(完整word版)雙閉環(huán)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

1、雙閉環(huán)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)一任 務(wù) 書設(shè)計(jì)步驟：1 畫出系統(tǒng)的仿真模型2 主電路的建模與模型的參數(shù)設(shè)置3 控制電路的建模與模型的參數(shù)設(shè)置4 系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置5 系統(tǒng)的仿真，仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析6 打印說明書（ B5），并交軟盤（一組）一張注意事項(xiàng)：1 系統(tǒng)建模時(shí)，將其分成主電路和控制電路兩部分分別進(jìn)行2 在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，晶閘管整流橋，平波電抗器，直流電動(dòng)機(jī)等裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)原則如下：如果針對(duì)某個(gè)具體裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，則對(duì)話框中的有關(guān)參數(shù)應(yīng)取裝置的實(shí)際值；如果不針對(duì)某個(gè)具體裝置的一般情況，可先取這些裝置的參數(shù)默認(rèn)值進(jìn)行仿真。若仿真結(jié)果不理想，則通過仿真實(shí)驗(yàn)，不斷進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參

2、數(shù)。3 給定信號(hào)的變化范圍，調(diào)節(jié)器的參數(shù)和反饋檢測(cè)環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)等可調(diào)參數(shù)的設(shè)置，其一般方法是通過仿真試驗(yàn)，不斷進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。4 仿真時(shí)間根據(jù)實(shí)際需要而定，以能夠仿真出完整的波形為前提。5 仿真算法的選擇：通過仿真實(shí)踐，從仿真能夠進(jìn)行，仿真的速度，仿真的精度等方面進(jìn)行比較選擇。1二實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及其步驟（一）概述直流電動(dòng)機(jī)因其性能宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，其調(diào)速控制系統(tǒng)歷來在工業(yè)控制具有及其重要的地位。直流調(diào)速控制系統(tǒng)中最典型的一種調(diào)速系統(tǒng)就是轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。自從全控型電力電子器件問世以來，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)

3、速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代 V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。PWM型系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：主電路線路簡(jiǎn)單，需要的功率器件少：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?。坏退傩阅芎茫€(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；動(dòng)態(tài)性應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)等。因其眾多優(yōu)點(diǎn)，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在中小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了V-M系統(tǒng)。在當(dāng)今社會(huì)，仿真技術(shù)已經(jīng)成為分析，研究各種系統(tǒng)尤其是復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具，為了簡(jiǎn)便工程設(shè)計(jì)和解決設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問題，利用Matlab 中

4、SIMULINK實(shí)用工具對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真和系統(tǒng)分析就成為我們今天繼續(xù)探索的課題。（二）設(shè)計(jì)原理及步驟1. 設(shè)計(jì)原理圖及工作原理轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。為了實(shí)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。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接如下圖(1) 所示。圖（ 1）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖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) UPE-電力電子變換器TA- 電流互感器2圖中，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

5、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)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI 調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc 為正電壓的情況標(biāo)出的， 并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖（ 2）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖圖中表出，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im 決定了電流給定電壓的最大值； 電流調(diào)節(jié)器 ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出

6、電壓 Udm。下圖是本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)原理圖。3+ Us _E1ALd=200mHPWM+-ASRACRUC PWM變換器VM_（H橋）220v調(diào)制器3轉(zhuǎn)向選擇EATA過流保護(hù)FBCAGVFBSRTGL。圖（ 3） 雙閉環(huán)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖工作原理：給定值 Ug與速度反饋量 Ufn 疊加后經(jīng)速度調(diào)節(jié)器的比例積分調(diào)節(jié)作為電流環(huán)的給定輸入，它與電流反饋量Ufn 疊加后經(jīng)電流調(diào)節(jié)器的比例積分調(diào)節(jié)向脈寬調(diào)制器輸出控制電平 Uc, 脈寬調(diào)制器產(chǎn)生一個(gè)頻率不變的矩形脈沖波，其脈沖寬度即占空比將隨Uc 值的變化而變化，其占空比可調(diào)范圍為0<<1。此脈寬調(diào)制脈沖經(jīng)邏輯延時(shí)，功放，隔離等處理

7、后，送到開關(guān)器件的柵極。 外加直流電源 Us 經(jīng) H全橋逆變電路輸出一個(gè)與占空比相對(duì)應(yīng)的調(diào)制電壓，經(jīng)平坡電抗器Ld 驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)M，發(fā)電機(jī) G則作為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，由同軸上的測(cè)速發(fā)電機(jī)取得速度反饋信號(hào)。電流返回信號(hào)取自助電路的取樣電阻Rs 兩端。2. 脈寬調(diào)制的原理圖及其生成原理4PWM變換器的作用是：用PWM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系列，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)速在圖（ 3）中，脈寬調(diào)制器用于產(chǎn)生一路脈寬調(diào)制脈沖波，它是由專用芯片內(nèi)部原理圖如下圖（ 4）所示。Noinv1+InputInv2ErrorErrorAmpAmpInpu

8、t_-Comp3VccInput5.0VDeadtime4RefControl5CTscillatorRT6O27QGroundCI8Q1TL494 產(chǎn)生的，其16NoinvInput15InvInput14refV13OutputControl12VCC112C10E29E1圖（ 4） TL494 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)脈寬調(diào)制變換器的作用是： 用脈沖寬度調(diào)制的方法， 把恒定的電流電源電壓調(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。在本實(shí)驗(yàn)中，把脈寬調(diào)制器接成如下圖（5）所示。圖（ 5）中只利用了TL494 的一組輸出脈沖。只要控制 TL494 的輸入端即“

9、1”腳輸入電平，即可以在輸出端“8”腳相應(yīng)的得到占空比可調(diào)節(jié)的脈寬調(diào)制脈沖，其中脈寬調(diào)制脈沖的頻率為5.7KHz。5161412refCCV2V15+V8-V2C13OUTPUTCOMPTL4941EOC2E2-V1GND11INPUT +VCV456+5VGND圖（ 5） 脈寬調(diào)制波形發(fā)生器外圍接線圖3. 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI 調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器的作用 : （1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外

10、環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。（ 3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。4. H 橋逆變電路結(jié)構(gòu)原理雙閉環(huán) H橋 DC/DC變換直流調(diào)速系統(tǒng)功能原理框圖如圖（6）所示。6+C13C3DC1VDVT13Us=220VVTGVDUG1UG3L31EAdM-C2VT42C4VTVD2UG2T1TGT2 UG4VD4E24RsE-11234GG 2G3 G 4UEU EUEUE電路調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路器ACRgUfiPWM產(chǎn)生電給定UPI 調(diào)節(jié)器PI 調(diào)節(jié)器路 TL494UfnT1速度調(diào)

11、T2節(jié)ASR圖（ 6）雙閉環(huán) H橋 DC/DC變換直流調(diào)速系統(tǒng)功能原理框圖本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主電路采用單極性脈寬調(diào)制控制方式，其中主電路由四個(gè) IGBT管構(gòu)成 H橋，G1G4 分別由脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路產(chǎn)生后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大，再送到IGBT 相應(yīng)的柵極，用以控制 IGBT 管的通斷。單極性的控制方式是這樣進(jìn)行控制的，在圖（ 6）中，左邊兩個(gè)罐子的驅(qū)動(dòng)脈沖 UG1=- UG2，使 VT1 和 VT2 交替導(dǎo)通，而右邊兩管 VT3，VT4 因電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向而施加不同的直流控制信號(hào)。在電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)， UG4恒為正， U G3恒為負(fù)，使 VT4 常通， VT3 截止。在電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí) ， VT4 截止， VT3 導(dǎo)

12、通。四個(gè)快恢復(fù) VD1VD4 用于逆變電路的續(xù)流。其中電流調(diào)節(jié)器的電流反饋量是由主回路中的取樣電阻 RS 進(jìn)行取樣的。速度反饋量取自發(fā)電機(jī)輸出的電壓值。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可設(shè)定不同的給定量，速度反饋量及電流反饋量，以完成開環(huán)，電流單閉環(huán)，速度單閉環(huán)及雙閉環(huán)的調(diào)速實(shí)驗(yàn)。由于給定量 Ug 恒為正，因此速度反饋量必須為負(fù)值，在用到速度閉環(huán)是必須檢測(cè)測(cè)速發(fā)電機(jī)提供的輸出電壓的極性， 將正值端連接到面板的 T1 端，負(fù)值端連接到面板的 T2 端（面板上左邊的接線柱為 T1 端，右邊的接線柱為 T2 端）。當(dāng)面板上的轉(zhuǎn)向選擇開關(guān)改變時(shí)，速度信號(hào)與 T1，T2 端的連線也相應(yīng)改變。（三）實(shí)驗(yàn)仿真1. 系統(tǒng)的仿真模型

13、7圖（ 7）雙閉環(huán) H 橋 DC/DC變換直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型82. 系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)設(shè)置（ 1）主電路的建模和參數(shù)設(shè)置1) 不可控二極管整流橋的建模與參數(shù)設(shè)置。二極管整流橋的建模與晶閘管整流橋相同，首先從圖（ 7）的電力電子模塊組中選取 “ Universal Bridge ”模塊， 并將模塊標(biāo)簽改為 “二極管整流橋”，然后打開二極管整流橋參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，將“ Power Electronic device ”選擇為“ Diodes ”即可，具體參數(shù)設(shè)置如圖（ 8）所示。2）濾波電容器的建模和參數(shù)設(shè)置。它與平波電抗器的建模相同。首先從 SIMULINK的元件模塊組中選取“ Series

14、 RLCBranch”模塊，并將模塊標(biāo)簽改為“濾波電容器”，然后打開濾波電容器參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖（9）所示。參數(shù)通過仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)化而定。圖（ 8）二極管整流橋的參數(shù)設(shè)置圖（ 9）濾波電容器的參數(shù)設(shè)置93） 可控開關(guān)的建模和參數(shù)設(shè)置，在直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路中串聯(lián)了一個(gè)可控開關(guān)，這是一個(gè)由電力電子器件構(gòu)成的開關(guān)電路， 可控開關(guān)受前面脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的控制。 它的建模和參數(shù)設(shè)置與晶閘管整流橋相同，同樣從 SIMULINK的電力電子模塊組中選取“ Universal Bridge ”模塊并將模塊標(biāo)簽改為“可控開關(guān)” ，然后打開參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，將“ Power Electronic dev

15、ice ”選擇為“ IGBT/Diodes ”即可。具體參數(shù)設(shè)置如圖（ 10）所示。圖（10） 可控開關(guān)的參數(shù)設(shè)置圖（11）PWM信號(hào)發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置4）三相對(duì)稱交流電壓源參數(shù)設(shè)置。雙擊A 相交流電壓源圖標(biāo)，打開電壓源參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，在 A 相交流電源參數(shù)設(shè)置中，幅值取 220V，初相位設(shè)置成 0°，頻率為 50Hz，其他為默認(rèn)值，如圖（12）所示。B，C 相交流電源參數(shù)設(shè)置方法與 A 相基本相同，除了將初相位設(shè)置成互差 120°外，其他參數(shù)與 A 相相同。由此可得到三相對(duì)稱交流電源。10圖(12)A 相交流電壓參數(shù)設(shè)置圖(13) 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置（ 2）控制電路的建模與

16、參數(shù)設(shè)置直流電動(dòng)機(jī)的建模和參數(shù)設(shè)置首先從直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模塊組中選取“DC Machine”模塊，并將模塊標(biāo)簽改為“直流電動(dòng)機(jī)”。直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組“F+-F+”接直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電源，勵(lì)磁電源可從電源模塊組中選取直流電壓源模塊，并將電壓參數(shù)設(shè)置為220V，電樞繞組“ A+-A- ”經(jīng)平波電抗器接晶閘管整流橋的輸出，電動(dòng)機(jī)經(jīng) TL 端口接恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，直流電動(dòng)機(jī)的輸出參數(shù)有轉(zhuǎn)速n、電樞電流 Ia 、勵(lì)磁電流 If 、電磁轉(zhuǎn)矩 Te，通過“示波器”模塊觀察仿真輸出圖形。電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置步驟如下，雙擊直流電動(dòng)機(jī)圖標(biāo)，打開直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置如圖 (13) 所示。參數(shù)設(shè)置的原

17、則與二極管整流橋相同。直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路包括給定環(huán)節(jié)，速度調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器，限幅器，速度反饋環(huán)節(jié)，脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器等。 其模塊的建模與參數(shù)設(shè)置都比較簡(jiǎn)單，只要分別在模塊庫中找到相應(yīng)的模塊，并按要求設(shè)置好參數(shù)即可。以限幅器為例，限幅器參數(shù)設(shè)置如圖(14) 所示。脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器要求的輸入范圍為-11 之間的數(shù)（包括 -1 和 1），輸出脈沖受輸入信號(hào)的控制，脈沖最大輸出頻率設(shè)置為100Hz,如圖（ 11）所示。當(dāng)輸入為1 時(shí)，輸出脈沖寬度最大，相當(dāng)于完全導(dǎo)通，當(dāng)其輸入為-1 時(shí)，脈沖寬度最小，相當(dāng)于完全關(guān)斷。在從-1 到 1 的增長(zhǎng)過程中，11脈沖寬度是線性增長(zhǎng)的。由于脈寬調(diào)制信號(hào)

18、發(fā)生器要求的輸入范圍為-1,1,而速度調(diào)節(jié)器的輸出范圍為-200 到 200，為了能夠?qū)⑦@兩個(gè)相差很大的數(shù)匹配，在速度調(diào)節(jié)器后加了一個(gè)限幅器，其限制范圍是0 到 200，限制器的后面接一個(gè)放大器，其放大倍數(shù)為 -0.01 ，那么輸出的數(shù)就是 -2 到 0 了。后面在接一個(gè)加法器，加上 1，那么加法器輸出的數(shù)就是 -1 ，實(shí)現(xiàn)上述功能的相關(guān)環(huán)節(jié)如圖（ 15）所示。K+Signal(s) Pulses+限幅器PWM發(fā)生器1圖（ 15）脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器及其相關(guān)環(huán)節(jié)3. 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置在 MATLAB的模型窗口打開“ Simulation ”菜單，進(jìn)行“ Simulation Parameters

19、 ”設(shè)置，單擊“Simulation Parameters ”菜單后，得到仿真參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖 (16) 所示，仿真中所選擇的算法為 ode23s。仿真“ Start time ”一般設(shè)為 0，“ Stop time ”設(shè)為 2.5 。圖(16)仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框及參數(shù)設(shè)置圖(14)限幅器參數(shù)設(shè)置124. 系統(tǒng)的仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖（18）因?yàn)檫@種脈寬控制是在直流回路中直接使用可控開關(guān)， 所以電路中的諧波多， 仿真結(jié)果電流波形比較粗糙。但開始時(shí)電流的波形比較平滑，這是因?yàn)殚_始時(shí)給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間相差較大，這時(shí)的脈寬調(diào)制

20、的輸入是 1 或者接近 1，所以“可控開關(guān)”可能完全工作在導(dǎo)通狀態(tài)，故開始時(shí)的電流比較平滑。13總結(jié)SIMULINK提供了使用系統(tǒng)模型框圖進(jìn)行組態(tài)的仿真平臺(tái)，使用 SIMULINK進(jìn)行仿真和分析可以像在紙上繪圖一樣簡(jiǎn)單。它比傳統(tǒng)的仿真軟件包更直觀、方便。它是 MATLAB的進(jìn)一步擴(kuò)展，它不但實(shí)現(xiàn)了可視化的動(dòng)態(tài)仿真， 也實(shí)現(xiàn)了與 MATLAB、C 或者 FORTRAN甚至和硬件之間的相互數(shù)據(jù)傳遞，大大地?cái)U(kuò)展了它的功能。 SIMULINK不但可以進(jìn)行仿真，也可以進(jìn)行模型分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。MATLAB是一個(gè)功能相當(dāng)強(qiáng)大的數(shù)值分析仿真軟件， SIMULINK是 MATLAB環(huán)境下對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包。 它不但支持