PWM脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)設計及matlab仿真驗證41

武漢理工大學《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程設計說明書17/17目錄1．MATLAB簡介 23系統(tǒng)設計及參數(shù)計算 33.1系統(tǒng)總體設計 33．1.1H型雙極式PWM原理 33．1.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結構圖 53．1.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動過程分析 63.2電流調(diào)節(jié)器設計及參數(shù)計算 83.3轉速調(diào)節(jié)器設計及參數(shù)計算 104Matlab仿真驗證 124.1穩(wěn)定運行時電流環(huán)突然斷線仿真分析 12參考文獻 18PWM脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)設計及matlab仿真驗證1．MATLAB簡介MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。[MATLAB和MATHEMATICA、MAPLE并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像MAPLE等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。2設計分析直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器包括轉速調(diào)節(jié)器（ASR）和電流調(diào)節(jié)器（ACR）,從而分別引入了轉速負反饋和電流負反饋以調(diào)節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接。把轉速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。電流環(huán)稱為內(nèi)環(huán)，轉速環(huán)稱為外環(huán)。其中轉速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，同時可以對負載變化起抗擾作用，其輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值；電流調(diào)節(jié)器作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉速外環(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）變化，同時對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾作用，在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程，并在電動機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起到自動保護與恢復的作用。根據(jù)設計要求，系統(tǒng)要求穩(wěn)態(tài)無誤差，故選用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)原理圖如圖2-1所示。圖2-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖3系統(tǒng)設計及參數(shù)計算3.1系統(tǒng)總體設計3．1.1H型雙極式PWM原理系統(tǒng)整流裝置采用脈寬調(diào)制器。脈寬調(diào)制器的作用是用脈沖寬度調(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，從而改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機的轉速。對于轉速、電流雙閉環(huán)控制的H型雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，電動機M兩端電壓的極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化。通過調(diào)節(jié)開關管的導通和關斷時間，即占空比，可以達到對直流電機進行調(diào)速的目的，其原理圖如圖3-1所示。H型雙極性PWM變換器及其四個驅動電壓波形分別如圖3-2所示。圖3-1橋式可逆PWM變換器電路圖3-2雙極式控制可逆PWM變換器的驅動電壓、輸出電壓和電流波形它們的關系是：。在一個開關周期內(nèi)，當時，晶體管VT1、VT4飽和導通而VT2、VT3截止，這時。當時，VT1、VT4截止，但VT2、VT3不能立即導通，電樞電流經(jīng)VD2、VD3續(xù)流，這時。在一個周期內(nèi)正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形上圖所示。電動機的正反轉體現(xiàn)在驅動電壓正負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，T/2，則的平均值為正，電動機正轉；當正脈沖較窄時，則反轉。如果正負脈沖相等，T/2，平均輸出電壓為零，則電動機停止轉動。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比，電壓系數(shù)，則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時，的可調(diào)范圍0~1，相應的。當，為正，電動機正轉；當時，為負，電動機反轉；當時，=0，電動機停止。但是電動機停止時電樞電壓不等于零，是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。3．1.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結構圖系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖如圖3-3所示。圖3-3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如圖3-4所示。圖3-4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結構圖其中、分別為轉速反饋系數(shù)和電流反饋系數(shù)，根據(jù)已知條件代入以下公式：電流反饋系數(shù)：轉速反饋系數(shù)：3．1.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動過程分析圖3-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉速和電流波形電機的啟動過程中轉速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種狀態(tài)，整個動態(tài)過程就分成電流上升、恒流升速和轉速調(diào)節(jié)（圖3-5中的=1\*ROMANI、=2\*ROMANII、=3\*ROMANIII）三個階段。第Ⅰ階段：0～是電流上升階段。突加給定電壓后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，使Uct、、都上升，當后，電動機開始轉動。由于電機慣性的作用，轉速的增長不會太快，因而ASR的輸入偏差電壓數(shù)值較大并使其輸出達到飽和值，強迫電流迅速上升。當時，，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使不再迅速增加，標志著這一階段的結束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達到飽和，而ACR一般不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第Ⅱ階段：是恒流加速階段。這一階段是起動過程的主要階段。在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于ACR的參數(shù)），因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增加。又，n↑→↑→↑，這樣才能保持。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應略低于。此外還應指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時整流裝置的最大電流也須留有余地，即晶閘管裝置也不應飽和，這都是設計中必須注意的。第Ⅲ階段：以后是轉速調(diào)節(jié)階段。此時，，，但由于積分作用，，所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉速必超調(diào)。當時，，使ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段時間內(nèi)，轉速仍繼續(xù)增加。當時，，，n達到最大值。此后，電動機在負載的阻力下減速，與此相應，電流也出現(xiàn)一段小與的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導地位，而ACR的作用則是力圖使盡快地跟隨ASR的輸出量。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有三個特點：=1\*GB2⑴飽和非線性。在不同情況下表現(xiàn)為不同結構的線性系統(tǒng)。=2\*GB2⑵準時間最優(yōu)控制。Ⅱ階段屬于電流受限制條件下的最短時間控制。采用飽和非線性控制方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有使用價值的控制策略，在各種多環(huán)系統(tǒng)中普遍地得到應用。=3\*GB2⑶轉速必超調(diào)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有轉速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓為負值，才能使ASR退飽和。這就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉速必超調(diào)。3.2電流調(diào)節(jié)器設計及參數(shù)計算電流環(huán)的動態(tài)結構中反電動勢與電流反饋的作用相交叉。這給設計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉速成正比，它代表轉速對電流的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠小于機電時間常數(shù)，因此，轉速變化往往比電流變化慢得多。對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的變化過程中，可以認為電動勢基本不變，即。這樣，在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響。也就是說，暫且把反電動勢的作用去掉，得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結構圖。同時，由于和一般都比小得多，可以當作小慣性群而近似的看作是一個慣性環(huán)節(jié)。簡化后的電流環(huán)的動態(tài)結構圖如3-6所示。圖3-6簡化后電流環(huán)動態(tài)結構圖圖3-7為含給定濾波及反饋濾波的模擬式PI調(diào)節(jié)器，圖中為電流給定電壓，為電流負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。圖3-7含給定濾波及反饋濾波的模擬式PI調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算：=1\*GB2⑴確定時間常數(shù)：1）PWM變換器滯后時間常數(shù)。PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應會有延遲，最大的時延是一周開關周期T。一般選取：其中，為開關器件IGBT的頻率。電流濾波時間常數(shù)。這里取。電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取。=2\*GB2⑵選擇電流調(diào)節(jié)器結構：根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：檢查電源電壓的抗擾性能：參看典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。=3\*GB2⑶計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)：電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，按“西門子最佳整定原則”，取，因此于是ACR的比例系數(shù)為=4\*GB2⑷校驗近似條件：電流環(huán)截止頻率：校驗IGBT整流裝置傳遞函數(shù)的條件滿足近似條件。校驗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。校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件。滿足近似條件。=5\*GB2⑸計算調(diào)節(jié)器電阻和電容。電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-7，按所用運算放大器取，各個電阻和電容值的計算如下：，取40；，取0.4；，取0.2。3.3轉速調(diào)節(jié)器設計及參數(shù)計算和電流環(huán)一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波同時等效移到環(huán)內(nèi)前向通道上，并將兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，為了滿足設計要求轉速無差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調(diào)節(jié)器ASR中，由于在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，應該設計成典型Ⅱ型系統(tǒng)。不考慮負載擾動時，校正簡化后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結構圖如圖3-8所示。圖3-8簡化后轉速環(huán)動態(tài)結構圖圖3-9為含給定濾波及反饋濾波的模擬式PI轉速調(diào)節(jié)器，圖中為轉速給定電壓，為轉速負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。圖3-9含給定濾波及反饋濾波的模擬式PI型轉速調(diào)節(jié)器轉速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算：=1\*GB2⑴確定時間常數(shù)：電流環(huán)等效時間常數(shù)。取，則轉速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取轉速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取。=2\*GB2⑵選擇轉速調(diào)節(jié)器結構：根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)轉速無差，可用PI型轉速調(diào)節(jié)器。=3\*GB2⑶計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)：按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為：系統(tǒng)轉速開環(huán)增益：電動機的電動勢常數(shù)為：ASR的比例系數(shù)為:=4\*GB2⑷校驗近似條件：轉速環(huán)截止頻率：校驗電流環(huán)傳傳遞函數(shù)簡化的條件滿足簡化條件。2）校驗轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件=5\*GB2⑸計算調(diào)節(jié)器電阻和電容：電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-9所示，按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下：，取480；，取0.1；，取1。4Matlab仿真驗證4.1穩(wěn)定運行時電流環(huán)突然斷線仿真分析在原電路圖電流環(huán)反饋環(huán)節(jié)串入一個乘法器，如圖12所示，Step2初始值設為1，終值設為0，延時2.5s，將Gain5作為反饋代替，Gain5參數(shù)設置運行后，開始電路正常運行，2.5s后電流環(huán)突然斷線。按設計要求，空載啟動，經(jīng)過電流上升階段，電流迅速上升，很快達到最大電流，ASR進入飽和狀態(tài)。因為是變負載擾動，所以恒流升速的電流時上升的，而此時轉速不斷的增大，所以轉速反饋同樣增大，ASR慢慢地變得不飽和。轉速調(diào)速階段，轉速超調(diào)后，ASR退飽和，電流很快下降，因為是帶負載啟動，所以電流降至額定電流值3.7A，轉速穩(wěn)定在設計的200r/min。2.5s后電流環(huán)斷線，電流環(huán)失去電流反饋環(huán)節(jié)，電流很快增加，增加，n增加，轉速環(huán)反饋增大，減少，減少，減少，n減小，轉速環(huán)反饋減少，增大，如此循環(huán)，所以產(chǎn)生這樣的震蕩。圖4-1穩(wěn)定運行時電流環(huán)突然斷線的系統(tǒng)框圖圖4-2穩(wěn)定運行時電流環(huán)突然斷線的起動轉速波形圖4-3穩(wěn)定運行時電流環(huán)突然斷線的起動電流波形圖4-4穩(wěn)定運行時電流環(huán)突然斷線的直流電壓圖4-5穩(wěn)定運行時電流環(huán)突然斷線的ASR輸出電壓波形圖4-6穩(wěn)定運行時電流環(huán)突然斷線的ACR輸出電壓波形通過以上仿真可以看出，當電流環(huán)突然斷線時，ACR沒有電流反饋環(huán)節(jié)，電流很快增加，轉速反饋增大，與給定的偏差減小，ASR輸出增大，ACR增大，轉速反饋增大，依次這樣震蕩。在這個過程中，比例作用很快，積分環(huán)節(jié)不夠大，所以會震蕩，此時系統(tǒng)不能正常運行。5心得及體會課程設計發(fā)端之始，思緒全無，舉步維艱，對于理論知識學習不夠扎實的我深感“書到用時方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材，對知識系統(tǒng)而全面進行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學請教，終于熟練掌握了基本理論知識，而且領悟諸多平時學習難以理解掌握的較難知識，學會了如何思考的思維方式，找到了設計的靈感。當初沒有思路，誠如舉步維艱，茫茫大地，不見道路。在對理論知識梳理掌握之后，茅塞頓開，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“條條大路通羅馬”。頓悟，沒有思路便無出路，原來思路即出路。此次課程設計讓我對課本上的知識有了更加深入的了解，特別是對系統(tǒng)設計部分的理論知識，在認真閱讀課本的同時還要去圖書館查閱一些系統(tǒng)設計方面的資料，并且要考慮很多東西，更要學習一些其他以前未曾接觸的知識。在這個設計中最重要的部分就是參數(shù)的選擇，只有把參數(shù)的問題解決了其他一切問題都好辦，最終才能得到正確的仿真結果。同時在設計過程中要求我們有足夠的耐心，對仿真參數(shù)進行調(diào)試，并根據(jù)仿真結果修改參數(shù)，直到得到滿足要求的仿真結果。這次課程設計，雖然這次課程設計沒有想象中的那么簡單，花費了很多的時間來搭建模型，調(diào)節(jié)參數(shù)，不