基于PWM控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真_第1頁
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基于PWM控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真摘要直流調(diào)速系統(tǒng)是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式,它具有良好的起、制動性能,可以在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速,較快的零動態(tài)響應(yīng)過程,并且低速運轉(zhuǎn)時力矩大的運行性能和控制特性。本文對基于微機(jī)控制的雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究,從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā),逐步建立了雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制。本文采用雙極式和受限單極式兩種方式的PWM控制模塊,建立了雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,利用MATLAB中的simulink和simpowersystem對系統(tǒng)進(jìn)行給定參數(shù)下的仿真。關(guān)鍵詞:直流可逆調(diào)速;PWM控制模塊;雙閉環(huán);MATLAB仿真SimulationofDCreversiblespeedadjustingsystembasedonPWMcontrolAbstractKeywords:目錄TOC\o"1-5"\h\z\u1緒論1.1PWM控制的現(xiàn)狀及分類1.2選擇PWM控制系統(tǒng)的理由1.3采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由2雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)原理設(shè)計2.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成2.3電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計2.3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計2.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計3直流PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)原理3.1可逆PWM變換器原理3.2雙極式H型PWM變換器原理3.3受限單極式H型變換器原理4H橋PWM直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真4.1雙極式H橋PWM直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真4.1.1雙極式PWM發(fā)生器防真模型4.1.2雙極式PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型4.2受限單極式H橋PWM直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真受限單極式PWM調(diào)制模塊4.2.2受限單極式PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型1緒論1.1PWM控制的現(xiàn)狀及分類而在眾多PWM變換器實現(xiàn)方法中,又以H型PWM變換器更為多見。這種電路具備電流連續(xù)、電動機(jī)四象限運行、無摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點。因此,本次設(shè)計以H型PWM直流控制器為主要研究對象。要研究PWM調(diào)速方法,不能不提到微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù),沒有這些技術(shù)的支持,我們就只能還是在走前人的老路,被模擬、人工控制的思維所禁錮。在電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制領(lǐng)域,如果不能有效的引用這些技術(shù),我們很難有所突破,發(fā)現(xiàn)問題,進(jìn)而有所進(jìn)步。PWM控制技術(shù)一般可分為三大類,即正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM,從實現(xiàn)方法上來看,大致有模擬式和數(shù)字式兩種,而數(shù)字式中又包括硬件、軟件或查表等幾種實現(xiàn)方式,從控制特性來看主要可分為兩種:開環(huán)式〔電壓或磁通控制型〕和閉環(huán)式〔電流或磁控型〕。隨著計算機(jī)設(shè)計技術(shù)的不斷進(jìn)步,數(shù)字化PWM已逐步取代模擬式PWM,成為電力電子裝置共用的核心技術(shù)。交流電機(jī)調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術(shù)的不斷進(jìn)步。目前廣泛應(yīng)用的是在規(guī)那么采樣PWM的根底上開展起來的準(zhǔn)優(yōu)化PWM法,即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法,這兩種方法具有計算簡單、實時控制容易的特點。1.2選擇PWM控制系統(tǒng)的理由自從全控型電力電子器件問世以后,就出現(xiàn)了采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制的控制方式,形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng),簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng),或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)[4]。PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性:〔1〕主電路線路非常簡單,需要用到的功率器件比擬少?!?〕開關(guān)頻率比擬高,電機(jī)損耗及發(fā)熱都比擬少,電流很容易連續(xù),并且諧波少?!?〕功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài),導(dǎo)通損耗比擬小,裝置效率比擬高?!?〕低速性能比擬好,調(diào)速范圍比擬寬,穩(wěn)速精度比擬高?!?〕假設(shè)與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合,那么系統(tǒng)頻帶寬,動態(tài)響應(yīng)比擬快,動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)?!?〕直流電源采用不控整流時,電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。由于有上述優(yōu)點,直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛,特別是在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中,已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速系統(tǒng),這是我們選取它作為研究對象的重要原因。1.3采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由同開環(huán)控制系統(tǒng)相比,閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反應(yīng)控制系統(tǒng)中,不管出于什么原因〔外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化〕,只要被控制量偏離規(guī)定值,就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此,它具有抑制干擾的能力,對元件特性變化不敏感,并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。單閉環(huán)速度反應(yīng)調(diào)速系統(tǒng),采用PI控制器時,可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高,如果要求快速起制動,突加負(fù)載動態(tài)速降小等,單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外,單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾性較差,當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時,必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后,調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生,因此動態(tài)誤差較大。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中,一般有兩個根本要求:一是能夠快速啟動制動;二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過分析發(fā)現(xiàn),如果要求快速起動,必須使直流電動機(jī)在起動過程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩,即最大的恒定允許電樞電流,當(dāng)電樞電流保持最大允許值時,電動機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速,然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾,必須對電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。以上兩點都涉及電樞電流的控制,所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量,組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)原理設(shè)計直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能,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--直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng),簡稱直流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)開展成熟,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)越性:〔1〕主電路線路簡單,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,電網(wǎng)功率因數(shù)高。2.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如上圖所示,其中UPE是電力電子器件組成的變換器,其輸入接三相(或單相)交流電源,輸出為可控的直流電壓鑄。對于中、小容量系統(tǒng),多采用由IGBT或P一MOSFET組成的PWM變換器;對于較大容量的系統(tǒng),可采用其他電力電子開關(guān)器件,如GTO、IGCT等;對于特大容量的系統(tǒng),那么常用晶閘管裝置。根據(jù)自動控制原理,反應(yīng)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,它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反應(yīng)分別起作用,在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器,分別是轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實行串級聯(lián)接,如圖2-2所示。這就是說,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PWM調(diào)制器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看,電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面,叫做內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面,叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。圖2-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-3雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.3電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計我們現(xiàn)在采用一般系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法具體設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器。由工程設(shè)計法可知,設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原那么是: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)計好電流調(diào)節(jié)器,然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié),再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。2.3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計圖2-4電流環(huán)的動態(tài)簡化結(jié)構(gòu)圖由雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可看出外環(huán)通過反電動勢E對內(nèi)環(huán)產(chǎn)生影響,但是由于實際系統(tǒng)中處于外環(huán)的系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)比內(nèi)環(huán)的時間常數(shù)大得多,機(jī)構(gòu)經(jīng)ACR對內(nèi)環(huán)效正后其輸出量的動態(tài)過程變化很快,而反電動勢E的變化過程E〔t〕相對來說是緩慢的。反電動勢對電流環(huán)來說只是一個變化緩慢的擾動作用,在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似地認(rèn)為E根本不變。因此在設(shè)計電流環(huán)時可以簡化計算略去反電動勢E對內(nèi)環(huán)地影響,將電流閉環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)簡化為單位負(fù)反應(yīng)形式并將脈寬調(diào)制器和PWM變換器的滯后時間T與電流反應(yīng)濾波時間兩個小的時間常數(shù)所對應(yīng)的兩個小慣性合并為一個小慣性時間環(huán)節(jié),即,于是得到如圖2-4的電流簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。電流環(huán)即可設(shè)計成典型I型系統(tǒng)也可設(shè)計成典型II型系統(tǒng),一方面取決于對電流環(huán)的動態(tài)要求,并且典型I系統(tǒng)的跟隨性能優(yōu)于抗擾性,而典型II型系統(tǒng)的抗擾性優(yōu)于跟隨性。電流環(huán)的一項重要作用就是保持電樞電流動態(tài)過程中不超過允許值,因而在突加控制作用時不希望有超調(diào),或者超調(diào)量越小越好。從這個觀點出發(fā),應(yīng)該把電流環(huán)效正成典型I系統(tǒng)。另一方面電流環(huán)還有對電網(wǎng)電壓波動及時調(diào)節(jié)的作用,為了提高其抗擾性能,有希望把電流環(huán)效正成典型II系統(tǒng)。在一般情況下,當(dāng)控制對象的兩個時間常數(shù)之比時,典型I系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時間還是可以接受的,因此,效正成典型I型系統(tǒng),顯然采用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為:〔2—1〕電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和,為了讓調(diào)節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點,取=。按二階最正確系統(tǒng)效正,在一般情況下,希望超調(diào)量σ%≤5%時,查表得阻尼比ζ=0.7070,=0.5,因此〔2-2〕2.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計由自動控制根本理論推導(dǎo)可得,電流環(huán)不管是典型I型花或是典型II型化在一定的近似條件下都可以等效為一個慣性環(huán)節(jié),寫成通式為:〔2—3〕假設(shè)典型I型化且ζ=0.707,=0.5,那么a=2。假設(shè)典型II型化h=5,m=0.1.那么a=。由上式畫出轉(zhuǎn)速閉環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,將它簡化為單位負(fù)反應(yīng)形式并將兩個小慣性合并為一個小慣性,即將轉(zhuǎn)速給定及轉(zhuǎn)速反應(yīng)的濾波時間常數(shù)與電流環(huán)等效時間常數(shù)合并為轉(zhuǎn)速環(huán)小慣性時間常數(shù).由于要求轉(zhuǎn)速對負(fù)載擾動無靜差,那么在ASR中必須含有積分環(huán)節(jié),取ASR為PI調(diào)節(jié)器,因此轉(zhuǎn)速環(huán)必然按典型II型系統(tǒng)設(shè)計。假設(shè)只考慮給定信號的作用那么得到簡化的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-5所示,這里有〔2—4〕圖2-5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閉環(huán)等效動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可見,上圖已具備典型II型系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形式,ASR調(diào)節(jié)器的參數(shù)按以下各式計算即可〔2—5〕〔2—6〕〔2—7〕3直流PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)原理3.1可逆PWM變換器原理可逆變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有H型、T型等多種類型,現(xiàn)在選用常用的H型變換器,它是由4個電力晶體管和4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限式三種。本設(shè)計采用雙極式H型PWM變換器和受限單極式H型PWM變換器。3.2雙極式H型PWM變換器原理圖3-1繪出了雙極式H型PWM變換器的電路原理圖?;鶚O驅(qū)動電壓分為兩組。和同時導(dǎo)通和關(guān)斷,其驅(qū)動電壓和;和同時動作,其驅(qū)動電壓==。在一個開關(guān)周期內(nèi),當(dāng)0≤t≤時,和為正,晶體管和飽和導(dǎo)通;而和為負(fù),和截止。這是,+加在電樞AB兩端,=,電樞電流沿回路1流通?!躷≤T時,和變負(fù),和截止;、變正,但、并不能立即導(dǎo)通,因為在電樞電感釋放儲能的作用下,di沿回路2經(jīng)、續(xù)流,、上的壓降使、c-e極承受反壓,這時,=。在一個周期內(nèi)正負(fù)相間,這是雙極式PWM變換器的特征。圖3-1雙極式H型PWM變換器電路由于電壓的正、負(fù)變化,使電流波形存在兩種情況,如圖3-2中的和。相當(dāng)于電動機(jī)負(fù)載較重的情況,這是平均負(fù)載電流大,在連續(xù)階段電流仍維持正方向,電機(jī)始終工作在第一象限的電動狀態(tài)。相當(dāng)于負(fù)載很輕的情況,平均電流小,在續(xù)流階段電流很快衰減到零,于是和c-e極兩端失去反壓,在負(fù)的電源電壓〔-〕和電樞反電動勢的合成作用下導(dǎo)通,電樞電流反向,沿回路3流通,電機(jī)處于制動狀態(tài)。與此相仿,在0≤t≤期間,當(dāng)負(fù)載輕時,電流也有一次倒向。雙極式PWM變換器的可逆要視正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時,>,那么電樞兩端的平均電壓為正,在電動運行時電動機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)正脈沖較窄時,<,平均電壓為負(fù),電動機(jī)反轉(zhuǎn)。如果正、負(fù)脈沖寬度相等,=,平均電壓為零,那么電動機(jī)停止。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:〔3—1〕以=定義PWM電壓的占空比,那么=〔3—2〕ρ的變化范圍為≤ρ≤1。當(dāng)ρ為正值時,電動機(jī)正轉(zhuǎn);ρ為負(fù)值時,電動機(jī)反轉(zhuǎn);ρ=0時,電動機(jī)停止。在ρ=0時雖然電機(jī)不動,電樞兩端的瞬時電和瞬時電流都不是零,而是交變的。這個交變電流平均值為零,不產(chǎn)生平均轉(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“動力潤滑〞的作用,消除正、反向的靜摩擦死區(qū)。雙極式PWM變換器的優(yōu)點如下:〔1〕電流一定是連續(xù)的;〔2〕可使電動機(jī)在四象限運行;〔3〕電機(jī)停止時有微振電流,能消除靜摩擦死區(qū);〔4〕低速時,每個晶體管的驅(qū)動脈沖仍較寬,有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通;〔5〕低速平穩(wěn)性好,調(diào)速范圍可達(dá)20000左右。經(jīng)典的模擬控制電路主要由PWM電路、延時電路和驅(qū)動電路組成。而PWM發(fā)生電路是采用三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波放大后與一路可調(diào)直流電壓〔電流調(diào)節(jié)器輸出的uk〕進(jìn)行比擬,那么電壓比擬器輸出的是一系列方波信號。如果改變uk的大小,那么方波脈沖寬度將會改變,從而到達(dá)脈寬調(diào)制的目的。其根本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理如圖3-3。脈寬調(diào)制信號的質(zhì)量,對于PWM調(diào)速系統(tǒng)是十分重要的。然而它的質(zhì)量主要取決于三角波信號的質(zhì)量。如果三角波的線性度不好,那么PWM的輸出將得不到對稱的波形。這對調(diào)速系統(tǒng)來說,將大大地降低系統(tǒng)的性能,出現(xiàn)正反轉(zhuǎn)不平衡。(a〕(b)圖3-3PWM根本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理(a)根本電路結(jié)構(gòu)(b)直流PWM調(diào)制原理根據(jù)其工作原理,當(dāng)控制電壓改變時,PWM變換器的輸出電壓要到下一個周期方能改變。因此,脈寬調(diào)制器和PWM變換器合起來可以看成一個滯后環(huán)節(jié),它的延時最大不超過一個開關(guān)周期T。那么,當(dāng)整個系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截至頻率滿足下式時〔3—3〕可將滯后環(huán)節(jié)近似看成一階慣性環(huán)節(jié)。因此,脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)可近似看成〔3—4〕式中脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù);PWM變換器的輸出電壓;脈寬調(diào)制器的控制電壓。4H橋PWM直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真4.1雙極式H橋PWM直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真4.1.1雙極式PWM發(fā)生器防真模型圖4-1雙極式PWM發(fā)生器防真模型4.1.2雙極式PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖4-2雙極式PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型在如圖4-3轉(zhuǎn)速給定條件下,可以得到H橋PWM調(diào)速系統(tǒng)的電樞電流,電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速響應(yīng)的仿真圖。圖4-3轉(zhuǎn)速給定圖4-4雙閉環(huán)系統(tǒng)電樞電流仿真圖圖4-5雙閉環(huán)系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩仿真圖圖4-6

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