pwm脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)主電路的組成，掌握pwm脈寬調(diào)制直流調(diào) 速系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)的組成和工作原理；(4) 完成pwm脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)和

18、仿真實(shí)驗(yàn)。2 pwm脈寬調(diào)制 2. 1 pwm基本介紹脈寬調(diào)制的基木原理：脈寬調(diào)制是利用電力電了開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流電 壓變成連續(xù)的直流脈沖序列，并通過控制脈沖的寬度或周期達(dá)到變壓的目的。所采用的 電力電子器件都為全控型器件，如電力晶體管、功率mosfet. igbt等。pwm變換器調(diào)壓與品閘管相控調(diào)壓相比冇許多優(yōu)點(diǎn)，如需要的濾波裝置很小其至 只利用電樞電感已經(jīng)足夠，不需要外加濾波裝置，電動機(jī)的損耗和發(fā)熱較小、動態(tài)響應(yīng) 快、開關(guān)頻率高、控制線路簡單等。為達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電動機(jī)都是在閉環(huán)控制卜運(yùn)行。經(jīng)常采用 的閉壞系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截止負(fù)反饋。使宜流電動機(jī)在起動過程中

19、輸出最大 的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)屯樞電流保持最犬允許值 吋，電動機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如 果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)同。2.2 h橋pwm變換器基本原理脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，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。本文采用轉(zhuǎn)速、屯流雙閉環(huán)控制的h型雙極式pwm直流調(diào)速系統(tǒng)，電動機(jī)m兩 端電壓uab的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓的極性變化而變化。通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān) 斷吋間，即占空比，可以達(dá)到對宜流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的目的。h型雙極性

20、pwm變換器如 圖2.1所示。雙極式控制可逆pwm變換器的四個驅(qū)動電壓波形如圖2.2所示。o5ug4vd2 vi”vt)vt4vtj vt4vl>2 vdjo"ontt% ug3圖2.2雙極式控制可逆pwm變換器的驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形它們的關(guān)系是：億產(chǎn) = -% = -在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)ogg"時，晶體 管 vt1、vt4 飽和導(dǎo)通而 vt2、vt3 截止，這時 c/ab=t7s o 當(dāng) /on <t<t 時，vt1、vt4 截止，但vt2、vt3不能立即導(dǎo)通，電樞電流心經(jīng)vd2、vd3續(xù)流，這時t/ab = -t/so 在u醴一個周期內(nèi)正負(fù)相間

21、，這是雙極式pwm變換器的特征，其電壓、電流波形如圖 2.2所示。電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬吋，/on>|, 則dab的平均值為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄吋，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，t/on=-,平均輸出電壓為零，則電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。ud雙極式控制可逆pwm變換器的輸出平均電壓為：1） 5如果定義占空比° =俎，電壓系數(shù)y =匕,則在雙極式可逆變中:tusy = 2p-l調(diào)速時，卩的可調(diào)范圍為01,相應(yīng)的廠-11。當(dāng)°1/2時，了為正，電動機(jī)正 轉(zhuǎn);當(dāng)pvl/2時，了為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)q = 1/2時，/ = 0,電動機(jī)停止。但是電

22、動 機(jī)停止時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轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡介3.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖3.1所示。圖3.1中，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr和電流調(diào)節(jié)器acr分別對轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，二 者z間實(shí)行串級連接。把速度調(diào)節(jié)器的輸岀作為電流調(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)。為了獲得良好的靜、 動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr和電流調(diào)節(jié)器acr-般選擇pi調(diào)節(jié)器，兩個調(diào)節(jié)器的輸 出都帶有限

23、幅。3.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(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)圖屮，傳速調(diào)節(jié)器asr的輸出限幅值決定了電流 給定的最大值，電流給定的輸岀限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。分析 系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握pi調(diào)節(jié)器的特征，pi調(diào)節(jié)器一般存在兩種狀況：飽和即輸岀 達(dá)到限幅值，不飽和即輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，就不再受輸入的影響了， 相當(dāng)于調(diào)節(jié)器開環(huán)，調(diào)節(jié)器工作于非線性段，11輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸 出，除非冇反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退飽和。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，調(diào)節(jié)器工作于線性段 才起調(diào)節(jié)作用，pi調(diào)節(jié)器的作用是使輸入偏差電壓始終為零。實(shí)際上在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器始終為

24、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3.2所示。圖3.2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)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.3所示。圖3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖只要把各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)填入雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)圖中相應(yīng)的方框內(nèi)， 便可繪制出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。在圖3.3中化src）和化crc）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，在電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖上必 須把電流人標(biāo)示出來。電機(jī)在啟動過程中，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)，整個動態(tài)過程可分為圖3.4中的三個階段。轉(zhuǎn)速、電流雙閉

25、環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在 突加階躍給定的起動屮，巧妙的運(yùn)用了 asr的飽和非線性，使系統(tǒng)成為一個恒流調(diào)節(jié) 控制系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形如圖3.4所示。圖3.4雙閉壞直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形圖3.4中所示的啟動過程，階段i是電流上升階段，電流從0到達(dá)最大允許值/皿， asr飽和、acr不飽和；階段ii時恒流升速階段，厶基本保持在電動機(jī)加速到了 給定值"，asr飽和、acr不飽和；階段iii時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（退飽和階段）,asr不 飽和、acr不飽和。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程利用飽和非線性控制，獲得了準(zhǔn)吋間最優(yōu)控制，但 卻帶來了轉(zhuǎn)速超調(diào)。4系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)4.

26、1系統(tǒng)建立雙閉環(huán)pwm直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用h橋式電路；控制電路采用典型的轉(zhuǎn)速、電 流雙閉環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr設(shè)置輸出限幅。以限制最大起動電流。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的 需要，當(dāng)給定電壓后，asr輸出飽和，電機(jī)以最大的允許電流起動。使得電機(jī)轉(zhuǎn)速很快 上升，而達(dá)到給定的速度后轉(zhuǎn)速超調(diào)，asr退飽和，電機(jī)電樞電流下降，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié) 器的調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)。有一轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的h形雙極式pwm直流可逆調(diào)速系統(tǒng)，已知電動機(jī)參數(shù) 為：厲=200w, /n=48v , zn=3.7a, z?n=200r/min ,電樞電阻7?a=6.5q,電樞回路總 電阻為7?=8q,允許電流過載倍數(shù)2=2；

27、電磁時間常數(shù)7；=0.015s,機(jī)電時間常數(shù)為 a=0.2s,屯流反饋濾波吋間常數(shù)=0.0018,轉(zhuǎn)速反饋濾波吋間常數(shù)7；）n=0.005s o設(shè)調(diào) 節(jié)器輸入輸岀電壓監(jiān)產(chǎn)c=10v,屯力電子開關(guān)頻率%f= 1 khzo試對該系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài) 參數(shù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)指標(biāo)為：穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量<0.5%,空載起動到額定轉(zhuǎn)速吋的 轉(zhuǎn)速超調(diào)量n<20%,過渡過程吋間rs <0.1s o4. 2系統(tǒng)參數(shù)選取pwm控制與變換器的動態(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q改變時，pwm變換器輸出平均電壓q按現(xiàn)行規(guī)律變化，但其響應(yīng)會有延遲，最人 的時延是一周開關(guān)周期卩。4.2.1 p

28、wm變換器滯后時間常數(shù)pwm裝置的延遲時間ts<t,變換器滯后時間常數(shù)一般選取為:7；亍 0.001s其中，/為開關(guān)器件igbt的頻率。4. 2. 2反饋系數(shù)的確定轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為：a =如=0.05v min/r 仏 200電流反饋系數(shù)為：*0 =紐=_ = 1 351v/a 心 2x3.74.2.3電流調(diào)節(jié)器acr的參數(shù)計(jì)算電流環(huán)小時間常數(shù)為：t=toi+ts= 0.001 + 0.001 = 0.002s電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)為：fj = 7 = 0.015s電流環(huán)開環(huán)增益：要求<5%,根據(jù)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)系可知，應(yīng)取k禺嚴(yán)0.5,因此：0.5

29、 _ 0.57 - 0.002=250s-1于是，acr的比例系數(shù)為:” _ k&r _ 250x0.015x8 _ ” “kj3 4.8x1.3514. 2. 4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的參數(shù)計(jì)算為了加快轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型ii型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選中頻段寬度力=5。 電流環(huán)超前吋間常數(shù)為：力鼻=5x0.009 = 0.045s轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)為：t* = 2心 + ： = 0.004 + 0.005 = 0.009s轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益為：= 1481.5 十_ /? + 1 _5 + 1“ 一 2t 一 2x25x0.0092可得asr的比例系數(shù)為:（力+ 1）06盂2hart”6xl.351x

30、012x022x5x0.05x8x0.009=544. 2. 5電動機(jī)參數(shù)計(jì)算=0.11975厶弋= 0.2a30 c =1.246h 兀if其中，cc為電動機(jī)常數(shù)，5、心分別為勵磁電壓和勵磁電阻，人、人、人、 分別為電動機(jī)額定屯壓、屯樞屯阻、額定屯流、額定轉(zhuǎn)速和勵磁屯流。5采用matlab對系統(tǒng)進(jìn)行仿真5.1仿真模型的建立與設(shè)置轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)在matlab中的仿真中，主電路由直流電動 機(jī)木體模塊、universal bridge橋式電路模塊，負(fù)載和電源組成?？刂齐娐酚山o定信號、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr、電流調(diào)節(jié)器acr、pwm發(fā)生器、濾波環(huán)節(jié)、延遲環(huán)節(jié)等組成。5.1.1電機(jī)模塊的

31、設(shè)置電動機(jī)采用dc machine模塊，其模型和參數(shù)如圖5.1所示。° f _jslilflj°dc machin已圖5.1電動機(jī)模型及參數(shù)設(shè)置5.1.2給定信號的建立為了反映出此系統(tǒng)能夠在四象限運(yùn)行，給定信號從10到一10再到10,故給定信號 模型采用多重信號疊加，運(yùn)用了 constant、sum模塊組成，給定信號模型及參數(shù)設(shè)置如 圖5.2所示。steplh source block para me tes: stepsource block parameters: stepl圖5.2給泄信號模型及參數(shù)設(shè)置5. 1.3 asr、acr模塊的建立asr、acr采用discr

32、ete pi controller模塊即離散型pi控制器模塊，asr、acr模 型和參數(shù)如圖5.3和圖5.4所示。圖5.3 asr模型及參數(shù)參數(shù)設(shè)置acr圖5.4 acr模型及參數(shù)設(shè)置5. 1.4 pwm及橋式電路模塊的建立pwm發(fā)牛器采用兩個discrete pwm generator模塊，橋式電路模塊采用universal bridge模塊。pwm發(fā)生器模型及封裝后子系統(tǒng)和橋式電路模塊如圖5.5和圖5.6所示。> in1 outl >pwm圖5.5 pwm發(fā)化器模型及封裝后子系統(tǒng)0 block parameters: universal bridgeuniversal brid

33、ge (nask) (link；this block inplenent a bridge of selected power e： snubber circuits are connected in parallele;for suggested snubber values when the acdel is di: applications the internal induetance lon of diode: to zeroparaaexuaber of bridge arzns: 2snubber resistance rs (ohas)le5snubber capacitanc

34、e cs (f)infuniversal bndgelb 口power electoronic device mosfe7 / diodesron (ohzns)le-3weasurevents i none|川|卜okcancelhelpapply圖5.6橋式電路模塊pwm模塊自帶三角波，其幅值為1,且輸入信號在t與1之間，輸入信號同三角 波信號相比較，比較結(jié)果大于0吋，占空比大于50%, pwm波表現(xiàn)為上寬下窄，電動 機(jī)止轉(zhuǎn)；當(dāng)比較結(jié)果小于0而大于-1時，占空比小于50%, pwm波表現(xiàn)為上窄下寬， 電動機(jī)反轉(zhuǎn)，此模塊調(diào)制波設(shè)為外設(shè)，載波頻率為lkhzo其次由于電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，h 橋?qū)莾晒?/p>

35、觸發(fā)信號一致，為此采用select模塊，參數(shù)設(shè)置input type為vector> elements為1 2 4 3,使得pwm發(fā)生器信號同h橋?qū)莾晒苡|發(fā)信號相對應(yīng)罔。橋式模塊采用universal bridge橋式模塊，其參數(shù)設(shè)置為：整流橋臂數(shù)為2,電力電 了裝置為mosfet/diodes,其他參數(shù)為模型默認(rèn)值。5.1.5其他模塊的設(shè)置由tacr輸岀的數(shù)值在t010之間，為使acr輸出的數(shù)值同pwm發(fā)生器輸入信號 和對應(yīng)，在asr輸出端加了一個gain模塊，參數(shù)為0.1。這樣，當(dāng)asr輸出限幅1吋，pwm 輸入端pwm發(fā)生器為1,占空比為1；當(dāng)asr輸出限幅為-10時，pwm輸入

36、端為-1,占空 比為0。pwm發(fā)生器的載波頻率為1khz, jt直流電源參數(shù)為48vo由于電動機(jī)輸岀信號時角 速度勸須將其傳化成轉(zhuǎn)速（77二600/2兀）。5.2單閉環(huán)系統(tǒng)仿真為了更好的與雙閉環(huán)pwm調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行對比，了解雙閉環(huán)pwm調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越 性，為此本文先進(jìn)行單閉環(huán)pwm調(diào)速系統(tǒng)的定性仿真。主電路由直流電動機(jī)本體模塊，universal bridge橋式電路模塊、負(fù)載模塊、電源模 塊組成。電動機(jī)本體模塊參數(shù)為默認(rèn)值。電源參數(shù)為220v,勵磁電源為220v,負(fù)載為 50o控制電路由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr、pwm發(fā)生器、轉(zhuǎn)速反饋和給定信號等組成。pwm 模塊載波頻率為1080 khz,反饋系數(shù)為

37、0.1,給定信號開始為10,在2s時給定信號變 為-10。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置：仿真中所選擇的算法為ode23tb, start設(shè)為0, stop設(shè)為5s。5.2.1仿真模型單閉環(huán)直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖5.7所示。5. 2. 2仿真結(jié)果單閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流曲線如圖5.8和圖5.9所示。20100-10-20-3012345時間(s)圖5.9單閉環(huán)直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)電流曲線圖o o o5 4 3(p)攜tf5.3雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真5.3.1仿真模型雙閉環(huán)pwm直流調(diào)速系統(tǒng)的定量仿真模型如圖5.10所示。在雙閉環(huán)pwm直流調(diào) 速系統(tǒng)模型中把工程設(shè)計(jì)方法得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)運(yùn)用到了仿真模

38、型中。雙閉環(huán)pwm直流調(diào)速系統(tǒng)與單閉環(huán)pwm直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路相同，由給定模 塊，直流電動機(jī)本體模塊、universal bridge橋式電路模塊、負(fù)載模塊、電源模塊組成。 只是負(fù)載轉(zhuǎn)矩參數(shù)設(shè)置為0,直流電源參數(shù)設(shè)置為48vo橋式電路模塊參數(shù)設(shè)置為：橋 骨數(shù)為2,電力電子裝置設(shè)為mosfet/diodes，其他參數(shù)為默認(rèn)值?？刂齐娐酚蔀V波環(huán) 節(jié)、延遲環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)等組成，并根據(jù)工程設(shè)計(jì)方法得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)應(yīng)用到各個模 塊。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置：仿真中所選擇的算法為ode23tb, start設(shè)為0, stop設(shè)為12s。5. 3. 2仿真結(jié)果雙閉環(huán)pwm調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流曲線如圖5.11和圖5.

39、12所示。圖5.10雙閉環(huán)山流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型24681012時間（s）ooooooooo5 0 5 0 5 5 0 52 2 11 - 1 1 (upvjso oo 52 2圖5.11雙閉環(huán)pwm克流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速曲線圖l o-824681012時間(s)圖52雙閉環(huán)pwm w流調(diào)速系統(tǒng)電流曲線圖5. 4結(jié)果分析從仿真結(jié)呆可以看出，在單閉環(huán)直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)性能要好于晶閘管控制的調(diào) 速系統(tǒng)，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速上升快，動態(tài)響應(yīng)較快，開始起動階段，功率器件處于全開狀態(tài)， 電流波動不大。但當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，電力電子開關(guān)頻率較高，電流呈脈動形式。在雙閉環(huán)直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)給定信號為10v時，在電動機(jī)啟動過程中， 電流調(diào)節(jié)器作用下的電動機(jī)電樞電流接近最大值，使得電動機(jī)以最優(yōu)時間準(zhǔn)則開始上 刃，最高轉(zhuǎn)速236r/mim穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速為200r/min；給定信號變成tov時，屯動機(jī)從電 動狀態(tài)變成制動狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為零吋，電動機(jī)開始