基于PWM控制的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及MATLAB仿真(共21頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 要在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)電壓的直流調(diào)速是應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法，除了利用晶閘管整流器獲得可調(diào)直流電壓外，還可利用其它電力電子元件的可控性，采用脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成極性可變，大小可調(diào)的直流電壓，用以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓的平滑調(diào)節(jié)，構(gòu)成直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，采用門(mén)極可關(guān)斷晶體管GTO、全控電力晶體管GTR、P-MOSFET、絕緣柵晶體管IGBT等一些大功率全控型器件組成的晶體管脈沖調(diào)寬型開(kāi)關(guān)放大器（Pulse Width Modulated）,已逐步發(fā)展成熟，用途越來(lái)越廣。本文主要討論了直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念，在此基

2、礎(chǔ)上系統(tǒng)地介紹了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速電流負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，工作原理，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理和控制方法，介紹了直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路和系統(tǒng)構(gòu)成。最后應(yīng)用MATLAB的Simulink，采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真技術(shù)，對(duì)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。關(guān)鍵詞：調(diào)速，PWM控制，直流電動(dòng)機(jī)，仿真目 錄第一章 引言1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介.51.2 PWM直流調(diào)速的研究背景和發(fā)展?fàn)顩r.51.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容.6第二章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 2.1 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的概述.72.1.1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)72.1.2 靜止式可控整流器調(diào)速系統(tǒng)72.1.3 直流斬波器或脈寬

3、調(diào)速.82.2 電機(jī)基本調(diào)速方法.92.2.1 電樞串電阻調(diào)速92.2.2 弱磁調(diào)速92.2.3 調(diào)壓調(diào)速.102.3 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo).102.4 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng).112.4.1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng).112.4.2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng).142.4.2.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性.162.4.2.2 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算.172.4.2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程分析.182.4.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用.20第三章 PWM調(diào)制技術(shù)與PWM變換器3.1 PWM調(diào)制技術(shù).213.1.1 模擬式PWM控制.213.1.2 數(shù)字式PWM控制.223.2

4、 PWM變換器233.2.1 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器.233.2.2 制動(dòng)不可逆PWM變換器.243.2.3 H型雙極式PWM變換器.26第四章 PWM直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 PWM-M直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路.284.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇.294.2.1主電路供電方案選擇.294.2.2主電路形式的選擇.304.2.3控制電路方案的選擇.324.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真.334.3.1 引言.334.3.2雙閉環(huán)控制的脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型.334.3.3 系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析.36總結(jié).39參考文獻(xiàn).40第一章 引言1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介調(diào)速系統(tǒng)包

5、括直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩大類(lèi)。由于直流電動(dòng)機(jī)的電壓、電流和磁通之間的耦合較弱，使直流電動(dòng)機(jī)具有良好的機(jī)械特性，能夠在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，啟動(dòng)、制動(dòng)性能良好，故其在20世紀(jì)70年代以前一直在高精度、大調(diào)速范圍的傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。但隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流拖動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯示出來(lái)。由于換向從20世紀(jì)80年代起，在電氣傳動(dòng)自動(dòng)化領(lǐng)域中出現(xiàn)了一個(gè)革命性的變化，這就是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。眾所供1.2 PWM直流調(diào)速的研究背景和發(fā)展?fàn)顩r有許多生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速地起動(dòng)和制動(dòng)，這就需要電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行的特性，也就是說(shuō)，需要可逆的調(diào)

6、速系統(tǒng)。改變電樞電壓的極性，或者改變勵(lì)磁磁通的方向，都能夠改變直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。 控制技術(shù)已居世界先進(jìn)水平。但由于造價(jià)較高，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用局限性較大，在較短的時(shí)間內(nèi)難以取代較為落后的直流調(diào)速。相對(duì)而言，PWM直流調(diào)速系統(tǒng)主電路線(xiàn)路簡(jiǎn)單，功率元件少，開(kāi)關(guān)頻率高，其控制水平從1000Hz可達(dá)到4000Hz，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(dòng)小，損耗和發(fā)熱都較小，調(diào)速范圍寬，調(diào)速系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生于70年代中期.最早用于不可逆、小功率驅(qū)動(dòng),例如自動(dòng)跟步研究，在調(diào)速精度要求較高的場(chǎng)合，對(duì)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

7、難題，具有廣泛的意義和價(jià)值。1.3本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本文共分為四章，主要針對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的PWM控制進(jìn)行相關(guān)研究。第一章主要概述了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀；第二章介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，簡(jiǎn)要介紹了調(diào)速的原理和結(jié)構(gòu)；第三章介紹了脈寬調(diào)制原理及對(duì)目前常用的各種PWM變換器進(jìn)行了分析；第四章對(duì)基于PWM控制技術(shù)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真研究；最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。第二章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2.1直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的概述直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)歷不同的三個(gè)階段：2.1.1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)如圖2-1，旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）由

8、交流電動(dòng)機(jī)（異步機(jī)或同步機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)G實(shí)現(xiàn)變流，由G給需要的直流電動(dòng)機(jī)M供電，調(diào)節(jié)G的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。這種調(diào)速系統(tǒng)在60年代曾廣泛使用，但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因此設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低，安裝須打地基，運(yùn)行有噪聲，維護(hù)不方便。圖2-1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）2.1.2靜止式可控整流器調(diào)速系統(tǒng)自從晶閘管（俗稱(chēng)“可控硅”）問(wèn)世，到了60年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，并應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）。如圖2-2，

9、VT是晶閘管可控整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變的散熱條件。另外，由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，因此必須添置無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。 圖2-2晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）2.1.3 直流斬波器或脈寬調(diào)速圖2-3直流斬波器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。4）若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗繞能力強(qiáng)。5）開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)

10、關(guān)損耗也不大，因而全取代了VM系統(tǒng)。2.2電機(jī)基本調(diào)速方法由電機(jī)學(xué)基本理論可知，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性方程式為勵(lì)磁磁通（Wb）；由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；由上式可見(jiàn)，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方案可有以下三種。2.2.1電樞串電阻調(diào)速圖2-4調(diào)阻調(diào)速特性曲線(xiàn)如圍窄，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，只用于一些要求不高的場(chǎng)合。2.2.2弱磁調(diào)速圖2-5磁調(diào)速特性曲線(xiàn)普也增大。弱磁調(diào)速雖然能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但其調(diào)速范圍太小，特性較軟，因而只是在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍升速時(shí)才采用。2.2.3調(diào)壓調(diào)速圖2-6調(diào)壓調(diào)速特性曲線(xiàn)如圖2-6，額定勵(lì)磁保持不變，理想空載轉(zhuǎn)速隨U減小而減小，各特性線(xiàn)斜率不變，由此可動(dòng)系統(tǒng)中被廣泛采用。2.3

11、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面：1） 調(diào)速2） 備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。為了進(jìn)行定（2-2）2）靜差率：負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱(chēng)作靜差率，即 （2-3）一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的 。對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義，一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿(mǎn)足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。2.4 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.4.1 單閉環(huán)調(diào)

12、速系統(tǒng)根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差圖2-7a 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖將給定量和擾動(dòng)量看成兩個(gè)獨(dú)立的輸入量，只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)：（2-5）它相當(dāng)于在測(cè)速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開(kāi)后，從放大器輸入起直到測(cè)速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)為：（2-6）只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)：圖2-7c =0時(shí)（2-7）由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線(xiàn)性的，可以把二者疊加起來(lái)即得系統(tǒng)的靜特性方程式：如果斷開(kāi)反饋回路，則上述系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性為（2-9）而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫(xiě)成（2-10）其中和分別表

13、示開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速，和分別表示開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。 （2-15）按理想空載轉(zhuǎn)速相同的情況比較，則 = 時(shí)： （2-16）如調(diào)制的輸出電壓，使系統(tǒng)工作在新的機(jī)械特性上，因而轉(zhuǎn)速有所回升，速度降落降低。由此看來(lái)，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降。圖2-8 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系2.4.2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.4.2.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性圖2-11雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時(shí)，ASR 輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生

14、影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，如圖2-11中虛線(xiàn)所示。2.4.2.2 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系： 為ASR的輸出限幅值。2.4.2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過(guò)程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。2.4.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下：1時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)回復(fù)正常

15、。第三章 調(diào)速系統(tǒng)的直流脈寬調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行路和數(shù)字式PWM控制電路。3.1 PWM控制技術(shù)3.1.1 模擬式PWM控制圖3-1 PWM控制電路原理 （3-1）式中控制信號(hào)的最大值。 a b c圖3-2 鋸齒波脈寬調(diào)制波形圖圖3-3 PWM控制負(fù)載的波形圖PWM信號(hào)加到主控電路的開(kāi)關(guān)管V1的基極時(shí)，負(fù)載兩端電壓的波形如圖3-3所示。顯然，通過(guò)PWM控制改變開(kāi)關(guān)管在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩端平均電壓大小的控制。3.1.2 數(shù)字式PWM控制數(shù)字式PWM調(diào)制電路主要由計(jì)數(shù)器和數(shù)字比較器或

16、由定時(shí)電路和觸發(fā)器構(gòu)成。數(shù)字式圖3-4 計(jì)數(shù)器和數(shù)字比較器組成的數(shù)字脈寬調(diào)制器的波形圖3.2 PWM變換器PWM變換器作用是：用PWM控制電路的輸出波形信號(hào)，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度不可逆與可逆兩大類(lèi)。3.2.1 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主電路原理圖如圖3-5所示，功率開(kāi)關(guān)器件可以是任意一種全控型開(kāi)關(guān)器件，這樣的電路又稱(chēng)直流降壓斬波器。 T a 電路原理圖 b 電流和電壓波形圖3-5 簡(jiǎn)單不可逆PWM控制電路及其波形圖3-5a所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的不可逆PWM控制變換電路原理圖。電源電壓E通常由交流圖3-5b為穩(wěn)態(tài)時(shí)電樞端電壓、電樞平均電壓和電

17、樞電流的波形。可見(jiàn)，穩(wěn)態(tài)電流是3.2.2 制動(dòng)不可逆PWM變換器圖3-6a所示為具有制動(dòng)狀態(tài)的不可逆PWM變換器。它由兩個(gè)功率晶體管、和兩個(gè)二極管、組成。是起調(diào)制作用的主控管，是輔助管。來(lái)自脈寬調(diào)制電路的兩個(gè)極性相反的脈沖電壓、分別作用到、的基極?？刂齐娐饭ぷ髟陔妱?dòng)狀態(tài)時(shí)的電壓、電能耗制動(dòng)作用。因此，在制動(dòng)狀態(tài)中，和輪流導(dǎo)通，而始終是關(guān)斷的，此時(shí)的電壓和電流波形示于圖3-6c。a bc da 電路原理圖 b電動(dòng)狀態(tài)電壓和電流波形 c 制動(dòng)狀態(tài)電壓和電流波形 d 電動(dòng)和制動(dòng)交替狀態(tài)電流波形圖3-6 制動(dòng)不可逆PWM變換器及其波形有一種特殊情況，即輕載電動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)平均電流較小，以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流

18、時(shí)，還沒(méi)有到達(dá)周期T ，電流已經(jīng)衰減到零，此時(shí)，因而兩端電壓也降為零，便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動(dòng)，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用。輕載電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段：出波形見(jiàn)圖3-6d。綜上所述，具有制動(dòng)回路的不可逆PWM變換器的電樞電流始終是連續(xù)的。3.2.3 H型雙極式PWM變換器圖3-7為H型雙極式PWM變換器，它由四個(gè)大功率晶體管和四個(gè)續(xù)流二極管組成。四個(gè)大功率管分為兩組，和為一組，和為另一組。在基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)=，=-的作用下，同一組中的兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通或同時(shí)關(guān)斷，兩組晶體管之因此，PWM變換器 a 電路原理圖 b 電壓電流波形圖3-7 H型雙極式PWM變換器及其波形雙極式控制可逆PWM （

19、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，有利保證器件的可靠導(dǎo)通。第四章 PWM直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 PWM-M直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路電力晶體管構(gòu)成的PWM變換器是調(diào)速系統(tǒng)的主電路，是對(duì)已有的PWM波形的電壓信號(hào)進(jìn)行功率放大，并不改變信號(hào)的PWM波性質(zhì)。而PWM電壓波形的產(chǎn)生、分配則是P制器UPW、調(diào)制波發(fā)生器GM、邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD和電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)器GD。圖4-1 雙閉環(huán)控制的脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖1鋸齒；3）多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的脈寬調(diào)制器；4）數(shù)字式脈寬調(diào)制體管還

20、未完全關(guān)斷，如果此時(shí)另一個(gè)晶體管已經(jīng)導(dǎo)通，則將造成上下兩管直通，從而使電源短路。為了避免發(fā)生這種情況，應(yīng)設(shè)置一個(gè)邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)，保證在對(duì)一個(gè)管子發(fā)出關(guān)閉脈沖后，延時(shí)一段時(shí)間再發(fā)出對(duì)另一個(gè)管子的開(kāi)通脈沖，避免兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通。3限流保護(hù)環(huán)節(jié)（）在邏輯延時(shí)環(huán)沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)主電路的電力晶體管，每個(gè)晶體管應(yīng)有獨(dú)立的基極驅(qū)動(dòng)電路。為了確保晶體管在開(kāi)通時(shí)能迅速達(dá)。4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇4.2.1主電路供電方案選擇圖4-2同時(shí)對(duì)感性負(fù)載的無(wú)功功率起儲(chǔ)能緩沖作用。圖4-2直流電源設(shè)計(jì)原理圖圖4-3 三相橋式不控整流電路原理圖對(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

21、系統(tǒng)動(dòng)能的作，可以采用圖4-4中的鎮(zhèn)流電阻來(lái)消耗掉部分動(dòng)能。分流電路靠開(kāi)關(guān)器件在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通。本設(shè)計(jì)由于采用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)進(jìn)行電路仿真，MATLAB模型庫(kù)中的電力系統(tǒng)模型庫(kù)(Power System Blockset)里提供了直流、交流電源模塊，因此在仿真電路設(shè)計(jì)中，可直接用直流電源代替三相不控整流直流電源。圖4-4泵升電壓限制電路原理圖4.2.2主電路形式的選擇脈寬調(diào)變換器，構(gòu)成可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。H橋雙極式可逆變換器的原理圖見(jiàn)圖4-5，其輸出波形如圖4-6所示。圖4-5 雙極式可逆變換器的控制原理圖圖4-6 可逆雙極式變換器工作各參數(shù)波形調(diào)速時(shí)， 的

22、可調(diào)范圍為01， 1<<+1。當(dāng) >0.5時(shí)，為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) <0.5時(shí)，為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng) = 圖4-7 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖4.2.3控制電路方案的選擇為了使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能，本次設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案，系統(tǒng)的靜特性很硬，基本上無(wú)靜差，啟動(dòng)時(shí)間短，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快； 系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)；  應(yīng)用廣泛（在自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中）。 進(jìn)一步改善系統(tǒng)的調(diào)速性能， 大大提高系統(tǒng)故稱(chēng)雙閉環(huán)）。其中一個(gè)是由電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的電流環(huán)，另一個(gè)是由速度調(diào)作用。只要轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)

23、足夠大，最后仍能靠ASR的積分作用，消除轉(zhuǎn)速偏差。圖4-8 PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖4.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真4.3.1 引言控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是一門(mén)涉及到控制理論、計(jì)算數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性新型學(xué)科，它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。系統(tǒng)仿真就是用模型（即物理模型或數(shù)學(xué)模型）代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，而計(jì)算機(jī)仿真使用MATLAB的Simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。4.3.2雙閉環(huán)控制的脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型雙閉環(huán)控制的脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示，圖4-9是采用面向雙閉環(huán)控制脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖構(gòu)作的直

24、流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。圖4-9 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖1主電路建模和參數(shù)設(shè)置：由圖4-9可見(jiàn)，主電路由直流電源、IGBT逆變器橋、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。直流受PWM信device”選擇為“MOSFET/Diodes”即可。圖4-10 “Universal Bridge”對(duì)話(huà)框參數(shù)設(shè)置圖4-11 直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置直流電動(dòng)機(jī)的建模和參數(shù)設(shè)置：首先從電機(jī)系統(tǒng)模塊中選取“DC Machine”模塊，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR，速度、電流反饋環(huán)節(jié)、PWM信號(hào)發(fā)生器等。其中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器各封裝在子模塊中，里面包含PI調(diào)節(jié)，限幅值等。1）給定電壓環(huán)節(jié)：改

25、變給定電壓即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從sources模塊組中選取兩個(gè)模塊“constant”，可先設(shè)定其一參數(shù)為10，另一參數(shù)設(shè)為-10，作為給定環(huán)節(jié)，可正負(fù)切換給定值，使電動(dòng)機(jī)能夠正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。2）轉(zhuǎn) （4-1）式中：-比例系數(shù)，-積分系數(shù)，考通過(guò)分析，轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的各參數(shù)如圖所示。其中ASR、ACR的限幅值均設(shè)定為-10,10。a 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR b電流調(diào)節(jié)器ACR圖4-12 轉(zhuǎn)速、電流PI調(diào)節(jié)器的各參數(shù)設(shè)定3）轉(zhuǎn)速、電流反饋環(huán)節(jié)：在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速是由給定電壓決定的，設(shè)定轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為0.00417，由式，可首先估算出經(jīng)放大后的轉(zhuǎn)速的值，通過(guò)示。4.3.3 系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及

26、結(jié)果分析當(dāng)建及勵(lì)磁電流的波形曲線(xiàn)。 圖4-13 調(diào)速系統(tǒng)勵(lì)磁電流的波形 圖4-14 起動(dòng)時(shí)的電流波形（正轉(zhuǎn)） a（正轉(zhuǎn)） b（反轉(zhuǎn)） 圖4-15 脈寬調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速仿真波形 a（正轉(zhuǎn)） b（反轉(zhuǎn)）圖4-16 脈寬調(diào)速系統(tǒng)電流仿真波形 a （正轉(zhuǎn)） b （反轉(zhuǎn)）圖4-17 脈寬調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩仿真波形1、從仿能突變，而是在最短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到允許的最大值。3、采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制電路，轉(zhuǎn)速?gòu)牧汩_(kāi)始到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過(guò)渡，所需時(shí)間短，起到了快速起動(dòng)的作用，如圖4-18所示，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)間約為1s。圖4-18 轉(zhuǎn)速的過(guò)渡過(guò)程4、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，當(dāng)給定電壓環(huán)節(jié)從+10撥向-10時(shí)，電機(jī)便實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)

27、給定值=6及=4時(shí)的轉(zhuǎn)速波形。 a 轉(zhuǎn)速（=6） b轉(zhuǎn)速（=4）圖4-19 改變后的轉(zhuǎn)速仿真波形總結(jié)本文主要利用MATLAB對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真和調(diào)試。在此基礎(chǔ)上，本文首先對(duì)直流電機(jī)調(diào)速的狀況進(jìn)行介紹，介紹了在幾種直流調(diào)速系統(tǒng)（如旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、可控晶閘管整流器、脈寬調(diào)速等），基于脈寬調(diào)速以往調(diào)速系統(tǒng)所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用直流脈寬對(duì)主電路進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中，調(diào)速是系統(tǒng)的主要功能，通過(guò)研究直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，得出了幾種常見(jiàn)的改變轉(zhuǎn)速的方法，因調(diào)壓調(diào)速可實(shí)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以下大范圍平滑調(diào)速，并且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)機(jī)械特性硬度不變。這種方法在直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中被廣泛采用。為了使

28、系統(tǒng)能保證穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，且能夠快速起制動(dòng)，重點(diǎn)介紹了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋得到的反饋電壓，與給定值進(jìn)行比較后，產(chǎn)生了頻率一定，占空比可調(diào)的脈寬序列，并通過(guò)功率放大后，對(duì)主電路變換器的電力電子元件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，本設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)PWM控制，介紹了PWM調(diào)制技術(shù)的原理，并對(duì)PWM變換器進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為了使系統(tǒng)能正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，主電路采用雙極式橋式變換器。最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真軟件MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，通過(guò)對(duì)波形的分析驗(yàn)證了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我對(duì)知識(shí)的掌握，使我對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程有了全面地了解。通過(guò)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)工作原理以及如何利用仿真軟件進(jìn)行仿真，我查閱了大量相關(guān)資料，學(xué)會(huì)了許多知識(shí)，培養(yǎng)了我獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。同時(shí)在對(duì)電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，鞏固了我的專(zhuān)業(yè)課知識(shí)，使自己受益匪淺?？傊?，通過(guò)本次設(shè)計(jì)不僅進(jìn)一步強(qiáng)化了專(zhuān)業(yè)知識(shí)，還掌握了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法、步驟等，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1陳伯時(shí)，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。機(jī)械工業(yè)出版社，20032洪乃剛，電力電子技術(shù)基礎(chǔ)。清華大學(xué)出版社，20083周深淵，交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿