PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真DOC

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師：工作單位：題目：PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真初始條件：1技術(shù)數(shù)據(jù)：PWM變流裝置：Rrec=0.5Q，Ks=44。負(fù)載電機(jī)額定數(shù)據(jù)：Pn=8.5KW，Un=230V,In=37A,nN=1450r/min,Ra=1.0Q,lfn=1.14A,GD2=2.96N.m2系統(tǒng)主電路：Tm=0.07s,T|=0.005s2技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量：6戶5%，起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量：6n<8%,動(dòng)態(tài)速降A(chǔ)n<10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間(調(diào)節(jié)時(shí)間)ts<1s要求完成的主要任務(wù)：1技術(shù)要求：該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度

2、調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)可逆運(yùn)行，具有較寬的調(diào)速范圍(D>10),系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作(2) 系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)2設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1) 根據(jù)題目的技術(shù)要求,分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成,畫出系統(tǒng)組成的原理框圖(2) 根據(jù)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖,分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用,(3) 通過對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)，得到轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形，并由仿真波形通過MATLAB來進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)。(4) 繪制PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖(要求計(jì)算機(jī)繪圖)(5) 整理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料，課程設(shè)計(jì)總結(jié)，撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書時(shí)間安排：課程設(shè)計(jì)時(shí)間為一周半，共分為三個(gè)階

3、段：（1）復(fù)習(xí)有關(guān)知識(shí)，查閱有關(guān)資料，確定設(shè)計(jì)方案。約占總時(shí)間的20%（2）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)要求，完成設(shè)計(jì)計(jì)算。約占總時(shí)間的40%（3）完成設(shè)計(jì)和文檔整理。約占總時(shí)間的40%指導(dǎo)教師簽名：系主任（或責(zé)任教師）簽名：摘要本文在介紹雙閉環(huán)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)原理基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)采用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)，并運(yùn)用Matlab的Simulink面向系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真。本文重點(diǎn)介紹了調(diào)速系統(tǒng)的建模和PWM發(fā)生器、直流電機(jī)模塊等參數(shù)的設(shè)置，利用Matlab的Simulink仿真得到PWM直流可逆調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流仿真波形，

4、并由仿真波形通過Matlab來進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)，驗(yàn)證了仿真模型及調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置的正確性。為實(shí)際應(yīng)用中PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)，使得設(shè)計(jì)過程變得非常簡(jiǎn)單、快速！關(guān)鍵詞：直流脈寬調(diào)制、雙閉環(huán)、MATLABI武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程計(jì)說明書目錄PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真21概述22設(shè)計(jì)任務(wù)及要求22.1 主要任務(wù)22.2 設(shè)計(jì)要求33理論設(shè)計(jì)43.1 方案論證43.2 系統(tǒng)模型的建立63.2.1 直流電機(jī)模型63.2.2 調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型93.3調(diào)速系統(tǒng)性能分析103.3.1 靜態(tài)性能和啟動(dòng)過程103.3.2 動(dòng)態(tài)性能123.3.3 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用

5、123.4調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)133.4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)133.4.1.1 確定時(shí)間常數(shù)143.4.1.2 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)143.4.1.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)143.4.1.4 檢驗(yàn)近似條件153.4.1.5計(jì)算ACR的電容電阻163.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)163.4.2.1確定時(shí)間常數(shù)163.4.2.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)163.4.2.3選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)163.4.2.4檢驗(yàn)近似條件173.4.2.5計(jì)算ASR的電容電阻173.4.2.6選擇超調(diào)量的計(jì)算173.4.2.7校驗(yàn)過渡過程時(shí)間184MATLAB仿真194.1 MATLAB簡(jiǎn)介194.2 PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真20

6、4.3仿真結(jié)果215總結(jié)與體會(huì)22參考文獻(xiàn)23附錄24PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真1概述直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)整，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。自從全控型電力電子器件問世以后，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PWM調(diào)速系統(tǒng)。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)采用門極可關(guān)斷晶閘管GTO、全控電力晶體管GTR、MOSFET、IGBT等電力電子器件組成的直流脈沖寬度（PWM）型的調(diào)速系統(tǒng)近年來已經(jīng)發(fā)展成熟，用途越來越廣泛，與晶閘管可控整流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）相比，在很多方面具有較大的優(yōu)越

7、性：（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率元件少；（2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；（4）系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；（5）主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率較高；（6）直流電源采用不可控三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高。因此，對(duì)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和研究具有很高的實(shí)用價(jià)值，能夠?yàn)橐院蟮墓ぷ鲗W(xué)習(xí)提供扎實(shí)的基礎(chǔ)。132主要任務(wù)及要求題目中所給的負(fù)載電機(jī)額定數(shù)據(jù)如下：Pn=8.5KW，Un=230V,lN=37A，nN=1450r/min,Ra=1.0Q,lfn=1.14A，GD2=2.96N.m2Tm=

8、0.07s，Tl=0.005s所給出的PWM變流裝置參數(shù)如下：Rrec=0.5Q,Ks=44。2.1 主要任務(wù)(1) 根據(jù)題目的技術(shù)要求,分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成,畫出系統(tǒng)組成的原理框圖(2) 根據(jù)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖,分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用,(3) 通過對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì),得到轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形,并由仿真波形通過MATLAB來進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)。(4) 繪制PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖(要求計(jì)算機(jī)繪圖)(5) 整理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料,課程設(shè)計(jì)總結(jié),撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書2.2 設(shè)計(jì)要求(1) 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié),負(fù)載電機(jī)可逆運(yùn)行,具有較寬的

9、調(diào)速范圍(D>10)，系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作(2) 系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)(3) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差(4) 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量：¥5%，起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量：6n<8%，動(dòng)態(tài)速降n<10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間(調(diào)節(jié)時(shí)間)ts<1s3理論設(shè)計(jì)3.1方案論證要求采用直流PWM調(diào)制，所以開關(guān)器件必須是全控型的電力電子器件，全控型的器件有門極可關(guān)斷晶閘管GTO、全控電力晶體管GTR、MOSFET、IGBT等，因?yàn)镮GBT具有較高的開關(guān)頻率，較高的功率承受能力，而且驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，所以選擇IGBT作為開關(guān)器件。題目要求實(shí)現(xiàn)電機(jī)的可逆運(yùn)行，要求轉(zhuǎn)

10、速反向，就需要改變PWM變換器輸出的電壓的正負(fù)極性，使得直流電機(jī)可以在四象限中運(yùn)行?？赡鍼WM變換器的主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H橋型）電路，如圖3-1所示，電機(jī)M兩端電壓u的極性隨著全控AB型電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)而改變?？赡鍼WM變換器的控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，在這里采用最常見的是雙極式控制的H橋型PWM變換器。圖3-1橋式可逆PWM變換器電路雙極式PWM變換器的工作狀態(tài)要視正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定，如圖3-2所示。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，t>T'2，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)正脈on沖較窄時(shí)，t<T'2，平均電

11、壓為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。如果正、負(fù)脈沖寬度相等，t=T；2,onon平均電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。LUb4uV T1V T4t0+u4V D2V D3V TiV T4V TiV T4V TiV T4V D2V D3圖3-2雙極式PWM變換器電壓和電流波形雙極式可逆PWM變換器電樞平均端電壓為：UABtUonUTsT_InU=(2ton-1)UTsTs以p=U歲.定義PWM電壓的占空比，貝Usp=2t1Tp的變化范圍為1WpWI。當(dāng)p為正值時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；p為負(fù)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn);p=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止。在p=0時(shí)雖然電機(jī)不動(dòng)，電樞兩端的瞬時(shí)電和瞬時(shí)電流都不是零，而是交變的。這個(gè)交變電流平均值為零，不產(chǎn)生

12、平均轉(zhuǎn)矩，陡然增大電機(jī)的損耗。但它的好處是使電機(jī)帶有高頻的微振，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用，消除正、反向的靜摩擦死區(qū)。調(diào)速性能指標(biāo)要求無靜差、電流超調(diào)量：6戶5%,起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量：6n<8%，動(dòng)態(tài)速降A(chǔ)n<10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）ts<1s?？梢钥吹竭@樣的指標(biāo)要求較高，采用一般的單閉環(huán)調(diào)速方式不可能達(dá)到要求，所以這里采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制方式。轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是靜、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖3-3所示，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別

13、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。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3-3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖其中：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U*-轉(zhuǎn)速給定電壓Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui*-電流給定電壓Ui-電流反饋電壓3.2系統(tǒng)模型的建立3.2.1直流電機(jī)模型直流電機(jī)有穩(wěn)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，由于這里主要研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，而且動(dòng)態(tài)模型中包含了穩(wěn)態(tài)

14、模型，所以這里只給出了直流電機(jī)動(dòng)態(tài)模型的建立。他勵(lì)直流電機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路如圖3-4所示，其中電樞回路總電阻R和電感L包含電力變換內(nèi)阻、電樞電阻和電感及可能在主電路中接入的其他電阻和電感，規(guī)定的正方向已標(biāo)明在圖中。假定主電路電流連續(xù)，動(dòng)態(tài)電壓方程為U=RI+LdI±+Ed0ddtd忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為eLGD2dn375dt式中T包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Nm）；LGD2電力拖動(dòng)裝置折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量（Nm2）額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為E=CneT二CIemd式中c電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（），C=C。m/Am兀e再定義下列時(shí)間

15、常數(shù)：T=LT電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)（S）,廠R；T電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)（S）,m代入電壓方程和動(dòng)力學(xué)方程整理得U-E_R（I+T巴）d0dldtddLTdEmRdt式中【遼負(fù)載電流（A），IdL曠。m1R1+Tsi在零初始條件下，取拉氏變換，得到電壓與電流間的傳遞函數(shù)為I(s)dU(s)-E(s)d0d電流與電動(dòng)勢(shì)的傳遞函數(shù)為E(s)RdI(s)-I(s)TsdLmE結(jié)合上述兩式，考慮n，即得到額定勵(lì)磁下直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3-5所示。Ce圖3-5額定勵(lì)磁下直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖經(jīng)過等效變換，可以的到如圖3-6所示的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。圖3-6直流電機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換由此可以的到直流電機(jī)的

16、傳遞函數(shù)U(s)Cd0=en(s)TTs2+Ts+1mlm3.2.2 調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型在圖3-2所示的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器一般采用PI調(diào)節(jié)器以消除靜態(tài)誤差。電力電子變換器由橋式可逆PWM變換器電路組成的,而PWM變換器電路由PWM控制器發(fā)出驅(qū)動(dòng)電壓來控制主電路上的全控器件實(shí)現(xiàn)的，如圖3-7所示。UcPWMUgPWMUd控制器變換器圖3-7PWM控制器與變換器的框圖按照3.1節(jié)中對(duì)PWM變換器工作原理和波形的分析，可以看出，當(dāng)控制電壓Uc改變時(shí)，PWM變換器輸出平均電壓Ud按照線性規(guī)律變換，但其相應(yīng)會(huì)有延遲，最大的時(shí)延是一個(gè)開關(guān)周期T。因此PWM控制器與變換

17、器可以看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成W(s)=Ud=Ke-TSsU(s)sc式中KPWM裝置的放大系數(shù)；sTsPWM裝置的延長(zhǎng)時(shí)間，T<T。ss當(dāng)開關(guān)頻率較大時(shí)，在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)較小的滯后環(huán)節(jié)可以近視看成一個(gè)一階的慣性環(huán)節(jié)KW(s)沁s_sTs+1s注意上式是近似的傳遞函數(shù)，實(shí)際的PWM變換器不是一個(gè)線性環(huán)節(jié)，而是具有繼電特性的非慣性環(huán)節(jié)。至于電流反饋環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)都可以看成是線性的一階慣性環(huán)節(jié)，。那么根據(jù)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖3-3可以得到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-8所示。圖3-8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.3調(diào)速系統(tǒng)

18、性能分析3.3.1靜態(tài)性能和啟動(dòng)過程雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于I時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差。這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反dm饋起主要的調(diào)節(jié)作用，但負(fù)載電流達(dá)到I時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出U*，這時(shí)，dmim電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見圖3-9。1.1I.Jtl圖3-9雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的是獲得接近于理想的起動(dòng)過程，雙閉環(huán)調(diào)速系突加給定電壓U*由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程

19、如圖3-10所示。由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，整個(gè)過渡過程也就分成三段，在圖中分別以I、II、II圖3-10雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速和電流波形第I階段0t是電流上升的階段。突加給定電壓U*后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，1n使U、U、I上升，當(dāng)I>I后，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不ctd0dddl會(huì)很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓AU=U*-U數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限nnn幅值U*,強(qiáng)迫電流I迅速上升。當(dāng)I沁I時(shí)，U沁U*，電流調(diào)節(jié)器的作用使I不在迅imdddmiimd速增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR

20、由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第II階段t-1是恒流升速階段。從電流升到I開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值n*（即靜特12dm性上的n）為止，屬于恒流升速階段，是起動(dòng)過程的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR一直0是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于是開環(huán)。系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定U*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng),im基本上保持電流I恒定（電流可能超也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)環(huán)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)），d因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長(zhǎng)。對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服這個(gè)擾動(dòng),U和U也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持I恒

21、定。由于電流調(diào)節(jié)器ACR是PI調(diào)節(jié)器,ctd0d要使它的輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必AU=U*-U須維持一定的恒值，也就是說，I應(yīng)略低于I。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過程中電ddm流調(diào)節(jié)器是不飽和的。第III階段t以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始時(shí)，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)2節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值U*，所以電機(jī)仍在最大電流下加速，必然會(huì)使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，ASR輸入端出現(xiàn)im負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓U*立即從限幅值降下來，i主電流也因I而下降。但是，由于I仍大于負(fù)載

22、電流I，在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速將繼續(xù)上升。dddl到I=I時(shí)，轉(zhuǎn)矩T=T,則d/d二0，轉(zhuǎn)速n到達(dá)峰值（t=t時(shí)）。此后。電動(dòng)機(jī)才開始ddlelnt3在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流I也出現(xiàn)一段小于I的過程，直到穩(wěn)定。在這最后ddl的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是力圖使I盡快地跟隨ASR的輸出量U*，或者說，電流內(nèi)di環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng).由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動(dòng)過程的大部分時(shí)間內(nèi)，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實(shí)現(xiàn)理想過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有

23、超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)ASR發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。3.3.2 動(dòng)態(tài)性能（一）動(dòng)態(tài)跟隨性能如上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過程中，能夠在電流受電機(jī)過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。對(duì)于電流內(nèi)環(huán)來說，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)應(yīng)該強(qiáng)調(diào)有良好的跟隨性能。（二）動(dòng)態(tài)抗擾性能1抗負(fù)載擾動(dòng)負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降（升）為了減少動(dòng)態(tài)速降（升）必須在設(shè)計(jì)ASR

24、時(shí)，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能指標(biāo)。對(duì)于ACR的設(shè)計(jì)來說，只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。2.電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對(duì)它的動(dòng)態(tài)抗擾效果也不一樣。負(fù)載擾動(dòng)I作用在被調(diào)量n的前面。它的變化經(jīng)積分后就可被轉(zhuǎn)速檢測(cè)出來，從而在調(diào)節(jié)器ASR上dl得到反映。電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量更遠(yuǎn)，它的波形先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流，再經(jīng)過機(jī)電慣性的滯后才能反映到轉(zhuǎn)速上來，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，已經(jīng)太晚。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，這個(gè)問題便大有好轉(zhuǎn)。由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí)，可以通過電流反饋得到及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等到影

25、響到轉(zhuǎn)速后，才在系統(tǒng)中起作用。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。3.3.3 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用（1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Um變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。2. 電流調(diào)節(jié)器的作用（1）對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用。（2）起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流。（3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓U*變化。（4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全飽和作用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。3.4調(diào)速器設(shè)計(jì)我們現(xiàn)在采用一般系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法具體設(shè)計(jì)雙

26、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。由工程設(shè)計(jì)法可知，設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)逐步向外擴(kuò)展。在這里，先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程計(jì)說明書3.4.1電流調(diào)速器的設(shè)計(jì)H型雙極式PWM變換器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)以及給出：額定功率P=8.5KW，額定電壓U=230V，額定電流I=37A,電樞電阻Ra=1Q，額定轉(zhuǎn)速錯(cuò)誤!NNN未找到引用源。=1450r/min。系統(tǒng)主電路參數(shù)：Tm=0.07s,Tl=0.005sPWM變流裝置參數(shù)：電阻R=0.5Q，K=44re

27、cs設(shè)電流過載倍數(shù)入=1.5,PWM變流裝置的開關(guān)頻率為4KHz則根據(jù)電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖圖3-11進(jìn)行電流調(diào)速器參數(shù)設(shè)計(jì)如下圖3-11電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖3.4.1.1確定時(shí)間常數(shù)U-RIC=NaNenN230-lx371450=0.133Vmin/rT=0.07smT廣0-0055（1）脈寬調(diào)制器和PWM變換器的滯后時(shí)間常數(shù)Ts與傳遞函數(shù)的計(jì)算由PWM開關(guān)頻率得到開關(guān)周期1T=0.00025ssf脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)為Ks-44于是可得脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)為武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程計(jì)說明書44W(S)=Ks=44sTs+10.00025s+1(2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)T

28、oi取0.0005s(3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)T工.=Ts+Toi=0.00025s+0.0005s=0.00075s3.4.1.2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，&i%-5%,而且T/T=0.0050.000756.66N10因此可以按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為n193.4.1.3 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)=T=0.005s要求bi%<5%時(shí)，應(yīng)取KiT工i二0.5，因此0.5_0.5s-i_666.6,s-i0.00075又于是K_K仝_666.67%0.005“5_0.6313.4.1.4 檢驗(yàn)近似條件w.二K_666.67-1ciI可見均滿足要求。ci。

29、3.4.1.5計(jì)算ACR的電阻和電容取R0=40k。，則R=KR,二0.631X40二25.24kQ，取R.=25kQii0iC=二二0.005X106卩F二0.2卩FiR25000iC4ToioiR4x0.000540x103X106卩F0.05卩F“43%<5%按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為°廠4.3%<5%，故滿足設(shè)計(jì)要求。3.4.2轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3.4.2.1確定時(shí)間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為2T2x0.00750.0015s工i（2）取轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)數(shù)on0.005S（3）T2T+T0.0015s+0.005s0.0065sSnSion3.4.2

30、.2 ASR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)穩(wěn)態(tài)無靜差及其他動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求，按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)，ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WASR(s)-Kn害n3.4.2.3 選擇ASR參數(shù)U*10«in0.006897n1450N取h=5,則=hT=5x0.0065s=0.0325s,n上L=s-2=2840.24s-22h2T22x25x0.006526x0.18x0.1331x0.07XnK=(h+1)0CT=n2haRT2x5x0.00687x1.5x0.0065Xn3.4.2.4 校驗(yàn)近似條件3cnKt2840.24x0.032592.31s-1Nn(1)要求°cn1<5T，X

31、i現(xiàn)有5F=5x0.00075=266.677-1>OcnXicn3'2TT'Xion現(xiàn)有-s-1121.7s-132TT32x0.00075x0.005cn*Xion可見均能滿足要求。3.4.2.5 計(jì)算ASR電阻和電容取600kQ取R040kQ，則RKR14.96x40kQ=598.4kQn0Cn詩(shī)=Xx106W=005訃，取O.°55卩FononR04T425x106”-o“F40x1033.4.2.6檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量ACAnb%(max)2(入Z)nCnbNmmax-SnTAC當(dāng)h=5時(shí)，max%81.2%，而An-r/-416.98CNC0.1331mm

32、bIR37xl.5，因此b%81.2%x2x1.5x416.98x0.00656.50%<8%n14500.07可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足要求。3.4.2.7校驗(yàn)過渡過程時(shí)間空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過渡過程時(shí)間CTnem_:R九IN01331xO.°°7x14500.26s<o.5s1.5x1.5x37可見能滿足設(shè)計(jì)要求。武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程計(jì)說明書4MATLB仿真4.1MATLAB簡(jiǎn)介系統(tǒng)仿真和調(diào)試在設(shè)計(jì)電路時(shí),要對(duì)所設(shè)計(jì)的電路的性能進(jìn)行預(yù)計(jì)、判斷和校驗(yàn)。過去常用數(shù)學(xué)和物理這兩種方法，它們對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)模較小的一般電路是可行的。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，電路品

33、種日新月異，規(guī)模越來越大，同時(shí)對(duì)電路的可靠性、性價(jià)比也越來越高,原來的方法已完全不能適應(yīng)電路的要求?？刂葡到y(tǒng)的計(jì)算機(jī)法仿真是一門涉及到控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性新興學(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)仿真能夠?yàn)楦鞣N試驗(yàn)提供方便、靈活可靠的數(shù)學(xué)模型。目前應(yīng)用的比較多的是MATLAB，它包含了強(qiáng)大的仿真器和仿真庫(kù)。使用MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB的Simulink工具箱，從元件庫(kù)中選取所需的元件，連接好原理圖,加上激勵(lì)源,然后單擊

34、仿真按鈕即可自動(dòng)開始,可以同時(shí)觀察復(fù)雜的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)波形，以及得到電路性能的全部波形4.2PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真仿真的動(dòng)態(tài)模型已經(jīng)在3.2.2節(jié)中給出，如圖4-1所示。而且模型中各環(huán)節(jié)的參數(shù)在3.4節(jié)中已經(jīng)計(jì)算好了，現(xiàn)在只需要將動(dòng)態(tài)模型和參數(shù)都輸入到MATLAB中的Simulink中即可進(jìn)行仿真。在Simulink中建立的模型如圖4-1圖4-1PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真圖輸入給定Step為一個(gè)階躍信號(hào)，在t=0時(shí)刻由0躍變到10,若負(fù)載擾動(dòng)Stepl不加信號(hào)，則是仿真空載啟動(dòng)的情況；若負(fù)載擾動(dòng)Stepl加一個(gè)在t=0時(shí)刻由0躍變到37的階躍信號(hào)，則是仿真滿載啟動(dòng)的情況。運(yùn)行仿真，然后雙擊Scope就可以查看仿真所得的電流波形和轉(zhuǎn)速波形。4.3仿真結(jié)果滿載啟動(dòng)的電流電壓波形如圖4-2所示。圖4-2滿載啟動(dòng)時(shí)電流、轉(zhuǎn)速波形23可以看到系統(tǒng)在小于0.6s的時(shí)間完成啟動(dòng)過程達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定。啟動(dòng)過程波形非常理想,i二58.13A，由此算出：max58.1355.58=x1000=4.74/<50-i55.50°ooo1484-1450150X10000二2340：<叫可以看出滿載啟動(dòng)時(shí)電流超調(diào)量和轉(zhuǎn)速超調(diào)