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

1、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：直流電動機(jī)：允許過載倍數(shù)=2；時間常數(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)器輸入輸出電壓=10V.采用MATLAB對雙閉環(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)行時轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線（1、有ACR限幅值；2、無ACR限幅值）仿真框圖，仿真得出啟

2、動轉(zhuǎn)速，起動電流，直流電壓Ud，ASR,ACR輸出電壓的波形。并對結(jié)果進(jìn)行分析。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容1 簡述設(shè)計(jì)題目及對題目的分析；2 簡述雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)原理；3 簡述電流環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)的控制原理；4 對電流環(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，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖2-1所示，電動機(jī)M兩端電壓的極性隨全控型電力電子器件的開關(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變換器的四個驅(qū)動電壓的關(guān)系是：。在

3、一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0t<時 ，電樞電流id沿回路1流通；當(dāng)t<T時，驅(qū)動電壓反號，id沿回路2經(jīng)二極管續(xù)流，。因此，在一個周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。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）可使電動機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電動機(jī)停止時有微振電流，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，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，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： 在工作過程中，4個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直

4、通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。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

5、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，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使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的關(guān)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，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)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示。圖2-4 系統(tǒng)動態(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，在電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電流顯露出來。電機(jī)的啟動

6、過程中轉(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)無靜差。對負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電動機(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。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流。當(dāng)電動機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。第三章 系統(tǒng)參數(shù)的確定3.1 整流電路失控時間及濾

7、波時間的確定3.1.1 整流電路平均失控時間常數(shù)失控時間是隨機(jī)的，它的大小隨電源電壓發(fā)生變化的時刻而變化，最大可能失控時間是兩個相鄰自然換相點(diǎn)之間的時間，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)。相對于整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間來說，一般情況下取統(tǒng)計(jì)平均值，認(rèn)為是常數(shù)。對于雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，其晶閘管的開關(guān)頻率一般在10K赫茲以上，在此取3.1.2 電流濾波時間常數(shù)和轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)雙極式PWM電路每個波頭的時間為為了基本濾平波頭，應(yīng)該選擇，根據(jù)所用測速發(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

8、確定 電流環(huán)小時間常數(shù)的計(jì)算按小時間常數(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)器超前時間常數(shù)： 電源開環(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)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 滿足近似條件3. 校驗(yàn)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件 計(jì)算調(diào)節(jié)

9、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 確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)，按小時間常數(shù)近似處理，轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)3.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點(diǎn)前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中。選擇擾動作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速開環(huán)調(diào)節(jié)器應(yīng)共有兩個積分環(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

10、也能滿足動態(tài)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：電動機(jī)的電動勢系數(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的超前時間常數(shù)為：轉(zhuǎn)速開環(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)簡化條件 滿足簡化條件2.轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(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，=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

11、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)仿真框圖其中，限幅值的計(jì)算為：4.2 仿真結(jié)果4.2.1 有ACR限幅值1.啟動電流，啟動轉(zhuǎn)速如圖4-2圖4-2 啟動電流，啟動轉(zhuǎn)速圖2. ASR、ACR輸出電壓波形如圖4-34圖4-3 ASR、ACR輸出電壓波形3.直流電壓Ud 波形如圖4-4圖4-4 直流電壓Ud 波形4.2.2 無ACR限幅值1.啟動電流，啟動轉(zhuǎn)速如圖4-5圖4-5 啟動電流，啟動轉(zhuǎn)速2. ASR、ACR輸出電壓波形如圖4-6圖4-6 ASR、ACR輸出電壓波形3.直流電壓Ud 波形如圖4-7圖4-7 直流電壓Ud 波形4

12、.3 結(jié)果分析 由于系統(tǒng)在2秒前就穩(wěn)定了，設(shè)置參數(shù)時，在兩秒時加入負(fù)載，因此兩秒前為空載啟動，由此可以觀測到空載啟動啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量；在4秒時設(shè)置轉(zhuǎn)速環(huán)斷線，由此可以觀測到斷線前與斷線后的輸出波形對比。對比ACR有限幅與無限幅的波形后，可以得到ACR無限幅時，各項(xiàng)輸出幅值都有所提高，與實(shí)際相符合，運(yùn)行結(jié)果正確。第五章 小結(jié)本次課程設(shè)計(jì)歷時1.5周，在整個設(shè)計(jì)過程中，我不僅鞏固了以前所學(xué)到的知識，更學(xué)到了許多課外的知識。通過這次的課程設(shè)計(jì)，我也發(fā)現(xiàn)了很多平時學(xué)習(xí)中的不足，可謂是收獲頗多。 通過這次課設(shè)，我不僅在知識上有了進(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。我想無論

13、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。以前一直覺得理論知識離我們很遠(yuǎn)，經(jīng)過課程設(shè)計(jì)，才發(fā)現(xiàn)理論知識與生活的聯(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)的是工科，不單純只是理論方面的工作，還應(yīng)該考慮到實(shí)際情況。理論計(jì)算的的結(jié)果可能與實(shí)際稍有差別，要以實(shí)際情況為準(zhǔn)。 作為一名學(xué)習(xí)電氣工程及其自動化的學(xué)生，我們的夢想是成為一名電氣工程師，所以我覺得能做類似的課程設(shè)計(jì)是十分有意義，而且是十分必要的。在成為一名合格的電氣工程師之前我們必須經(jīng)歷硬件的制作、軟件的調(diào)試、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這三個步驟。課程設(shè)計(jì)中我既鞏固了課堂上學(xué)到的理論知識，又掌握了Matlab在自動化應(yīng)用中的基本使用方法?？傊?，在設(shè)計(jì)過程中