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1、湘潭大學(xué)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)院:信息工程學(xué)院姓名:謝晗班級(jí):11自動(dòng)化1班學(xué)號(hào):2011551633題目:PWM脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師:易靈芝時(shí)間:2014年7月2日PWM脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及MATLAB仿真驗(yàn)證第一章 系統(tǒng)概述1.1 設(shè)計(jì)目的1. 掌握轉(zhuǎn)速,電流雙閉環(huán)控制的雙極式PWM直流調(diào)速原理。2. 掌握并熟練運(yùn)用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。1.2 設(shè)計(jì)題目轉(zhuǎn)速,電流雙閉環(huán)控制的H型雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng),已知:直流電動(dòng)機(jī):允許過(guò)載倍數(shù)=2;時(shí)間常數(shù):=0.015s,=0.2s;PWM環(huán)節(jié)的放大倍數(shù):=4.8,;電樞回路總電阻:R=1;電樞電阻Ra=0.5。調(diào)節(jié)器

2、輸入輸出電壓=10V.采用MATLAB對(duì)雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,繪制直流調(diào)速系統(tǒng)(Id=const)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線(1、有ACR限幅值;2、無(wú)ACR限幅值)仿真框圖,仿真得出啟動(dòng)轉(zhuǎn)速,起動(dòng)電流,直流電壓Ud,ASR,ACR輸出電壓的波形。并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容1 簡(jiǎn)述設(shè)計(jì)題目及對(duì)題目的分析;2 簡(jiǎn)述雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)原理;3 簡(jiǎn)述電流環(huán),轉(zhuǎn)速環(huán)的控制原理;4 對(duì)電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算選?。?5 根據(jù)電流環(huán)、轉(zhuǎn)速換的參數(shù)進(jìn)行MATLAB仿真;第二章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)式的雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)2.1 雙極式PWM調(diào)速原理可逆PWM變換器主電路有多種形式,最常用的是橋

3、式(亦稱H形)電路,如圖2-1所示,電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨全控型電力電子器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)而改變。圖2-1 橋式可逆PWM變換電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系是:。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),當(dāng)0t<時(shí) ,電樞電流id沿回路1流通;當(dāng)t<T時(shí),驅(qū)動(dòng)電壓反號(hào),id沿回路2經(jīng)二極管續(xù)流,。因此,在一個(gè)周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形,這是雙極式名稱的由來(lái)。2.2 雙極式PWM調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)1 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn):(1)電流一定連續(xù);(2)可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行;(3)電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流,能消除靜磨擦死區(qū);(4)低速平穩(wěn)性好,系統(tǒng)的調(diào)速范圍大;(5)低速時(shí)

4、,每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬,有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。2 雙極式控制方式的不足之處是: 在工作過(guò)程中,4個(gè)開(kāi)關(guān)器件可能都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài),開(kāi)關(guān)損耗大,而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故,為了防止直通,在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間,應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。2.3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)原理2.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。圖2-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖圖中,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,在用電流調(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,稱作電流內(nèi)環(huán);速度換在外邊,稱作轉(zhuǎn)速外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙

5、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2.3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。圖2-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖分析靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征,一般使存在兩種狀況:飽和輸出達(dá)到限幅值,不飽和輸出未到達(dá)限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí),輸出為恒值,輸入量的變化不再影響輸出,除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和,換句話說(shuō),飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出的關(guān)系,相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí),PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。 實(shí)際上,在正常運(yùn)行時(shí),電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此,對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō),只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和的兩種情況。2.3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)

6、結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示。圖2-4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),為了引出電流反饋,在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電流顯露出來(lái)。電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了飽和、退飽和、不飽和三種狀態(tài)。2.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的作用1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(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)速很快地跟隨給定電壓變化, 如果采用PI調(diào)節(jié)器,則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流2. 電流調(diào)節(jié)器的作用在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程中,使電流緊緊跟隨其給定電壓(即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出;量的變化。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(guò)程中,

7、保證獲得電機(jī)允許的最大電流。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí),限制電樞電流的最大值,起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失,系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。第三章 系統(tǒng)參數(shù)的確定3.1 整流電路失控時(shí)間及濾波時(shí)間的確定3.1.1 整流電路平均失控時(shí)間常數(shù)失控時(shí)間是隨機(jī)的,它的大小隨電源電壓發(fā)生變化的時(shí)刻而變化,最大可能失控時(shí)間是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間,與交流電源和整流電路形式有關(guān),由下式確定:式中f-交流電源頻率;m-一周內(nèi)整流電壓脈沖數(shù)。相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來(lái)說(shuō),一般情況下取統(tǒng)計(jì)平均值,認(rèn)為是常數(shù)。對(duì)于雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng),其晶閘管的開(kāi)關(guān)頻率一般在10K赫茲以上,在此取3.1.2 電流濾波時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)

8、速濾波時(shí)間常數(shù)雙極式PWM電路每個(gè)波頭的時(shí)間為為了基本濾平波頭,應(yīng)該選擇,根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)的紋波情況,取 3.2 反饋系數(shù)的確定轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 3.3 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的確定3.3.1 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)的計(jì)算按小時(shí)間常數(shù)近似處理,取3.3.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求,并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差,可以按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的,因此可以用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)如下:檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能: 各項(xiàng)指標(biāo)可以接受3.3.3 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù): 電源開(kāi)環(huán)增益: 取=0.5 ,因此于是,ACR的比例系數(shù)為3.3.4 校驗(yàn)近似條件 電流

9、環(huán)截止頻率: 1. 校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件 滿足近似條件2. 校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 滿足近似條件3. 校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件3.3.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-1所示,按所用運(yùn)算放大器取,各電阻和電容值計(jì)算如下: 取23 取0.65uF 取0.1uF按照上述參數(shù),電流環(huán)可達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為:=4.3%5% 滿足設(shè)計(jì)要求圖3-1 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器3.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的確定3.4.1 確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù),按小時(shí)間常數(shù)近似處理,轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)3.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇為了實(shí)現(xiàn)

10、轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié),它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中。選擇擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)器應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié),所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典II型系統(tǒng),這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)性能好的要求。由此可見(jiàn),ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為:電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為 3.4.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速節(jié)器的參數(shù)按跟隨和抗擾性能都比較好的原則,取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為:轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益為: ASR的比例系數(shù)為3.4.4 檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 1. 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 滿足簡(jiǎn)化條件2.轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件3.4.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速

11、調(diào)節(jié)器的原理圖如圖3-2所示,取,則 取1774 取0.1 取13.4.6 核定轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí),=81.2%,代入上式得 滿足設(shè)計(jì)要求圖3-2 含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器第四章 MATLAB仿真設(shè)計(jì)4.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖如圖4-1所示:圖4-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖4.2 仿真結(jié)果1.啟動(dòng)電流,啟動(dòng)轉(zhuǎn)速如圖4-24-2. 啟動(dòng)電流,啟動(dòng)轉(zhuǎn)速圖2.仿真結(jié)果4-3仿真結(jié)果圖第五章 小結(jié)本次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)1.5周,在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中,我不僅鞏固了以前所學(xué)到的知識(shí),更學(xué)到了許多課外的知識(shí)。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì),我也發(fā)現(xiàn)了很多平時(shí)學(xué)習(xí)中的不足,可謂是收獲頗多。 通過(guò)這次課設(shè),我不僅在知識(shí)上有了進(jìn)一步的鞏固和提高,在求學(xué)和研究的心態(tài)上也有不小的進(jìn)步。我想無(wú)論是在學(xué)習(xí)還是在生活上只有自己有心去學(xué)習(xí)和參與才可能有收獲,同時(shí)我也深深感受到理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性。以前一直覺(jué)得理論知識(shí)離我們很遠(yuǎn),經(jīng)過(guò)課程設(shè)計(jì),才發(fā)現(xiàn)理論知識(shí)與生活的聯(lián)系。這大大激發(fā)我學(xué)習(xí)書本的興趣。再者我們學(xué)習(xí)的是

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