直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真

1、直流w調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真第一章摘要弟一早主電路的設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)要求2.2電路設(shè)計(jì)及分析2.2.1電流調(diào)節(jié)器2.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.3系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析2.4電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.4.1電流環(huán)的簡化2.4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.4.3電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)2.5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)第三章2.5.1電流環(huán)等效傳遞函數(shù)2.5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇2.5.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)3.1電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算3.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)計(jì)算第四章pwm控制器的建模 第五章系統(tǒng)仿真第一章摘要雙閉環(huán)（電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)）調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛的電 力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。反饋閉環(huán)控 制系統(tǒng)具有良好的抗

2、擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾 動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和pi調(diào)節(jié)器的單閉環(huán) 的調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無差。在單閉環(huán)系 統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在 超過臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很 理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。關(guān)鍵字：pwm脈寬直流調(diào)速mat lab仿真第二章 主電路的設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)要求(1) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo):轉(zhuǎn)速無靜差；(2) 動(dòng)態(tài)指標(biāo):電流超調(diào)量o w5%,空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速超 調(diào)量?？诙?0%。2.2電路設(shè)計(jì)及分析根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)可知，可選擇pi控制的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)亡流調(diào) 速系統(tǒng)

3、，以完全達(dá)到系統(tǒng)需要，使得系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)無靜差 調(diào)速，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖1-1所示。圖1-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)思路；通過pwm脈寬調(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，從而可以得到可變的平 均輸出電壓，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)主轉(zhuǎn)速n,通過測速發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)速以 電壓的形式反饋到轉(zhuǎn)速環(huán)，(典型ii系統(tǒng)設(shè)計(jì))，通過電流互感器將電 力電子變換裝置的電流id以電壓的形式反饋到電流環(huán)，(用典型ii系統(tǒng)設(shè)計(jì)），該方案中主要的環(huán)節(jié)是pwm脈寬調(diào)制的動(dòng)態(tài)模型的建立。2.2.1電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸

4、出量）變化。對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。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。由 于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入， 需加低通濾波。2.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(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。它對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定 電機(jī)允許的最大電流。由于測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有 換向紋波，因此也需要濾波。圖1-2系統(tǒng)實(shí)際動(dòng)態(tài)原理框圖2.3系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析p調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而pi調(diào)節(jié)器則不 然，其輸出量在動(dòng)態(tài)過程中決定于于輸

5、入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí), 輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)數(shù)"仏(1-1)"max電流反饋系數(shù)數(shù)(12) 【dm2.4電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.4.1電流環(huán)的簡化在圖1-2虛線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動(dòng)勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來麻煩。實(shí)際中，對(duì)電流環(huán)來說， 反電動(dòng)勢是一個(gè)變化比較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過程中，可以 認(rèn)為反電動(dòng)勢基本不變，即4e錯(cuò)誤!未找到引用源。0其中忽 略反電動(dòng)勢對(duì)電流環(huán)的近似條件是錯(cuò)誤!未找到引用源。(13)式中qi電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾

6、波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同 時(shí)把給定信號(hào)改為：($)/b錯(cuò)誤!未找到引用源。，則電流環(huán)便等效 成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖13b所示，從這里可以看出兩個(gè)濾波 時(shí)間常數(shù)取值相同的方便之處。最后，由于耳和7； 般都比錯(cuò)誤味找到引用源。7；小得多,可以當(dāng)作小慣性群而近似看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為錯(cuò)誤!未找到引用源。"£ +乙(14)則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖l-3c所示。簡化的近似條件為錯(cuò)誤!未找到引用源。(15)圖13電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化(a)忽略反電動(dòng)勢的動(dòng)態(tài)影響(b)等效成單位負(fù)反饋(c)小慣性環(huán)節(jié)近似處理2.4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)從穩(wěn)態(tài)要求上看，希

7、望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性, 由圖13c可以看出，采用i型系統(tǒng)就夠了。圖13c表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型i型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用pi型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù) 可以寫成%(s)="s + l)(16)式中k,一一電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 耳一一電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇 錯(cuò)誤!未找到引用源。、=!(17)則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖14所示的典型形式，其中 錯(cuò)誤!未找到引用源。k嚴(yán)宅(18)圖1-4校正成典型i型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2. 4.3電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的模擬式pi型電流調(diào)節(jié)器原

8、理圖如 圖1-5所示。圖中錯(cuò)誤!未找到引用源。為電流給定電壓。錯(cuò)誤! 未找到引用源。-ba,為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力 電子變換器的控制電壓匕錯(cuò)誤!未找到引用源。uco0/d原理圖15含給定濾波和反饋濾波的模擬式pi型電流調(diào)節(jié)器根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，可以容易地導(dǎo)出錯(cuò)誤!未找到引用源。k弋(114)錯(cuò)誤!未找到引用源。t嚴(yán)rc(115)錯(cuò)誤!未找到引用源。(116)2.5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.5.1電流環(huán)等效傳遞函數(shù)由校正后的電流結(jié)構(gòu)框圖可知錯(cuò)誤!未找到引用源。必(滬性二一lsg)/b生芒+丄s + i( k,(117)忽略高次項(xiàng)，錯(cuò)誤!未找到引用源?？山惦A近似為錯(cuò)誤!未找到引用源

9、。-s + 1（118） 近似條件為錯(cuò)誤!未找到引用源。必冷俟（13 v厶i19）式中錯(cuò)誤!未找到引用源。一一轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻 率。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電力換等效環(huán)節(jié)的輸入量為;g）錯(cuò)誤!未找 到引用源。，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為1 錯(cuò)誤!未找到引用源。u（$） b 丄 s + 1 b（120）這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后, 可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)錯(cuò)誤!未找到引用源。的一 階慣性環(huán)節(jié)。2.5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)的選擇把電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)接入轉(zhuǎn)速環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖16a所示。和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)

10、將給定信號(hào)改成u；5卜錯(cuò)誤!未 找到引用源。，再把時(shí)間常數(shù)為錯(cuò)誤!未找到引用源。和錯(cuò)誤!未 找到引用源。的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù) 為錯(cuò)誤!未找到引用源。的慣性環(huán)節(jié)，其中錯(cuò)誤味找到引用源。抵=丄+瞌k(121)則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡化成圖l-6b由于需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，而且在后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán) 節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(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，asr也應(yīng)該采用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 錯(cuò)誤!未找到引用源。叫災(zāi)($) = "$ + 1)(122)式中 錯(cuò)誤!未找到引用源。一一轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

11、的比例系數(shù)；錯(cuò)誤!未找到引用源。一一轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超其時(shí)間常數(shù)。氏g)+a(a)4ll(s)a(b)心d)s爲(wèi)廬+1)(c)圖1-6轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化(a)用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)(b)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性系統(tǒng)的近似處理(c)校正后成為典型ii型系統(tǒng)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為錯(cuò)誤!未找到引用源。不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 一6c所示。2.5.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的原理圖如圖1 7所示，圖中錯(cuò)誤!未找到引用源。為轉(zhuǎn)速給定電壓，錯(cuò)誤!未 找到引用源。-an為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié) 器的給定電壓錯(cuò)誤!未找到

12、引用源。r“c ne=ii-rorop2r- cono anit-jp on尺bal圖1-7含給定濾波與反饋濾波的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)身調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系 為錯(cuò)誤!未找到引用源。k"七(126)錯(cuò)誤!未找到引用源。t”=r”c”(127)to.=roc()n(128)第三章系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)ts查表的：三相橋式電路的平均失控時(shí)間ts=00017。整流電路形最大失控時(shí)間平均失控時(shí)間式tsmax/msts/ms單相半波2010單相橋式（全105波）6.673.33三相半波3.331.67三相橋式2）電流濾

13、波時(shí)間常數(shù)toio三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是33ms,為了基本慮平波頭，應(yīng)有（12） toi二3.33ms,因此取toi=2mso3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和©二ts+toi二0. 0037so（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求超調(diào)量° <=5%,并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可 按典型i型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器?？捎胮i型電流調(diào)節(jié)器。檢查 電源電壓的抗擾性能：t1/t;=t2/t1=8. 11,各項(xiàng)性能指標(biāo)都是可以接受的。上式 t1=l/r=o. 03so(3) 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：t,. =tl=0.03so電流環(huán)開環(huán)增益：要求超調(diào)量0 <二5%時(shí)，

14、應(yīng)取g二05, 因此ki二0. 5/4=135. ls-1心厶1.0137 k0(4) 檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：©二ki二135. ls-11) 檢驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件l/3ts二196. ls-l> % 滿足近似條件2) 檢驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件=40. 82st®滿足近似條件3) 檢驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件(1/3) v 1/tstoi二 180. 8s-1>%滿足近似條件按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為：超調(diào)量q二4.35%5%滿足設(shè)計(jì)要求3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算(1)確定時(shí)間常數(shù)1)電流等效時(shí)間

15、常數(shù)丄1“f。=0.5 ,則kr= 2x0.0037 = 0.00745 o2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)町” =0.01 s。3 ）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)乞o近似處理?xiàng)l件，取e=pg=00174s。（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。選用pi調(diào)節(jié)器(3)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)h=5, tn = ht” = 0.087s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益心二力+12?=396.4$asr的比例系數(shù)為kns+i)0cz2hart%（4）檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 = = k応嚴(yán)34.5/31）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件£國= 63.7s->%滿足簡化條件3 gcn2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件瞪ef滿足簡化條件在退飽和的情況下，計(jì)

16、算轉(zhuǎn)速超調(diào)有（竺吟如 =2（蘭吸）仇一切怦生 （2-6） cb nchn tm在 h二5 時(shí)有如竺二81.2%； >1=1.5； tm=0. 07s； . =0. 0012s；q二0.133；空載啟動(dòng)時(shí)有z = o；即可求得37x1.5<7, =2x812%xl.5x-xlxl00%«10.22%由此可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量大于要求的10%,可在仿真文件中進(jìn)行調(diào) 整并獲得良好電流轉(zhuǎn)速波形。第四章pwm控制器的建模無論哪種pwm變換器電路其驅(qū)動(dòng)電壓都是由pwm控制器 發(fā)出,控制器可以是模擬的，也可以是數(shù)字的.pwm控制器與變換器的動(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

17、壓改變時(shí),pwm輸出平均電壓按線性變 化，因此pwm裝置可以看成一個(gè)滯后裝置，當(dāng)開關(guān)頻率為10khz 時(shí),t=o.lms,在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小 的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)：但需注意，這只是近似的傳遞函數(shù),實(shí)際上pwm變換器不是 線性環(huán)節(jié),而是具有機(jī)電特性的非線性環(huán)節(jié).在本次設(shè)計(jì)中，設(shè)定匚=0.0067, k廣40,通過改變?cè)O(shè)定值，來改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能.第五章系統(tǒng)的仿真仿真的過程中，通過設(shè)定兩7；和k,個(gè)參數(shù)的值來改善 系統(tǒng)的性能，下面概略描述三個(gè)主要的方針過程，如下：剛開始取參數(shù)7；二0.125,k, =20,在matlab中進(jìn)入simulink 環(huán)境，創(chuàng)

18、建model文件d 堂i e 我的 址matlab |色新建hi. | untitled 丁” _ g scope醫(yī) 丿°：巴鄉(xiāng)3冋 上午09:46系統(tǒng)仿真原理圖根據(jù)上圖建立仿真得到轉(zhuǎn)速、電流波形如圖所示這種情況與理想的結(jié)果相比很不好，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間相當(dāng)長， 電流啟動(dòng)時(shí)間相當(dāng)長，恒電流加速過程短，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段慢?；谝陨闲Ч?，對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正，取0=0.001, k=20,仿真波形如下圖:eile“it simulation firnat iools helpe r呂| x 電 |hor«a二|自各gar<)0 002s*1saturaton 辦”，仙?cn-4>4izgam3 in:imegrdoijr20丿o.cc1s*1tran$fer fcnltranser fcn2o.sc.18s2t transfer fcn3gain! ir:egratorstepltransfer fcnxtransfer fcnsccc«660.01s*1oos0.0c2s-1ready109%ode45電開始i 0魚e " qd:我的文| 4iatlab|wpv» «也新建microh scope邑旦羅3冋0上午09:39與上次相比電流的波形有所改善，啟