运控课设PWM直流调速系统建模与仿真

1、PWM直流脉宽调速系统建模与仿真 主电路设计1.1设计任务描述要求设计PWM直流脉宽调速系统，可完成以下任务： (1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作 ；(2) 系统静特性良好，无静差（静差率s2）； (3) 动态性能指标：转速超调量n8%，电流超调量i5%，动态速降n10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s ；(4) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 ；(5) 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。1.2电路设计及分析根据设计任务可知，要求系统在稳定的前提下实现无静差调速，并要求较

2、好的动态性能，可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统，以完全达到系统需要。转速、电流双闭环直流调速系统框图如图1-1所示。图1-1 转速、电流双闭环调速系统系统框图两个调节器的输出均带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子电换器的最大输出电压。双闭环直流调速系统原理框图如下图1-2所示：图1-2 双闭环直流调速系统原理框图 由此得到系统电气原理图见附图1。1.2.1电流调节器电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电

3、流，从而加快动态过程。由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。1.2.2转速调节器转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。它对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电机允许的最大电流。由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波。图1-2 系统实际动态原理框图1.3系统稳态分析P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。根据各调节器的给

4、定与反馈值计算有关的反馈系数转速反馈系数 （11）电流反馈系数 （12）1.4电流调节器的设计 1.4.1电流环的简化在图1-2虚线框内的电流环中，饭电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际中，对电流环来说，饭电动势是一个变化比较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即E0.其中忽略反电动势对电流环的近似条件是 （13）式中 电流环开环频率特性的截止频率。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改为，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图13b所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。最后，由于和一般都比小得多，可以当作

5、小惯性群而近似看作是一个惯性环节，其时间常数为 （14）则电流环结构框图最终简化成图13c所示。简化的近似条件为 （15）(a)(b)(c)图13电流环的动态结构框图及其简化(a)忽略反电动势的动态影响 (b)等效成单位负反馈(c)小惯性环节近似处理1.4.2电流调节器的设计从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图13c可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应跟随性能为主，即应选用典型型系统。图13c 表明，电流环的控制对象

6、是双惯性型的，要校正成典型型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 （16）式中 电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 （17）则电流环的动态结构框图便成为图14所示的典型形式，其中 （18）图14 校正成典型型系统的电流环动态结构框图上述结果是在一系列假定条件下得到的，现将用过的假定条件归纳如下，以便具体设计时校验。（1） 电力电子变换器纯滞后的近似处理 （19）（2） 忽略反电动势变化对电流环的动态影响 （110）（3） 电流环小惯性群的近似处理 （111）1.4.3电流调节器的参数计算由式15可以看出，电流

7、调节器的参数是和，其中已选定，见式16，待定的只有，可根据所需要的动态性能指标选取。根据电流超调量，由表11，可选和的值。一般，取=0.707，则 （112）表11 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参考关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度65.5截止频率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T再利用式17和式16得到 （113）如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式1

8、11和式112当然应作相应的改变。此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。1.4.4电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图15所示。图中为电流给定电压。为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。图15 含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图根据运算放大器的电路原理，可以容易地导出 （114） （115） （116）1.5转速调节器的设计1.5.1电流环等效传递函数由校正后的电流结构框图可知 （117）忽略高次项，可降阶近似为 （118）近似条件为 （119）式中 转速环开环频率特性的截止频率。

9、接入转速环内，电力换等效环节的输入量为，因此电流环在转速环中应等效为 （120）这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。1.5.2转速调节器的结构选择把电流环的等效环节接入转速环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图16a所示。和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 （121）则转速环结构框图可简化成图16b由于需要实现转速无静差，而且在后面已经有一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型

10、型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 （122）式中 转速调节器的比例系数； 转速调节器的超其时间常数。（a）（b）（c）图16 转速环的动态结构框图及其简化（a）用等效环节代替电流环 （b）等效成单位负反馈系统和小惯性系统的近似处理 （c）校正后成为典型型系统这样，调速系统的开环传递函数为 不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图16c所示。1.5.3转速调节器参数计算转速调节器的参数包括和。按照典型型系统的参数关系，有 （123） （124）因此 （125）至于中频宽h应选择多少，要看动态性能的要求决定。1.5.4

11、转速调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器的原理图如图17所示，图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压 。图17含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器与电流调节器相似，转身调节器参数与电阻、电容值的关系为 （126） （127） （128）系统参数设计2.1电流调节器参数计算由公式（1-6）得电流调节器传递函数为，要求得具体参数，则需要知道及，为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 则由公式（1-8）可得到电流环放大系数，又由公式（1-12）有，则可得到 （2-1）其中，选取时间常数,为了基本滤平电流，取电流滤波时间常数，则有；;，;

12、则可求得则有电流环传递函数为： （2-2）此时电流超调量=4.3%，小于5%，符合系统要求。2.2转速环参数计算由公式（1-22）可知转速调节器的传递函数为，又由式（1-21）及（1-23）可求得 （2-3）按跟随性能和抗扰性能都较好的原则选取，则可得由公式（1-24）及（1-25）可求转速环开环增益K及转速调节器ASR的比例系数，其中 (2-4)其中Tm=0.07s；;；则可求得，则求得转速调节器闭环传递函数为： （2-5）在退饱和的情况下，计算转速超调有（2-6）在h=5时有=81.2%；=1.5；=0.07s； =0.0012s；=0.133；空载启动时有；即可求得由此可见转速超调量大于

13、要求的8%，可在仿真文件中进行调整并获得良好电流转速波形。系统仿真在Matlab中进入Simulink环境，创建Model文件如下图3-1所示：图3-1系统仿真原理图根据上图建立仿真得到转速、电流波形如图3-2所示：图3-2系统转速、电流仿真波形（参数调节前） 由图可以看到，转速、电流波形经过短时间调节后均可达到稳定，验证了系统的稳定性，此时系统调节时间约为0.35s，小于0.5s，符合设计任务要求。但由2.2中计算可知此时转速超调量为10.22%，大于要求的8%。因此需要调节系统参数以减小超调，得到更好的转速、电流波形。 由公式（2-6）可发现，要减小超调量，可通过改变、大小来调节，但改变需

14、改变h，同时会影响系统调节速度，并且通过计算不能达到系统所需超调要求；而属于发电机固有属性参数，不易改变，因此选择改变来调节。同时由于和成正比关系，变小时超调减小。由于， 减小转速滤波常数即可减小。选择=0.005时，通过参数计算得到此时仿真模型如下图3-3所示：图3-3参数调整后仿真模型 此时得到转速、电流仿真波形如下图3-4所示：图3-4转速、电流仿真波形（参数调节后） 如图所示，此时转速超调明显减小，电流波形也得到改善，调节时间基本无变化，说明选取=0.005是一个很好的参数，并且通过计算验证可以得到此时转速超调为=5.2%，小于8%，完全符合设计任务要求。 同时，在仿真环境中改变转速调

15、节器的传递函数将影响系统稳定性，在一定参数条件下会是系统振荡，此时转速、电流波形如下图3-5所示：图3-5转速、电流仿真振荡波形心得体会课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。可以说，本次课程设计令我获益匪浅。首先，它使我对运动控制系统这门课有了进一步的理解与认识，让我有机会学以致用，并且查缺补漏，将老师在课堂上讲述过的内容应用到具体实践中来，对于抽象的知识有了具体而生动的认识，更加意识到实践与理论的区别，在实际生产中要考虑许多外界因素，而在理论学习时则更多的是在理想环境下进行的，这是我今后从事这一领域的工作时应该特别注意的一点；其次，它教会我如何合作，向老师请教疑难，与同学探讨问题，互相帮助，共同进步，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法有助于我们更好地掌握知识与技能，所以在这里非常感谢帮助我的老师和同学。另外，信息搜集与整合也是十分重要的，遇到疑难时首先求助于书本和网络，所以，在设计期间，我在图书馆查了许多相关资料，并在网络上搜索了一些有用的信息，掌握了许多课堂之外的知识，这是意外的收获。