PWM脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) (2)

1、設(shè)計(jì)題目及分析設(shè)計(jì)題目：轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的H型雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng) 直流電動(dòng)機(jī)：UN=48V，IN=3.7A，nN=200r/min允許過(guò)載倍數(shù)=2；電樞回路電磁時(shí)常=0.015s，機(jī)電時(shí)常=0.2s；PWM環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)：=4.8,；電樞回路總電阻：R=1；電樞電阻Ra=0.5。電流反饋系統(tǒng)=1.33V/A，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.05V·min/r，電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比Ce=0.18V·min/r。轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器輸入輸出限幅電壓=10V. 采用MATLAB對(duì)雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，繪制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖，仿真得出啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，起動(dòng)電流，直流電壓Ud，ASR,ACR輸出電壓的波形。并對(duì)

2、結(jié)果進(jìn)行分析。 直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。本文從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。然后按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過(guò)仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實(shí)現(xiàn)。對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，

3、達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。采用MATLAB軟件中的控制工具箱對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并用SIMULINK進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真,同時(shí)查看仿真波形,以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)是否可行。一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過(guò)程和原理：電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個(gè)偏差信號(hào)，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào),直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加

4、速啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流)可以通過(guò)整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來(lái)改變。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號(hào)減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開(kāi)始起作用。對(duì)負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng),速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號(hào)將隨時(shí)通過(guò)速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來(lái)修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化,從而校正和補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù), 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié),可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來(lái)得及發(fā)生改變時(shí),迅速使電流恢復(fù)到原來(lái)值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)

5、現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。兩者之間實(shí)行嵌套連接，如圖11所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(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、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖11 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)其中：ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR-電流調(diào)節(jié)器 TG-測(cè)速發(fā)電機(jī) TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器 -轉(zhuǎn)速給定電壓 Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓 -電流給定電壓 -電流反饋電壓 實(shí)際上在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器始終為不飽和狀態(tài)，而轉(zhuǎn)

6、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2所示。圖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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。圖3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中和分別表示轉(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(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖上必須把電流標(biāo)示出來(lái)。電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)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(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程可分為圖4中的三個(gè)階段。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形如圖4所示。圖4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形圖4中所示的啟動(dòng)過(guò)程，階段是電流上升階段，電流從0到達(dá)最大允許值Idm，ASR飽和、ACR不飽和；

7、階段時(shí)恒流升速階段，Id基本保持在Idm，電動(dòng)機(jī)加速到了給定值n*，ASR飽和、ACR不飽和；階段時(shí)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(dòng)過(guò)程利用飽和非線性控制，獲得了準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制，但卻帶來(lái)了轉(zhuǎn)速超調(diào)。2.2 H橋PWM變換器 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。由于題目中給定為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的H型雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，即占空比，可以達(dá)到對(duì)直流

8、電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的目的。H型雙極性PWM變換器如圖5所示。 圖5 橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖6所示。 圖6 雙極式控制可逆PWM變換器的驅(qū)動(dòng)電壓、輸出電壓和電流波形它們的關(guān)系是：。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，晶體管VT1、VT4飽和導(dǎo)通而VT2、VT3截止，這時(shí)。當(dāng)時(shí)，VT1、VT4截止，但VT2、VT3不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)VD2、VD3續(xù)流，這時(shí)。在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖6所示。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，則的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖

9、相等，平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 (1) 如果定義占空比，電壓系數(shù)，則在雙極式可逆變換器中 (2)調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為01，相應(yīng)的。當(dāng)時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，=0，電動(dòng)機(jī)停止。但是電動(dòng)機(jī)停止時(shí)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 系統(tǒng)參數(shù)的選取3.1 PWM變換器滯后時(shí)間常數(shù)TsPWM控制與變換器的動(dòng)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)控制電壓改變時(shí)，PWM變換器輸出平均電壓按現(xiàn)行規(guī)律變化，但其響應(yīng)會(huì)有延遲，最大的時(shí)延是一周開(kāi)關(guān)周期T。PWM裝置的延遲時(shí)間，一般選取 =

10、0.001s (3) 其中，-開(kāi)關(guān)器件IGBT的頻率。3.2 電流濾波時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) PWM變換器電流濾波時(shí)間常數(shù)的選擇與晶閘管控制電路有所區(qū)別，這里選擇電流濾波時(shí)間常數(shù) =0.132 V·minr (4) =0.18s (5)=0.03s (6)4 電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì) 4.1 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)計(jì)算按小時(shí)間按常數(shù)近似處理，取 錯(cuò)誤！未找到引用源。=+=0.002+0.001=0.003 (7)4.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)時(shí)在電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)下系統(tǒng)無(wú)靜差，可以按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，因此可以采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可

11、見(jiàn)式（8）。 (8) 檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，分析可知，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。4.3 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求，根據(jù)典型I型系統(tǒng)動(dòng)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，因此 (9)于是，ACR的比例系數(shù)為 (10)4.4 校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率：166.7 （1）PWM變換裝置傳遞函數(shù)的近似條件 (11)滿足近似條件。 （2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 (12)滿足近似條件。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 (13)滿足近似條件。4.5 調(diào)節(jié)器電容和電阻值計(jì)算按所用運(yùn)算放大器取，各個(gè)電阻和電容值的計(jì)算如下： 取

12、50 取0.6 取0.2PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖7所示。 圖7 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器由以上計(jì)算可得電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為 (14) 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。 圖8 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5 速度調(diào)節(jié)器ASR設(shè)計(jì)5.1 時(shí)間常數(shù)的設(shè)定在電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中為了達(dá)到電流超調(diào)的要求（），所以電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為： (15) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)處理處理，取 (16) 5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中。現(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)器應(yīng)該有兩個(gè)積分

13、環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見(jiàn)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (17) 5.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算 按跟隨性和抗擾性好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為： (19) 轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)增益為： (20) 于是可得ASR的比例系數(shù)為： (21) 5.4 校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為： （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 (22) 滿足簡(jiǎn)化條件。 （2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 (23) 滿足簡(jiǎn)化條件。 （3）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng)h=5時(shí)，由典型II型系統(tǒng)的階躍輸入跟隨性能指標(biāo)的關(guān)系可知，不能滿足設(shè)計(jì)的要求。實(shí)際上，突加階躍給

14、定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。 系統(tǒng)空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量： 滿足要求。5.5 調(diào)節(jié)器電容和電阻值計(jì)算按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值計(jì)算如下： 取510 取0.2 取1 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖9所示。圖9 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由以上計(jì)算可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 (24) 校正成典型II型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。 圖10 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖6 采用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真 利用MATLAB-SIMULINK對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)框圖和仿真結(jié)果如下所示。6.1 原理框圖設(shè)計(jì)6.1.1 電流環(huán)原理圖

15、圖11 電流環(huán)原理圖 電流環(huán)的原理圖如圖11所示，輸入為階躍信號(hào)，通過(guò)ACR輸出限幅，控制輸出電流幅值大小。電流反饋環(huán)節(jié)加上PI調(diào)節(jié)器，使穩(wěn)態(tài)輸出無(wú)靜差。6.1.2 轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖 轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖如圖12所示。階躍給定輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)慣性環(huán)節(jié)輸出，與反饋環(huán)節(jié)的比較作為ASR的輸入，ASR輸出限幅，控制輸出直流電壓幅值大小。負(fù)載擾動(dòng)設(shè)定為階躍信號(hào)，系統(tǒng)空載啟動(dòng)。若仿真時(shí)間設(shè)為5s,可以設(shè)定在3s時(shí)加入負(fù)載的擾動(dòng)。 圖12 轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖 6.1.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖13 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真原理圖 圖中，step為一個(gè)電壓階躍信號(hào)，當(dāng)t=0時(shí)，跳變?yōu)殡A躍值為10的信號(hào)

16、。 圖中subsystem是新建的一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)，其等效為ASR或者ACR，只是兩者的參數(shù)設(shè)置不一樣，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，包含比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，如圖14所示。圖14 ASR和ACR內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖6.2 仿真結(jié)果K=1時(shí)的仿真結(jié)果6.3 仿真結(jié)果分析 雙閉環(huán)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞的電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升，并通過(guò)電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī)電流增加，從而使電動(dòng)機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加速上升，電機(jī)啟動(dòng)性能良好，滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定性。二、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，一方面培養(yǎng)了我獨(dú)立動(dòng)手，獨(dú)立思考，查閱相關(guān)資料獨(dú)立去發(fā)現(xiàn)，面對(duì)，分析和解決問(wèn)題的能力，同時(shí)增強(qiáng)了自己理論聯(lián)系實(shí)踐，學(xué)以致用的能力。這大大激發(fā)了我對(duì)學(xué)習(xí)課本知識(shí)的興趣。在課程設(shè)計(jì)中，我也接觸到了許多新知識(shí)，這大大拓寬了我的視野。然而，另一方面，我也發(fā)現(xiàn)我對(duì)所學(xué)知識(shí)掌握的