課程設計：直流PWM-M可逆調速系統(tǒng)的設計與仿真

1、直流PWM-M可逆調速系統(tǒng)的設計與仿真摘 要當今，自動化控制系統(tǒng)已經在各行各業(yè)得到了廣泛的應用和發(fā)展，而直流調速控制作為電氣傳動的主流在現代化生產中起著主要作用。本文主要研究直流調速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電動機。長期以來，直流電動機因其具有調節(jié)轉速比較靈活、方法簡單、易于大范圍內平滑調速、控制性能好等特點，一直在傳動領域占有統(tǒng)治地位。 微機技術的快速發(fā)展，在控制領域得到廣泛應用。本文對基于微機控制的雙閉環(huán)可逆直流PWM調速系統(tǒng)進行了較深入的研究，從直流調速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)的數學模型，用微機硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個將微機和

2、電力拖動控制相結合的新的控制方法，研究工作在對控制對象全面回顧的基礎上，重點對控制部分展開研究，它包括對實現控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的探討等內容。在硬件方面充分利用微機外設接口豐富，運算速度快的特點，采取軟件和硬件相結合的措施，實現對轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的控制。 論文分析了系統(tǒng)工作原理和提高調速性能的方法，研究了IGBT模塊應用中驅動、吸收、保護控制等關鍵技術.在微機控制方面，討論了數字觸發(fā)、數字測速、數字PWM調制器、雙極式H型PWM變換電路、轉速與電流控制器的原理,并給出了軟、硬件實現方案。關鍵詞：PWM調速、直流電動機、雙閉環(huán)調速 目 錄前 言1第1章 直流P

3、WM-M調速系統(tǒng)2第2章 UPE環(huán)節(jié)的電路波形分析4第3章 電流調節(jié)器的設計63.1 電流環(huán)結構框圖的化簡63.2 電流調節(jié)器參數計算73.3 參數校驗83.3.1 檢查對電源電壓的抗擾性能：83.3.2 晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件83.3.3 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件83.3.4 電流環(huán)小時間常數近似處理條件93.4 計算調節(jié)器電阻和電容9第4章 轉速調節(jié)器的設計114.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數114.2 轉速環(huán)結構的化簡和轉速調節(jié)器結構的選擇114.3 轉速調節(jié)器的參數的計算144.4 參數校驗144.4.1 電流環(huán)傳遞函數化簡條件154.4.2 轉速環(huán)小時間常數近

4、似處理條件154.5 計算調節(jié)器電阻和電容154.6 調速范圍靜差率的計算16第5章 系統(tǒng)仿真175.1 仿真軟件Simulink介紹175.2 Simulink仿真步驟175.3 雙閉環(huán)仿真模型175.4 雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形圖18結 論19參考文獻20前 言直流PWM_M調速系統(tǒng)幾年來發(fā)展很快，直流PWM_M調速系統(tǒng)采用全控型電力電子器件，調制頻率高，與晶閘管直流調速系統(tǒng)相比動態(tài)響應速度快，電動機轉矩平穩(wěn)脈動小，有很大的優(yōu)越性，在小功率調速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。直流PWM_M調速系統(tǒng)與晶閘管調速系統(tǒng)的不同主要在變流主電路上，采用了脈寬調制方式，轉速和電流的控制盒晶閘管直流調速系統(tǒng)

5、一樣。 直流PWM_M調速系統(tǒng)的PWM變換器有可逆和不可逆兩類，二可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。這里主要研究H型主電路雙極式的PWM_M調速系統(tǒng)和受限單極式PWM_M調速的仿真，并通過仿真分析直流PWM_M可逆調速系統(tǒng)的過程。在現代科學技術革命過程中，電氣自動化在20世紀的后四十年曾進行了兩次重大的技術更新。一次是元器件的更新，即以大功率半導體器件晶閘管取代傳統(tǒng)的變流機組，以線形組件運算放大器取代電磁放大器件。后一次技術更新主要是把現代控制理論和計算機技術用于電氣工程，控制器由模擬式進入了數字式。在前一次技術更新中，電氣系統(tǒng)的動態(tài)設計仍采用經典控制理論的方法。而后一次技術

6、更新是設計思想和理論概念上的一個飛躍和質變，電氣系統(tǒng)的結構和性能亦隨之改觀。在整個電氣自動化系統(tǒng)中，電力拖動及調速系統(tǒng)是其中的核心部分。 在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓。從閉環(huán)反饋結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，是內環(huán)，按典型型系統(tǒng)設計；轉速調節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型型系統(tǒng)設計。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質，調節(jié)器均采用PI調節(jié)器并對系統(tǒng)進行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測，轉速還則是采用了測速電機進行檢測，達到了比較理想的檢測效果。第1章 直流PW

7、M-M調速系統(tǒng)整個系統(tǒng)上采用了轉速、電流雙閉環(huán)控制結構，如圖4-1所示。在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓。從閉環(huán)反饋結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，是內環(huán)，按典型型系統(tǒng)設計；轉速調節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型型系統(tǒng)設計。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質，調節(jié)器均采用PI調節(jié)器并對系統(tǒng)進行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測，轉速還則是采用了測速電機進行檢測，達到了比較理想的檢測效果。主電路部分采用了以GTR為可控開關元件、H橋電路為功率放大電路所構成的電路結構。控

8、制PWM脈沖波形，通過調節(jié)這兩路波形的寬度來控制H電路中對電機速度的控制。 圖1-1閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖直流調速系統(tǒng)的結構如上圖所示，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器件，如GTO、IGCT等;對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管裝置。根據自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調量出現偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。圖1-2橋式可逆PWM變化器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅動電壓波

9、形如圖2-1它們的關系是： 。在一個開關周期內，當 時， ，電樞電流 沿回路1流通；當 時，驅動電壓反號， 沿回路2經二極管續(xù)流， 。因此， 在一個周期內具有正負相間的脈沖波形。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別是轉速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制PWM調制器。轉速調節(jié)器在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器都采用PI調節(jié)器。第2章 UPE環(huán)節(jié)的電路波形分析圖2-1雙極式控制時的電壓和電流波形。電動機電樞電壓的平均值則體現

10、在驅動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時， ，則 的平均值為正，電動機正轉；反之則反轉。如果正、負脈沖相等， ，平均輸出電壓為零，則電動機停止。圖4所示的波形是電動機工作在正向電動時的情況。 圖2-1式控制可逆PWM變換器波形直流電動機的電樞電壓的正、負變化，使電流波形隨之波動。電流波形存在兩種情況，如圖2的和。相當于電動機負載較重的情況，這時負載電流大，在續(xù)流階段電流仍維持正方向，電動機始終工作在第象限的電動狀態(tài)。相當于負載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是二極管終止續(xù)流，而反向開關器件導通，電樞電流反向，電動機處于制動狀態(tài)。電流中的線段3和4是工作在第象限的制動狀

11、態(tài)。電樞電流的方向決定了電流是經過續(xù)流二極管VD還是經過開關器件VT流動。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為若占空比和電壓系數的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中就和不可逆變換器中的關系不一樣了。調速時，的可調范圍為，相應地，。當時，為正，電動機正轉；當時，為負，電動機反轉；當時，電動機停止。第3章 電流調節(jié)器的設計3.1 電流環(huán)結構框圖的化簡在上圖點劃線框的電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉速成正比，它代表轉速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數 遠小于機電時間常數 ，因此，轉速的變化往往比電流變化

12、慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即 ，這樣，在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，得到的電流環(huán)的近似結構框圖如圖4-4。圖3-1 忽略反電動勢的動態(tài)影響如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內，同時把給定信號改成，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)和比小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數為：則電流環(huán)結構框圖最終簡化成圖3-2。圖3-2 小慣性環(huán)節(jié)近似處理3.2 電流調節(jié)器參數計算電流環(huán)的控制對象是雙慣性的，要校正成典型型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的調節(jié)器，其傳遞函數可以寫成式中

13、-電流調節(jié)器的比例系數 -電流調節(jié)器的超前時間常數為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數極點對消，選擇 （3-3）則電流環(huán)的動態(tài)結構框圖便成為圖所示的典型形式，其中 （3-4）比例系數，可根據所需的動態(tài)性能指標選取。設計要求電流超調量，查表可選， 已知三相橋式電路的平均失控時間=電流環(huán)開環(huán)增益： 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調節(jié)器都不飽和時。各變量之間的關系： 令兩個調節(jié)器的輸入和輸出最大值都是，額定轉速，額定電流，最大電流，為過載倍數，一般取為1.5。轉速反饋系數： 電流反饋系數： 電流調節(jié)器超前時間：，則電流調節(jié)器的比例系數：3.3 參數校驗3.3.1 檢查對電源電壓的抗擾性能：，查

14、表典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能都是可以接受的。電流截止頻率：3.3.2 晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件滿足近似條件。3.3.3 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 機電時間： 滿足近似條件。3.3.4 電流環(huán)小時間常數近似處理條件滿足近似條件。3.4 計算調節(jié)器電阻和電容圖3-3 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調節(jié)器電流調節(jié)器原理圖如圖4-6所示，按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下： 取 取 取按照上述參數，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為 滿足設計要求第4章 轉速調節(jié)器的設計4.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數電流環(huán)經化簡后可視作轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此需要求出它的閉環(huán)傳遞函數，可知

15、：忽略高此項，可降階近似為：接入轉速環(huán)內，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為，因此電流環(huán)在轉速環(huán)中應等效為：這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數的一階慣性環(huán)節(jié)。這表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用。4.2 轉速環(huán)結構的化簡和轉速調節(jié)器結構的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖4-1所示。圖4-1 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)和電流環(huán)中一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內，同時將給定信號改成，時間常數和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近時間常數為的慣性環(huán)節(jié)，其中.圖4-2 等效成單位負反饋和小慣性的近似處理

16、為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器中。至于階躍響應超調量較大，線性系統(tǒng)的計算數據，實際系統(tǒng)中轉速調節(jié)器的飽和非線性性質會使超調量大大降低。由此可見也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數為：式中 -轉速調節(jié)器的比例系數 -轉速調節(jié)器的超前時間常數調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為：令轉速環(huán)開環(huán)增益為：14 在典型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數中，時間常數是控制對象固定的，待定的參數有和。為了分析方便，引入一個新的變量，令是斜率為的中頻段的寬度，稱作中頻寬在一般情況下，點處在特性段因此 在工程設計中，如果兩個參數都任意選擇，工作量顯然很大，為此采用“振蕩指標法”中的閉環(huán)幅頻特性峰

17、值最小準則，可以找到和兩個參數之間的一種最佳配合。只有一個確定的可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值，這時和，之間的關系是 以上兩式稱作準則的“最佳頻比”，因而有確定之后根據上式即可分別求得和?？傻每芍D速環(huán)開環(huán)增益為因此4.3 轉速調節(jié)器的參數的計算已知，電流環(huán)等效時間常數： 令，則小時間常數近似處理的時間常數為：按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則的超前時間常數為： 轉速環(huán)開環(huán)增益為： 則的比例系數為： 4.4 參數校驗轉速環(huán)的截止頻率為： 4.4.1 電流環(huán)傳遞函數化簡條件滿足簡化要求。4.4.2 轉速環(huán)小時間常數近似處理條件滿足近似條件。4.5 計算調節(jié)器電阻和電容圖4-3 含給定濾波與反饋

18、濾波的PI型轉速調節(jié)器轉速調節(jié)器原理圖如圖所示，取，則 取 取 取4.6 調速范圍靜差率的計算取靜差率： 調速范圍： 第5章 系統(tǒng)仿真5.1 仿真軟件Simulink介紹Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(G

19、UI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。.5.2 Simulink仿真步驟(1) 在MATLAB命令窗口中輸入simulink，桌面上出現一個稱為Simulink Library Browser的窗口，在這個窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。(2) 打開MATLAB中的Simul

20、ink工具箱，將所需模塊拖入模型編輯窗口并將其相連。(3) 將設計的開環(huán)調速系統(tǒng)的參數輸入各個模塊，運調試功能，如果無誤后就可以運行系統(tǒng)。(4) 運行后便可通過模擬示波器觀察波形。5.3 雙閉環(huán)仿真模型電流環(huán)、轉速環(huán)，雙閉環(huán)仿真模型如圖5-1所示。圖5-1 雙閉環(huán)仿真模型5.4 雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形圖電流環(huán)、轉速環(huán)，雙閉環(huán)仿真模型如圖5-2所示。圖5-2 雙閉環(huán)仿真波形仿真中，ASR調節(jié)器經過了不飽和、飽和、退飽和三個階段，最終穩(wěn)定運行于給定轉速。電流調節(jié)起作用:自動限制最大電流，能有效抑制電網電壓波動的影響，速度調節(jié)可調節(jié)轉速可整定轉速反饋系數以整定系統(tǒng)的額定轉速。仿真結果符合實際情況，說明參

21、數的選擇設計較為合適。結 論轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器串級連接，轉速反饋環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內環(huán)。速度調節(jié)器的輸出即為電流給定，其輸出限幅值即為最大電流給定值。調整限幅值的小或調整電流反饋系數就可方便地改變最大電流 。在起、制動過程中，速度調節(jié)器很快入飽和，輸出限幅值為電流環(huán)提供了最大電流給定，電流調節(jié)器為PI調節(jié)器，在它的調節(jié)作用下使電流保持在最大值，這時系統(tǒng)實際上為一個恒值電流調節(jié)系統(tǒng)。由于電流環(huán)的調節(jié)作用使系統(tǒng)的起、制動過渡過程中電流的波形接近于理想的最佳過渡波形。當轉速超調后，速度調節(jié)器退出飽和，對轉速起主要調節(jié)作用，電流環(huán)成為電流隨動系統(tǒng)。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)效正的設計與調試是先按內環(huán)（電流環(huán)）后外環(huán)（轉速環(huán)）的順序進行的，因為在動態(tài)過程中可以認為外環(huán)對內環(huán)幾乎沒有影響，而內環(huán)是外環(huán)的一個組環(huán)節(jié)。從快速起動系統(tǒng)的要求出發(fā)，可按典