雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及MATLAB仿真驗(yàn)證

1、精品文檔雙閉環(huán)可逆直流脈寬 PWM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及 MATLAB 仿真隨意編輯目錄目錄 1中英文摘要 2摘要 2Abstract 2正文 3雙閉環(huán)可逆直流脈寬 PWM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3設(shè)計(jì)分析 3主電路設(shè)計(jì) 9電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算 1.1信號(hào)產(chǎn)生電路 1.3GTR 驅(qū)動(dòng)電路原理 1.4輔助回路設(shè)計(jì) 1.5轉(zhuǎn)速給定電路設(shè)計(jì) 1.6轉(zhuǎn)速檢測(cè)設(shè)計(jì) 1.6MATLAB 仿真設(shè)計(jì) 1.7.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖 1.7仿真結(jié)果 1.8.結(jié)果分析 2.2.總結(jié) 2.3.參考文獻(xiàn) 2.4.中英文摘要摘要直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑 調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工業(yè)等工業(yè)

2、部門(mén)中得到廣泛應(yīng)用。直流時(shí) 機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可以分為兩類(lèi)，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。本文主要 研究直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電 動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)， 一直在傳動(dòng)領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。本文對(duì)雙閉環(huán)可逆直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究，從直流調(diào)整 系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了閉環(huán)直流 PWM 調(diào)整系統(tǒng)的模型。AbstractWith dc motor speed control is easy, rev, braking performance is good, smooth and in wide range

3、 speed adjustment characteristics in metallurgy, machinery manufacturing, light industry, etc. Is widely used in the industrial sector. The rotational speed of dc timing control method can be divided into two categories, namely excitation control method with the armature voltage control method. This

4、 paper mainly studies the dc speed regulation system, it mainly consists of three parts, including parts, power control, direct current motor. For a long time, the dc motor because of its adjustment speed is more flexible, simple method and so on, have been occupied dominant position in the field of

5、 transmission.In this paper, the double closed-loop irreversible dc PWM speed regulating system, a further study from the principle of dc adjusting system, gradually establish a closed-loop dc PWM adjustment model of the system.雙閉環(huán)可逆直流脈寬 PWM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)分析雙閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖直流 PWM 控制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)， 與晶閘

6、管直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別在于用直流 PWM 變換器取代了晶閘管變流裝置，作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)構(gòu)成原理圖如下所示：直流PWM傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中屬于脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)主要由調(diào)制波發(fā)生器 GM、脈寬調(diào)制器UPM、 邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD和電力晶體管基極的驅(qū)動(dòng)器 GD和脈寬調(diào)制（PWM ）變換 器組成。最關(guān)鍵的部件為脈寬調(diào)制器。模擬式脈寬調(diào)制器本質(zhì)為電壓-脈沖變換裝置，它是由一個(gè)運(yùn)算放大器和幾 個(gè)輸入信號(hào)構(gòu)成電壓比較器。去處放大器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，在電流調(diào)節(jié)器的輸 出控制信號(hào)U c的控制下，產(chǎn)生一個(gè)等幅、寬度受 U c控制的方波脈沖序列，為 PWM變頻器提供所需的脈沖信號(hào)。脈寬調(diào)制器按所加輸入端調(diào)制信號(hào)不同

7、， 可分為鋸齒波脈寬、三角波脈寬調(diào)制器。目前就用較多脈寬調(diào)制信號(hào)由數(shù)字方 法來(lái)產(chǎn)生，如專(zhuān)用集成PWM控制電路及單片微機(jī)所構(gòu)成的脈寬調(diào)制器。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極 聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控 制PWM裝置。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是：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，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是

8、在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程(b)理想快速起動(dòng)過(guò)程圖2調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形H橋式可逆PWM變換器的工作原理PWM控制的示意圖如圖3所示:可控開(kāi)關(guān)S以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通 和斷開(kāi)，當(dāng)S接通時(shí)，供電電源Us通過(guò)開(kāi)關(guān)S施加到電動(dòng)機(jī)兩端，電源向電 機(jī)提供能量，電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能：當(dāng)開(kāi)關(guān) S斷開(kāi)時(shí)，中斷了供電電源 Us向電動(dòng)機(jī)電 流繼續(xù)流通。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的電壓平均值 Uas為:Uas =t on Us/T=U as在系統(tǒng)主電路部分，采用的是大功率GTR為開(kāi)關(guān)元件、H橋電路為功率放 大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)，如圖

9、4所示。圖中，四只GTR分為兩組，VT1和 VT4為一組，VT2和VT3為另一組。同一組中的兩只 GTR同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān) 斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷。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，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電 機(jī)轉(zhuǎn)速。圖4 : H橋式可逆PWM變換器正向運(yùn)行（如圖a）所示:第1階段，在0<t wton期間，Ub1、Ub4為正，VT1、VT4導(dǎo)通，Ub2、Ub3為負(fù)，VT2、VT3截止，電流id沿回路1流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓Uab=+U s；第2階段，在ton <t<T期間，Ub1、Ub

10、4為負(fù)，VT1、VT4截止，VD2、VD3續(xù)流，并使VT2、VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓 Uab=-U s；反向運(yùn)行（如圖b）所示:第1階段，在0<t wton期間，Ub2、Ub3為負(fù)，VT2、VT3截止，VD1、VD4續(xù)流，并使VT1、VT4截止，電流-id沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓Uab=+U s；第2階段，在ton <t<T期間，Ub2、Ub3為正，VT2、VT3導(dǎo)通，Ub1、Ub4為負(fù)，使VT1、VT4保持截止，電流-id沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電 壓 Uab=-U so雙極式控制的橋式可逆PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)：（1 ）電流一定連續(xù)；（2

11、 ）可使電機(jī)在四象運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1 : 20000 左右；（5）低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠通。tA i+qT7.J dEfdT-t-5a.正向電動(dòng)運(yùn)行波行雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為：r Tt (It U嚴(yán)也U=玉一1 UT y T I T主電路設(shè)計(jì)H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖 5所示。PWM逆變器的直流 電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒定 的直流電壓由于電容量較大，突加電源時(shí)相當(dāng)短路，勢(shì)必產(chǎn)生很大的充電電流， 容易損壞整流二極管

12、。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流 電阻或電抗)，合上電源以后，延時(shí)用開(kāi)關(guān)將短路，以免在運(yùn)行中造成附加損耗。濾波電容器往往在PWM裝置的體積和重量中占有不小的份額，因此電容 量的選擇是PWM裝置設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。但對(duì)于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用。由于直流電源圖5 :橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖元件的選擇與參數(shù)的計(jì)算直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械裝置系統(tǒng)。主要?jiǎng)訖C(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)為：Un=48V ,In=3.7A , nN=200r/min,R d=6.5 Q,電樞回路總電阻 R=8 Q,電樞回路電磁時(shí)間 常數(shù)Tt=5ms,機(jī)電時(shí)間常

13、數(shù)Tm =200ms,電源電壓Us=60V，給定值和ASR、 ACR的輸出限幅值均為10V,電流反饋系統(tǒng)B =1.33V/A，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a=0.05V min/r，電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比Ce=0.18V min/r。調(diào)速范圍D=2 ;系統(tǒng)飛輪矩（含電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）GD2=100Nm 2;主電源：可以選擇單相交流220V供電, 變壓器二次電壓為67V ; PWM裝置的放大系數(shù)Ks=4.8 ; PWM裝置的延遲時(shí)間 Ts=0.4ms。技術(shù)指標(biāo)和要求：電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)可逆運(yùn)行。要求穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts W).1s ,電流超調(diào)量6 i% <5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量6 i% <

14、;10%。電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算按典型I型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型的，其傳遞函數(shù)為Wacr(s)KiiS要求得具體參數(shù)，則需要知道Ki及i，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 0005則可得到電流環(huán)放大系數(shù)Kt iRKsB ，要求i<5%即可取K, T2 i=0.5有KiCO ci12T2 i則可得到KiT|R2Ks TiR 一 |2kT()T|其中 T i Ts Toi，Toi =0.005s，選取時(shí)間常數(shù)Ts 0.0004s,則有T i 0.0054 ;R 8 ;Ks=4.8， p =1.33則可求得Ki 0.58則有電

15、流環(huán)傳遞函數(shù)為:WAcR(S)0.5&0.00SS 1)0.00JS此時(shí)電流超調(diào)量i=4.3%，小于5%，符合系統(tǒng)要求。KnTnS 1)，又由式TnS轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算 由公式（1-22 ）可知轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 Wasr（s）（1-21 ）及（1-23 ）可求得1n h (Ton )Ki選取h 5，已知Ton=0.01s，則可得n 0.104s由公式（1-24 ）及（1-25 ）可求轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益 K及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的比例系數(shù)Kn，其中h 1K 27737IX (h 1) CeTmKn2h RTn其中 Tm=0.2s ；1.33 ; Ce=0.18 ;a=0.05則可求得Kn

16、3.45，貝U求得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器閉環(huán)傳遞函數(shù)為:Wasr(S)3-45(0-104S1)0.104s在退飽和的情況下，計(jì)算轉(zhuǎn)速超調(diào)有( C max)nbCbn2(*)(nN T n在h=5時(shí)有號(hào)=812%;=2;Tm =0.2s ；T n =0.0208s ; Ce =0.18 ; 空載啟動(dòng)時(shí)有z 0;即可求得0.21 6.5n 2 81.2% 20.180.0208 100%0.135%19000.2由此可見(jiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于要求的10%信號(hào)產(chǎn)生電路脈寬調(diào)制器用于生產(chǎn)控制 PWM變換器的功率器件通斷的PWM信號(hào)。常 用種類(lèi)有模擬式、數(shù)字式和專(zhuān)用集成電路。這里選用美國(guó)德克薩斯儀器公司 TL494專(zhuān)用集

17、成電路作為雙端輸出型脈寬調(diào)制器，其載波為鋸齒波信號(hào)，振蕩 頻率 f=1.1/(RTCT),其中 RT和 CT 取值范圍；RT=5 100K Q, CT=0.001 0.1 pF。1、2腳和15、16腳分別為兩個(gè)比較器輸入端；3腳為相位控制端；4腳 為死區(qū)控制端；5、6腳為振蕩器的C、R輸入端；8、9腳和11、10腳分別為 兩個(gè)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)晶體管的集電極和發(fā)射極，通過(guò)它們的發(fā)出脈沖可以控制變換器 開(kāi)關(guān)管的交替導(dǎo)通與截止；13腳為輸出狀態(tài)控制端，當(dāng)13腳為高電平時(shí)，兩 個(gè)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)晶體管交替導(dǎo)通，用于控制變換器的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，13腳為低電平時(shí)， 兩個(gè)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)晶體驅(qū)動(dòng)晶體管同時(shí)導(dǎo)通或截止，此時(shí)只能控制變換器

18、的一個(gè)開(kāi) 關(guān)管；14腳是控制器內(nèi)部輸出的+5V基準(zhǔn)參考電壓；12腳為控制器的電源輸 入端。1FN+ 匚1Q “2 I©2叫1【N-U215：IN-feedback U314REFdtcet413OUTPUT CTRLCTO512%RTO6HC2GNDU710E2ci cd89El圖1 TL4財(cái)管腳團(tuán)COS!GTR驅(qū)動(dòng)電路原理GTR驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)的作用是使GTR可靠的開(kāi)通與關(guān)斷，設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)考慮采用基極優(yōu)化驅(qū)動(dòng)方案。所謂優(yōu)化驅(qū)動(dòng)，就是以理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形去控制 GTR的開(kāi)關(guān)過(guò)程。在GTR的基極上多串幾個(gè)電位抬高二極管可以使 GTR工作在放大狀態(tài)，進(jìn)一步改善儲(chǔ)存時(shí)間GTR工作原

19、理圖輔助回路設(shè)計(jì)電源設(shè)計(jì)：此電路用于產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，其主要特點(diǎn)如下：輸出電壓高，紋 波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，電源變壓器充分利用，效率高。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電 阻兩側(cè)并聯(lián)電容器；或在整流電路輸出端與負(fù)載間串聯(lián)電感L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。轉(zhuǎn)速給定電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速給定電路主要由滑動(dòng)變阻器即可獲得相應(yīng)大小的給定信號(hào)。轉(zhuǎn)速給定 電路可以產(chǎn)生幅值可調(diào)和極性可變的階躍給定電壓或可平滑調(diào)節(jié)的給定電壓。 其電路原理如圖：轉(zhuǎn)速檢測(cè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速

20、反饋信號(hào)MATLAB仿真設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖如圖i所示:圖1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖其中，限幅值的計(jì)算為:cmU dmCen I d RKsKs0.23 200 3.7 2 14.811.1V仿真結(jié)果2.1有ACR限幅值1.啟動(dòng)電流，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速如圖2圖2啟動(dòng)電流，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速圖2. ASR、ACR輸出電壓波形如圖3圖3 ASR、ACR輸出電壓波形3.直流電壓Ud波形如圖4圖4直流電壓Ud波形2.2無(wú)ACR限幅值1.啟動(dòng)電流，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速如圖5圖5啟動(dòng)電流，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速2. ASR、ACR輸出電壓波形如圖6圖6 ASR、ACR輸出電壓波形3.直流電壓Ud波形如圖7圖 7 直流電壓

21、 Ud 波形結(jié)果分析由于系統(tǒng)在 2 秒前就穩(wěn)定了，設(shè)置參數(shù)時(shí)，在兩秒時(shí)加入負(fù)載，因此 兩秒前為空載啟動(dòng)， 由此可以觀測(cè)到空載啟動(dòng)啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量； 在 4 秒時(shí)設(shè)置轉(zhuǎn)速環(huán)斷線，由此可以觀測(cè)到斷線前與斷線后的輸出波形對(duì)比。 對(duì)比 ACR 有限幅與無(wú)限幅的波形后，可以得到 ACR 無(wú)限幅時(shí)，各項(xiàng)輸出幅值 都有所提高，與實(shí)際相符合，運(yùn)行結(jié)果正確。總結(jié)脈沖寬度調(diào)制 PWM ，就是指保持開(kāi)關(guān)周期 T 不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 t 對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。 PWM 控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響 應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)等領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的控制方式。在進(jìn)行設(shè)計(jì)之 前，我參考了一些資料，通過(guò)對(duì)這些設(shè)計(jì)方案來(lái)開(kāi)拓自己的思路。課程