運動控制pwm直流調速設計報告

1、湘潭大學控制系統(tǒng)設計課程設計報告學院：信息工程學院姓名：謝晗班級：11自動化1班學號：2011551633題目：PWM脈寬調制直流調速系統(tǒng)設計指導老師：易靈芝時間：2014年7月2日PWM脈寬調制直流調速系統(tǒng)設計及MATLAB仿真驗證第一章 系統(tǒng)概述1.1 設計目的1. 掌握轉速，電流雙閉環(huán)控制的雙極式PWM直流調速原理。2. 掌握并熟練運用MATLAB對系統(tǒng)進行仿真。1.2 設計題目轉速，電流雙閉環(huán)控制的H型雙極式PWM直流調速系統(tǒng)，已知：直流電動機：允許過載倍數=2；時間常數：=0.015s，=0.2s；PWM環(huán)節(jié)的放大倍數：=4.8,；電樞回路總電阻：R=1；電樞電阻Ra=0.5。調節(jié)器

2、輸入輸出電壓=10V.采用MATLAB對雙閉環(huán)系統(tǒng)進行仿真，繪制直流調速系統(tǒng)（Id=const）穩(wěn)定運行時轉速環(huán)突然斷線（1、有ACR限幅值；2、無ACR限幅值）仿真框圖，仿真得出啟動轉速，起動電流，直流電壓Ud，ASR,ACR輸出電壓的波形。并對結果進行分析。1.3 設計內容1 簡述設計題目及對題目的分析；2 簡述雙極式PWM直流調速系統(tǒng)原理；3 簡述電流環(huán)，轉速環(huán)的控制原理；4 對電流環(huán)、轉速環(huán)的參數進行計算選??； 5 根據電流環(huán)、轉速換的參數進行MATLAB仿真；第二章 轉速、電流雙閉環(huán)式的雙極式PWM直流調速系統(tǒng)2.1 雙極式PWM調速原理可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋

3、式（亦稱H形）電路，如圖2-1所示，電動機M兩端電壓的極性隨全控型電力電子器件的開關狀態(tài)而改變。圖2-1 橋式可逆PWM變換電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅動電壓的關系是：。在一個開關周期內，當0t<時 ，電樞電流id沿回路1流通；當t<T時，驅動電壓反號，id沿回路2經二極管續(xù)流，。因此，在一個周期內具有正負相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。2.2 雙極式PWM調速系統(tǒng)的優(yōu)缺點1 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電動機在四象限運行；（3）電動機停止時有微振電流，能消除靜磨擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍大；（5）低速時

4、，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。2 雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過程中，4個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。2.3 轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)原理2.3.1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的結構圖如圖2-2所示。圖2-2 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的結構圖圖中，把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，在用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作電流內環(huán)；速度換在外邊，稱作轉速外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙

5、閉環(huán)調速系統(tǒng)。2.3.2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖雙閉環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖如圖2-3所示。圖2-3 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖分析靜特性的關鍵是掌握PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出未到達限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的關系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。 實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和的兩種情況。2.3.3 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)

6、結構圖系統(tǒng)動態(tài)結構圖如圖2-4所示。圖2-4 系統(tǒng)動態(tài)結構圖 圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數，為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電流顯露出來。電機的啟動過程中轉速調節(jié)器經歷了飽和、退飽和、不飽和三種狀態(tài)。2.4 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的作用1. 轉速調節(jié)器的作用轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使轉速很快地跟隨給定電壓變化, 如果采用PI調節(jié)器，則可實現無靜差。對負載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流2. 電流調節(jié)器的作用在轉速外環(huán)的調節(jié)過程中，使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調節(jié)器的輸出；量的變化。對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉速動態(tài)過程中，

7、保證獲得電機允許的最大電流。當電動機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。第三章 系統(tǒng)參數的確定3.1 整流電路失控時間及濾波時間的確定3.1.1 整流電路平均失控時間常數失控時間是隨機的，它的大小隨電源電壓發(fā)生變化的時刻而變化，最大可能失控時間是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源和整流電路形式有關，由下式確定：式中f-交流電源頻率；m-一周內整流電壓脈沖數。相對于整個系統(tǒng)的響應時間來說，一般情況下取統(tǒng)計平均值，認為是常數。對于雙極式PWM直流調速系統(tǒng)，其晶閘管的開關頻率一般在10K赫茲以上，在此取3.1.2 電流濾波時間常數和轉

8、速濾波時間常數雙極式PWM電路每個波頭的時間為為了基本濾平波頭，應該選擇，根據所用測速發(fā)電機的紋波情況，取 3.2 反饋系數的確定轉速反饋系數 電流反饋系數 3.3 電流調節(jié)器參數的確定3.3.1 電流環(huán)小時間常數的計算按小時間常數近似處理，取3.3.2 電流調節(jié)器結構選擇根據設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可以按典型I型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可以用PI調節(jié)器，其傳遞函數如下：檢查對電源電壓的抗擾性能： 各項指標可以接受3.3.3 計算電流調節(jié)器的參數 電流調節(jié)器超前時間常數： 電源開環(huán)增益： 取=0.5 ，因此于是，ACR的比例系數為3.3.4 校驗近似條件 電流

9、環(huán)截止頻率： 1. 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數近似條件 滿足近似條件2. 校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 滿足近似條件3. 校驗電流環(huán)小時間常數近似處理條件 滿足近似條件3.3.5 計算調節(jié)器電阻和電容電流調節(jié)器原理圖如圖3-1所示，按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下： 取23 取0.65uF 取0.1uF按照上述參數，電流環(huán)可達到的動態(tài)跟隨性能指標為：=4.3%5% 滿足設計要求圖3-1 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調節(jié)器3.4 轉速調節(jié)器參數的確定3.4.1 確定時間常數電流環(huán)等效時間常數，按小時間常數近似處理，轉速環(huán)小時間常數3.4.2 轉速調節(jié)器結構選擇為了實現

10、轉速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器ASR中。選擇擾動作用點后面已經有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速開環(huán)調節(jié)器應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)性能好的要求。由此可見，ASR也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數為：電動機的電動勢系數為 3.4.3 計算轉速節(jié)器的參數按跟隨和抗擾性能都比較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為：轉速開環(huán)增益為： ASR的比例系數為3.4.4 檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率 1. 電流環(huán)傳遞函數簡化條件 滿足簡化條件2.轉速環(huán)小時間常數近似處理條件 滿足近似條件3.4.5 計算調節(jié)器電阻和電容轉速

11、調節(jié)器的原理圖如圖3-2所示，取，則 取1774 取0.1 取13.4.6 核定轉速超調量當h=5時，=81.2%，代入上式得 滿足設計要求圖3-2 含給定濾波和反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器第四章 MATLAB仿真設計4.1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真框圖雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真框圖如圖4-1所示：圖4-1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真框圖4.2 仿真結果1.啟動電流，啟動轉速如圖4-24-2. 啟動電流，啟動轉速圖2.仿真結果4-3仿真結果圖第五章 小結本次課程設計歷時1.5周，在整個設計過程中，我不僅鞏固了以前所學到的知識，更學到了許多課外的知識。通過這次的課程設計，我也發(fā)現了很多平時學習中的不足，可謂是收獲頗多。 通過這次課設，我不僅在知識上有了進一步的鞏固和提高，在求學和研究的心態(tài)上也有不小的進步。我想無論是在學習還是在生活上只有自己有心去學習和參與才可能有收獲，同時我也深深感受到理論與實踐相結合的重要性。以前一直覺得理論知識離我們很遠，經過課程設計，才發(fā)現理論知識與生活的聯系。這大大激發(fā)我學習書本的興趣。再者我們學習的是