直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計_

1、廣西工學院鹿山學院畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目： 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 系 別： 電子信息與控制工程系 專業(yè)班級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 職 稱： 講師 二 一三 年 五 月 二十 日廣西工學院鹿山學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘 要 本課題是對直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的研究，主要是實現(xiàn)電機的調(diào)速。因此在本次設(shè)計中對直流調(diào)速的原理直流調(diào)速控制方式以及調(diào)速的特性、PWM基本原理及實現(xiàn)方式進行了全方面闡述。本文設(shè)計了一種基于直流脈寬調(diào)速控制技術(shù)的直流電機調(diào)速系統(tǒng)。為了得到較好的動靜態(tài)性能，該控制系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)控制，同時速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器都選用PI調(diào)節(jié)器。 本設(shè)計建立了基于脈寬調(diào)制的轉(zhuǎn)速、電流雙

2、閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并分析了系統(tǒng)的基本原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進行分析和計算。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，采用MATLAB軟件對直流電動機雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)進行計算機仿真,并查看仿真波形,以此驗證設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)是否可行。本文在MATLAB環(huán)境下建立了雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)模型，并對系統(tǒng)的性能指標進行了仿真測試，與此同時建立了一套單閉環(huán)系統(tǒng)進行對比測試，表明所設(shè)計的雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達到了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng)；脈寬調(diào)制；轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)；仿真Abstract This paper

3、 is on the design of DC PWM speed system, mainly to achieve motor speed. Therefore, in the design of DC speed control principle of DC speed control and speed control characteristics, PWM basic principles and ways for all aspects of. This paper introduces a design of DC PWM speed control technology o

4、f the DC motor speed control system based on. In order to obtain better dynamic and static properties, the control system adopts double closed loop control, while the speed regulator and current regulator with PI regulator. A mathematical model based on speed and current double closed loop DC speed

5、control of PWM is established in this paper and its principle, static and dynamic performance are analyzed. Then the system parameters are designed, analyzed and calculated according to the automatic control theory. Also, the speed control system of DC motor double closed loop is simulated by use of

6、 MATLAB, and the simulation waveforms are viewed in order to verify whether the design of the speed control system is feasible or not. A double closed loop DC PWM System model is established in the MATLAB environment, and the system performance is simulated and tested. At the same time, a single clo

7、sed loop system is also established to carry out the comparison test, indicating that the operation of the design of double closed loop PWM System is stable and reliable and the system has a good static and dynamic performance, which can meet the design requirements.Key Words: DC speed control syste

8、m, Pulse width modulation, Speed and current double closed loop, SimulationII 目錄1. 緒論1 1.1 課題的背景與意義1 1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1 1.3 本文主要研究內(nèi)容22. 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)32.1 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)概述32.2 PWM脈寬調(diào)制3 2.2.1 PWM基本介紹32.2.2 脈寬調(diào)制變換器分析42.3 采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義62.3.1 轉(zhuǎn)速、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成72.3.2 轉(zhuǎn)速、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理72.3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動特性93. 系統(tǒng)總體設(shè)計123.1 系統(tǒng)建

9、立123.2 系統(tǒng)參數(shù)選取123.2.1 PWM變換器滯后時間參數(shù)123.2.2 反饋系數(shù)的確定123.2.3 電流調(diào)節(jié)器ACR的參數(shù)計算133.2.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的參數(shù)計算133.2.5 電動機參數(shù)計算144. 仿真154.1 仿真模型的建立與設(shè)置154.2 單閉環(huán)系統(tǒng)仿真204.3 雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真224.4 結(jié)果分析24總結(jié)26致謝27參考文獻281 緒論 1.1 課題背景與意義 隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，20世紀末以交流調(diào)速為主導方向調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，其性能可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，她的控制技術(shù)已居于世界先進水平。但由于造價較高，目前在國內(nèi)應(yīng)用局限性較大，在較短的時間內(nèi)難以取

10、代較為落后的直流調(diào)速。相對而言，PWM調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，彌補了這個空白。PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，功率元件少，開關(guān)頻率高，其控制水平從1kHz可到達4kHz，電機電流連續(xù)，低速性能好，諧波少，穩(wěn)態(tài)精度高，脈動小，損耗和發(fā)熱都較小，調(diào)速范圍快，調(diào)速系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)好，動態(tài)抗擾能力強。特別是近幾年大功率CTR、GTO、IGBT的相繼問世，促使其生產(chǎn)水平已達到4500V、2500A，組成的PWM變換器用來驅(qū)動上千千瓦的電動機，廣泛用于交通、工礦企業(yè)等電動傳動系統(tǒng)中，因此對PWM調(diào)速系統(tǒng)的進一步研究，在調(diào)速精度要求較高的場合，對解決傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速精度低、穩(wěn)定性差的難題，具有廣泛的意義和價值

11、。 1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 國內(nèi)在70年代末期也相繼開展了PWM系統(tǒng)的研究，就PWM控制電路、驅(qū)動電路、功率轉(zhuǎn)換電路以及系統(tǒng)的分析和設(shè)計做了不少工作，取得了一些研究成果，在一定的范圍內(nèi)達到了工業(yè)推廣水平，但是由于受到當時技術(shù)條件的限制，大功率晶體管的電壓及電流等級還比較小，僅能做到幾十瓦到十幾千瓦，電壓達到220V。近一二年來，巨型功率晶體管的電壓與電流等級日益提高，制造出的PWM驅(qū)動裝置的容量也原來越大，應(yīng)用范圍日益廣泛。在一定功率范圍內(nèi)，由它取代晶閘管驅(qū)動裝置，已成為明顯趨勢。直流PWM控制技術(shù)作為一門新型的控制技術(shù)，其發(fā)展?jié)摿κ窍喈敶蟮摹?國外于上世紀60年代研究PW

12、M(脈沖寬度調(diào)制）控制技術(shù)，起初用于飛行器中小功率調(diào)速系統(tǒng)，70年代后期，在中等功率的直流調(diào)速系統(tǒng)上較為廣泛地使用PWM驅(qū)動裝置，到了80年代，PWM技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)普及。目前國外公司達到的制造水平是輸出電壓320V,電流300A,調(diào)制頻率110kHz。調(diào)速范圍達1：104，輸出轉(zhuǎn)矩150N·m。 目前，國內(nèi)直流調(diào)速控制的發(fā)展走向主要有一下幾個方面： 1. 提高調(diào)速系統(tǒng)的單機容量。 2.提高電力電子器件的生產(chǎn)水平，使變流器結(jié)構(gòu)變得簡單、緊湊。 3.提高控制單元水平，使其具有控制、監(jiān)聽、保護、診斷及自動復原等多種功能 1.3 本文主要研究內(nèi)容本文從脈寬調(diào)制器的基本原理和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

13、入手，建立了雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并詳細分析了該系統(tǒng)的工作原理。然后按照自動控制原理，該調(diào)速環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進行分析和計算，利用SIMULINK對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。本文的主要工作：設(shè)計PWM脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路和控制環(huán)節(jié)，在MATLAB中實現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計和仿真。主要設(shè)計任務(wù)：(1) 了解PWM脈寬調(diào)制技術(shù)的原理和主電路實現(xiàn)方案；(2) 熟悉PWM脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理；(3) 掌握PWM脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)主電路的組成，掌握PWM脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)的組成和工作原理；(4) 完成PWM脈寬調(diào)

14、制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計和仿真實驗。272 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 2.1 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)概述直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看，就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性，從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。脈寬調(diào)制，是利用電力電子開關(guān)器件的導通與關(guān)斷，將直流電壓變成連續(xù)的直流脈沖序列，并通過控制脈沖的寬度或周期達到變壓的目的。所采用的電力電子器件都為全控型器件，如電力晶體管、功率MOSFET、IGBT等。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定

15、的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動機的電樞端電壓，實現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。PWM型調(diào)速系統(tǒng)在近年來日益成熟，用途越來越廣，與V-M系統(tǒng)相比，在許多方面有比較大的優(yōu)越性：一.直流電源采用不可控三相整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)高。二.主電路元件工作在開光狀態(tài)，導通損耗小，效率高。三.系統(tǒng)快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力高。四.低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬。五.開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電動機損耗和發(fā)熱都較小。六.主電路線路簡單，需要的功率元件少。 2.2 PWM脈寬調(diào)制 2.2.1 PWM基本介紹脈寬調(diào)制的基本原理：脈寬調(diào)

16、制是利用電力電子開關(guān)器件的導通與關(guān)斷，將直流電壓變成連續(xù)的直流脈沖序列，并通過控制脈沖的寬度或周期達到變壓的目的。所采用的電力電子器件都為全控型器件，如電力晶體管、功率MOSFET、IGBT等。PWM變換器調(diào)壓與晶閘管相控調(diào)壓相比有許多優(yōu)點，如需要的濾波裝置很小甚至只利用電樞電感已經(jīng)足夠，不需要外加濾波裝置，電動機的損耗和發(fā)熱較小、動態(tài)響應(yīng)快、開關(guān)頻率高、控制線路簡單等。為達到更好的機械特性要求，一般直流電動機都是在閉環(huán)控制下運行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負反饋和電流截止負反饋。使直流電動機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，當電樞電流保持最大允許值時，電動機以恒

17、加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對電樞電流進行調(diào)節(jié)。 2.2.2 脈寬調(diào)制變換器分析脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類，下面對本課設(shè)用到的可逆做一下簡單的介紹和分析?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T型和H型兩種，其基本電路如圖2-1所示，圖中（a）為T型PWM變換器電路，（b）為H型PWM變換器電路。圖2-1 可逆PWM變換器電路（a）T型 （b）H型T型電路由兩個可控電力電子器件和與兩個續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡單，構(gòu)成系統(tǒng)時便于引出反饋，適用于作為電壓低于50V的電動

18、機的可控電壓源；但是T型電路需要正負對稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型電路的一半。H型電路是實際上廣泛應(yīng)用的可逆PWM變換器電路，它由四個可控電力電子器件和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路。 雙極式可逆PWM變換器的主電路如圖2-1（b）所示。（1）電路構(gòu)成特點 。4個電力晶體管的基極驅(qū)動電壓分為兩組。和同時導通和關(guān)斷，其驅(qū)動電壓；和同時動作，其驅(qū)動電壓。它們的波形圖如圖2-2所示。 圖2-2 雙極式控制可逆PWM變換器的驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形 工作原理。如果電動機的負載較重，平均負載電流較大， VT1和VT4飽和

19、導通；而和為負，VT2和VT3截止。這時，加在電樞AB兩端，電樞電流沿回路流通（見圖2-2），電動機處于電動狀態(tài)。在時，和為負，VT1和VT4截止；和為正，在電樞電感釋放儲能的作用下，電樞電流經(jīng)二極管VD2和VD3續(xù)流，在VD2和VD3上的正向壓降使VT2和VT3的c-e極承受反壓而不能導通，電樞電流沿回路2流通，電動機仍處于電動狀態(tài)。有關(guān)參量波形圖示于圖2-2。如果電動機負載較輕，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零。于是在時，VT2和VT3的c-e極兩端失去反壓，并在負的電源電壓（）和電動機反電動勢E的共同作用下導通，電樞電流反向，沿回路3流通，電動機處于反接制動狀態(tài)。在（）時，和變負，

20、VT2和VT3截止，因電樞電感的作用，電流經(jīng)VD1和VD4續(xù)流，使VT1和VT4的c-e極承受反壓，雖然和為正，VT1和VT4也不能導通，電流沿回路4流通，電動機工作在制動狀態(tài)。有關(guān)參量的波形示于圖3-2。 結(jié)論：雙極式可逆PWM變換器的電流波形和不可逆但有制動電流PWM變換器的差不多，主要區(qū)別在于電壓波形；前者，無論負載是輕還是重，加在電動機電樞兩端的電壓都在和之間變換；后者的電壓只在和0之間變換。這里并未反映出“可逆”的作用。實現(xiàn)電動機制可逆運行，由正、負驅(qū)動電壓的脈沖寬窄而定。如果正、負脈沖寬度相等，平均電壓為零，這時電動機將會停止運轉(zhuǎn)。因為雙極式可逆PWM變換器電動機電樞兩端的平均電壓

21、為 若仍以來定義PWM電壓的占空比，則雙極式PWM變換器的電壓占空比為。改變即可調(diào)速，的變化范圍為。為正值，電動機正轉(zhuǎn)；為負值，電動機反轉(zhuǎn)；，電動機停止運轉(zhuǎn)。在時，電動機雖然不動，但電樞兩端的瞬時電壓和流過電樞的瞬時電流都不為零，而是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增加了電動機的損耗，當然是不利的。由于本次設(shè)計要求電機能實現(xiàn)啟動、制動、正反轉(zhuǎn)，并且能進行無極調(diào)速等。又根據(jù)雙極式H型可逆PWM變換器具有的優(yōu)點：1.電流連續(xù)；2.可使電動機實現(xiàn)四象限動行；3.在低速時，每個電力設(shè)備的驅(qū)動脈沖仍較寬，可靠導通器件；4.在電動機停止時產(chǎn)生的微振交變電流，可以有效的消除靜摩擦死區(qū)；

22、5低速平穩(wěn)性好，可達到20000左右的調(diào)速范圍。綜上，本次設(shè)計我們選擇雙極式H型可逆PWM變換器。主電路如圖2-3所示。圖2-3 H橋主電路 2.3 采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng), 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點和設(shè)計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。首先，應(yīng)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性；然后，在建立該系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個調(diào)節(jié)器的作用；第三，研究一般調(diào)節(jié)器

23、的工程設(shè)計方法，和經(jīng)典控制理論的動態(tài)校正方法相比，得出該設(shè)計方法的優(yōu)點，即計算簡便、應(yīng)用方便、容易掌握；第四，應(yīng)用工程設(shè)計方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計問題，等等。 通過對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。并以此為基礎(chǔ)，再對交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個生產(chǎn)領(lǐng)域 2.3.1 轉(zhuǎn)速.電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖.2-4為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系

24、統(tǒng)原理圖。為了使轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，建立整個系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器的ASR ACR。圖3-2顯示，電流調(diào)節(jié)器和電流檢測反饋環(huán)和電流環(huán)；調(diào)速器ASR和速度檢測反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成速度環(huán)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由于速度環(huán)包圍電流回路，使電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)為外環(huán)。在電路中，串聯(lián)ASR和ACR，ASR輸出正比積分控制器，輸入和輸出設(shè)置一個限幅電路。ACR輸出限幅為，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。ASR輸出限幅值為，它決定了主回路中的最大允許電流。 圖2-4 雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 2.3.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 以便更清楚地理解速度的特性，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，必須穩(wěn)定的雙閉環(huán)調(diào)速

25、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，圖2-5是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。的輸入輸出信號的極性，ACR和ASR，主要取決于觸發(fā)電路的控制電壓的要求。如果對ACR的輸出觸發(fā)是積極的，對輸入的總方向調(diào)節(jié)，要求ACR輸入負；因此，在給定的輸入電壓是正的ASR的要求。圖2-5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 以電流調(diào)節(jié)器ACR為核心的電流環(huán)。電流環(huán)由電流調(diào)節(jié)器ACR和電流負反饋環(huán)組成閉合回路，通過電流負反饋的作用去穩(wěn)定電流。由于ACR為PI調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時，其輸入偏差電壓為，即。其中為電流負反饋系數(shù)。當一定時，整流裝置的輸出電流由于電流負反饋的調(diào)節(jié)作用維持在數(shù)值上。若出現(xiàn)情況時，自動調(diào)節(jié)過程為 (2-1)保持穩(wěn)定電流。當電流下降，也

26、有調(diào)節(jié)過程是相似的。 轉(zhuǎn)速環(huán)以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR為核心。轉(zhuǎn)速環(huán)由轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR組成閉合回路，轉(zhuǎn)速負反饋的作用是維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，并最終消除轉(zhuǎn)速偏差。由于ASR采用PI調(diào)節(jié)器，所以在系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時應(yīng)滿足，即。 (2-2)當一定時，由于轉(zhuǎn)速負反饋的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速n將穩(wěn)定在 數(shù)值上。當時，其自動調(diào)節(jié)過程為 (2-3)最終保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。當轉(zhuǎn)速上升時，也有類似的調(diào)節(jié)過程。圖2-6雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 2.3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動特性如圖所示。在突加階躍轉(zhuǎn)速給定信號情況下，由于啟動瞬間電動機轉(zhuǎn)速為零，ASR的輸入偏差電壓，ASR飽和，輸出先幅值為，ACR的輸出及電

27、動機電樞電流和轉(zhuǎn)速n的動態(tài)響應(yīng)過程可分為三個階段。在分析啟動過程的階段時，要抓住這樣的幾個關(guān)鍵：，n升速；，n降速；，n=常數(shù)。啟動過程的第一階段（電流上升） 原因：剛啟動時，轉(zhuǎn)速n為零，為最大，它適速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓迅速增大，很快達到限幅值，見圖2-7（a）和（b）。此時，作為電流環(huán)的給定電壓，其輸出電流迅猛上升，當，標志電流上升過程結(jié)束，見圖2-7（c）和（d）。狀態(tài);ASR迅速達到飽和狀態(tài)，不再起調(diào)節(jié)作用。因電磁時間常數(shù)小于機電時間常數(shù)，比增長快，這使ACR的輸出不飽和，起主要調(diào)節(jié)作用。特征關(guān)系：，為電流閉環(huán)的整定依據(jù)。關(guān)鍵位置：時，n開始升速；:時，快速啟動。啟動過程的第二階段

28、（恒流升速） 原因：隨著轉(zhuǎn)速上升，電動機電動勢E也上升，電流將從有所回答。但由于電流調(diào)節(jié)器的無靜差調(diào)節(jié)作用，使，電流保持最大值，電動機轉(zhuǎn)速直線上升，接近理想的啟動過程。狀態(tài)：ASR保持飽和，ACR保持線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，有調(diào)整裕量。 特征關(guān)系：線性上升。 關(guān)鍵位置：C:。啟動過程的第三階段（轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定） 原因：隨著轉(zhuǎn)速n不斷上升，當轉(zhuǎn)速時，。但此時電樞仍保持最大值，電動機轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，從而出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象。當轉(zhuǎn)速n大于時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入信號方向，輸出下降，ASR退出飽和。經(jīng)ASR的調(diào)節(jié)，最終使n保持在的數(shù)值上，而ACR調(diào)節(jié)使,見圖2-7（d）和（e）。狀態(tài);ASR退出飽和，速度環(huán)開始調(diào)節(jié)，n跟

29、隨變化；ACR保持在不飽和狀態(tài)，緊密跟隨變化。 特征關(guān)系：穩(wěn)態(tài)時，調(diào)節(jié)輸入/輸出電壓為 (2-4) (2-5) (2-6) 關(guān)鍵位置：D：，n為峰值；E：穩(wěn)態(tài)。 可以看出，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在電動機啟動過程的第一階段又不飽和到飽和、第二階段處于飽和狀態(tài)、第三階段從退飽和到線性調(diào)節(jié)狀態(tài)；而電流調(diào)節(jié)器始終處于不飽和的線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。圖2-7 .雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動特性3 系統(tǒng)總體設(shè)計 3.1 系統(tǒng)建立 雙閉環(huán)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用H橋式電路；控制電路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR設(shè)置輸出限幅。以限制最大起動電流。根據(jù)系統(tǒng)運行的需要，當給定電壓后，ASR輸出飽和，電機以最大的允許電流起

30、動。使得電機轉(zhuǎn)速很快上升，而達到給定的速度后轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR退飽和，電機電樞電流下降，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)很快達到穩(wěn)態(tài)。有一轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的H形雙極式PWM直流可逆調(diào)速系統(tǒng)，已知電動機參數(shù)為：，電樞電阻，電樞回路總電阻為，允許電流過載倍數(shù)；電磁時間常數(shù)，機電時間常數(shù)為，電流反饋濾波時間常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)。設(shè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓，電力電子開關(guān)頻率為f = l kHz。試對該系統(tǒng)進行動態(tài)參數(shù)設(shè)計。設(shè)計指標為：穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量, 空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量, 過渡過程時間。 3.2 系統(tǒng)參數(shù)選取 PWM控制與變換器的動態(tài)數(shù)學模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。當控

31、制電壓改變時，PWM變換器輸出平均電壓按現(xiàn)行規(guī)律變化，但其響應(yīng)會有延遲，最大的時延是一周開關(guān)周期。 3.2.1 PWM變換器滯后時間常數(shù) PWM裝置的延遲時間，變換器滯后時間常數(shù)一般選取為：其中，為開關(guān)器件IGBT的頻率。 3.2.2 反饋系數(shù)的確定 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為： 電流反饋系數(shù)為： 3.2.3 電流調(diào)節(jié)器ACR的參數(shù)計算 電流環(huán)小時間常數(shù)為： 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)為： 電流環(huán)開環(huán)增益：要求，根據(jù)典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關(guān)系可知，應(yīng)取，因此： 于是，ACR的比例系數(shù)為： 3.2.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的參數(shù)計算 為了加快轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計，選中頻段寬

32、度h=5。 電流環(huán)超前時間常數(shù)為： 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)為： 轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益為： 可得ASR的比例系數(shù)為 ： 3.2.5 電動機參數(shù)計算 其中，為電動機常數(shù)，、分別為勵磁電壓和勵磁電阻，、分別為電動機額定電壓、電樞電阻、額定電流、額定轉(zhuǎn)速和勵磁電流7。4 仿真 4.1 仿真模型的建立與設(shè)置轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)在MATLAB中的仿真中，主電路由直流電動機本體模塊、Universal Bridge橋式電路模塊，負載和電源組成?？刂齐娐酚山o定信號、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、PWM發(fā)生器、濾波環(huán)節(jié)、延遲環(huán)節(jié)等組成8。 4.1.1 電機模塊的設(shè)置電動機采用DC Machine模塊，其

33、模型和參數(shù)如圖4-1所示。 圖4-1 電動機模型及參數(shù)設(shè)置 4.1.2 給定信號的建立為了反映出此系統(tǒng)能夠在四象限運行，給定信號從10到10再到10，故給定信號模型采用多重信號疊加，運用了Constant、Sum模塊組成，給定信號模型及參數(shù)設(shè)置如圖4-2所示。 圖4-2 給定信號模型及參數(shù)設(shè)置 4.1.3 ASR、ACR模塊的建立ASR、ACR采用Discrete PI Controller模塊即離散型PI控制器模塊，ASR、ACR模型和參數(shù)如圖4-3和圖4-4所示。 圖4-3 ASR模型及參數(shù)參數(shù)設(shè)置 圖4-4 ACR模型及參數(shù)設(shè)置 4.1.4 PWM及橋式電路模塊的建立PWM發(fā)生器采用兩個

34、Discrete PWM Generator模塊，橋式電路模塊采用Universal Bridge 模塊。PWM發(fā)生器模型及封裝后子系統(tǒng)和橋式電路模塊如圖4-5和圖4-6所示。 圖4-5 PWM發(fā)生器模型及封裝后子系統(tǒng) 圖4-6 橋式電路模塊PWM模塊自帶三角波，其幅值為1，且輸入信號在-1與1之間，輸入信號同三角波信號相比較，比較結(jié)果大于0時，占空比大于50%，PWM波表現(xiàn)為上寬下窄，電動機正轉(zhuǎn)；當比較結(jié)果小于0而大于-1時，占空比小于50%，PWM波表現(xiàn)為上窄下寬，電動機反轉(zhuǎn)，此模塊調(diào)制波設(shè)為外設(shè)，載波頻率為1kHz。其次由于電動機運轉(zhuǎn)時，H橋?qū)莾晒苡|發(fā)信號一致，為此采用Select模塊

35、，參數(shù)設(shè)置Input Type為Vector、 Elements為1 2 4 3，使得PWM發(fā)生器信號同H橋?qū)莾晒苡|發(fā)信號相對應(yīng)8。橋式模塊采用Universal Bridge橋式模塊，其參數(shù)設(shè)置為：整流橋臂數(shù)為2，電力電子裝置為MOSFET/Diodes，其他參數(shù)為模型默認值。 4.1.5 其他模塊的設(shè)置由于ACR輸出的數(shù)值在-1010之間，為使ACR輸出的數(shù)值同PWM發(fā)生器輸入信號相對應(yīng)，在ASR輸出端加了一個Gain模塊，參數(shù)為0.1。這樣，當ASR輸出限幅1時，PWM輸入端PWM發(fā)生器為l，占空比為1；當ASR輸出限幅為-10時，PWM輸入端為-1，占空比為0。PWM發(fā)生器的載波頻率

36、為1kHz，其直流電源參數(shù)為48V。由于電動機輸出信號時角速度，須將其轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速()。 4.2 單閉環(huán)系統(tǒng)仿真為了更好的與雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)進行對比，了解雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性，為此本文先進行單閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)的定性仿真。主電路由直流電動機本體模塊，Universal Bridge橋式電路模塊、負載模塊、電源模塊組成。電動機本體模塊參數(shù)為默認值。電源參數(shù)為220V，勵磁電源為220V，負載為50?？刂齐娐酚赊D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、PWM發(fā)生器、轉(zhuǎn)速反饋和給定信號等組成。PWM模塊載波頻率為1080 kHz，反饋系數(shù)為0.1，給定信號開始為10，在2s時給定信號變?yōu)?10。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置：

37、仿真中所選擇的算法為ode23tb，Start設(shè)為0，Stop設(shè)為5s。 4.2.1 仿真模型單閉環(huán)直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖4-7所示。 4.2.2 仿真結(jié)果單閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流曲線如圖4-8和圖4-9所示。圖4-7 單閉環(huán)直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖4-8 單閉環(huán)直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速曲線圖圖4-9 單閉環(huán)直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)電流曲線圖 4.3 雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真 4.3.1 仿真模型雙閉環(huán)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的定量仿真模型如圖5-10所示。在雙閉環(huán)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)模型中把工程設(shè)計方法得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)運用到了仿真模型中。雙閉環(huán)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)與單閉環(huán)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的

38、主電路相同，由給定模塊，直流電動機本體模塊、Universal Bridge橋式電路模塊、負載模塊、電源模塊組成。只是負載轉(zhuǎn)矩參數(shù)設(shè)置為0，直流電源參數(shù)設(shè)置為48V。橋式電路模塊參數(shù)設(shè)置為：橋臂數(shù)為2，電力電子裝置設(shè)為MOSFET/Diodes，其他參數(shù)為默認值?？刂齐娐酚蔀V波環(huán)節(jié)、延遲環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)等組成，并根據(jù)工程設(shè)計方法得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)應(yīng)用到各個模塊。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置：仿真中所選擇的算法為ode23tb，Start設(shè)為0，Stop設(shè)為12s。 4.3.2 仿真結(jié)果雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流曲線如圖4-11和圖4-12所示。 圖4-10 雙閉環(huán)直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型 圖4-11

39、雙閉環(huán)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速曲線圖 圖4-12 雙閉環(huán)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)電流曲線圖 4.4 結(jié)果分析從仿真結(jié)果可以看出，在單閉環(huán)直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)性能要好于晶閘管控制的調(diào)速系統(tǒng)，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速上升快，動態(tài)響應(yīng)較快，開始起動階段，功率器件處于全開狀態(tài)，電流波動不大。但當轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)態(tài)時，電力電子開關(guān)頻率較高，電流呈脈動形式。在雙閉環(huán)直流脈寬可逆調(diào)速系統(tǒng)中，當給定信號為10V時，在電動機啟動過程中，電流調(diào)節(jié)器作用下的電動機電樞電流接近最大值，使得電動機以最優(yōu)時間準則開始上升，最高轉(zhuǎn)速236r/min，態(tài)時轉(zhuǎn)速為200r/min；給定信號變成-10V時，電動機從電動狀態(tài)變成制動狀態(tài)，當轉(zhuǎn)速為零時，電動機

40、開始反向運轉(zhuǎn)，說明仿真模型及參數(shù)設(shè)置的正確性。 總結(jié)通過這次設(shè)計，我基本上掌握了直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。具體的說，第一，了解了調(diào)速的發(fā)展史的同時，進一步了解了交流調(diào)速系統(tǒng)所蘊涵的發(fā)展?jié)摿?，掌握了這一方面未來的發(fā)展動態(tài)；第二，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、動態(tài)特性；第三，ASR、ACR（速度、電流調(diào)節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)指標在結(jié)構(gòu)上的選取，包括其參數(shù)的計算；第四，直流電動機數(shù)學模型的建立，參數(shù)的計算；第六，PWM脈寬調(diào)制系統(tǒng)的基本原理，組成，并分析了橋式可逆PWM的工作狀態(tài)及電壓、電流的波形；第七，運用MATLAB仿真系統(tǒng)對所建立的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行的仿真，與此同時，進一步熟悉了MATLAB的相關(guān)功能，掌握了其使用方法。總之，在設(shè)計過程中，我不僅學到了以前從未接觸過的新知識，而且學會了獨立的去發(fā)現(xiàn)，遇到問題時學會了面對、分析、解決，