PWM直流脉宽调速系统建模与仿真DOC

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级：指导教师： 工作单位： 题 目：PWM直流脉宽调速系统建模与仿真 初始条件：1 技术数据：PWM 变流装置：Rrec=0.5 Q, Ks=44。负载电机额定数据：Pn=8.5KW , Un=230V , In=37A , nN=1450r/min , Ra=1.0 Q lfn=1.14A ,GD2=2.96N.m2系统主电路：Tm=0.07s , T=0.005s2 技术指标稳态指标：无静差动态指标：电流超调量：5W 5%起动到额定转速时的超调量：Sn8% ,动态速降10%调速系统的过渡过程时间(调节时间)ts 10), 系统在工作范围内能稳定工作(2) 系

2、统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续2 设计内容：(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图(2) 根据双闭环直流调速系统原理图，分析转速调节器和电流调节器的作用，通过对调节器参数设计，得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过MATLAB来进行调节器的参数调节。(4) 绘制PWM直流脉宽调速系统的电气原理总图(要求计算机绘图)(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书时间安排：课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：（ 1） 复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的20%（ 2） 根据技术指标及技术要

3、求，完成设计计算。约占总时间的 40%（ 3） 完成设计和文档整理。约占总时间的 40%指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要本文在介绍双闭环PW直流调速系统原理基础上，根据系统的动、静态性能指标采用 工程设计方法设计调节器参数，并运用 Matlab 的 Simulink 面向系统电气原理结构图的仿真 方法，实现了转速电流双闭环PW直流调速系统的建模与仿真。本文重点介绍了调速系统 的建模和PW发生器、直流电机模块等参数的设置，利用Matlab的Simulink仿真得到PWMft 流可逆调速系统转速和电流仿真波形，并由仿真波形通过 Matlab来进行调节器的参数调 节，验证了仿

4、真模型及调节器参数设置的正确性。为实际应用中PW直流脉宽调速系统的设计提供了理论基础和实现的平台，使得设计过程变得非常简单、快速！关键词：直流脉宽调制、双闭环、 MATLAB目录PWI直流脉宽调速系统建模与仿真 21概述 22设计任务及要求 22.1主要任务 22.2设计要求 33理论设计 43.1 方案论证 43.2 系统模型的建立 63.2.1 直流电机模型 63.2.2 调速系统动态模型 93.3调速系统性能分析 103.3.1 静态性能和启动过程 103.3.2动态性能 123.3.3 两个调节器的作用 123.4调节器设计 133.4.1电流调节器的设计 133.4.1.1 确定时间

5、常数 143.4.1.2 选择电流调节器的结构 143.4.1.3 选择电流调节器的参数 143.4.1.4 检验近似条件 153.4.1.5 计算ACR勺电容电阻 163.4.2转速调节器的设计 163.4.2.1 确定时间常数 163.4.2.2选择转速调节器的结构 163.4.2.3 选择转速调节器的参数 163.4.2.4检验近似条件 173.4.2.5 计算ASR的电容电阻 173.4.2.6选择超调量的计算 173.4.2.7校验过渡过程时间 184 MATLAB仿真 194.1 MATLAB 简介 194.2 PWMft流脉宽调速系统仿真 2 04.3 仿真结果 215总结与体会

6、 22参考文献 23附录 2 4PWM流脉宽调速系统建模与仿真1概述直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调整，在许多需要调速或 快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。自从全控型电力电子器件问世以后，就 出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流PW调速系统。直流PW调速系统采用门极可关断晶闸管 GTO全控电力晶体管GTR MOSFETIGBT等 电力电子器件组成的直流脉冲宽度（PWM型的调速系统近年来已经发展成熟，用途越来 越广泛，与晶闸管可控整流调速系统（V-M系统）相比，在很多方面具有较大的优越性：（1）主电路线路简单

7、，需用的功率元件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少， 电机损耗和发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；（4）系统频 带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；（5）主电路元件工作在开关状态，导通损耗 小，装置效率较高；（6）直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。因此，对直流PW调速系统的学习和研究具有很高的实用价值，能够为以后的工作学 习提供扎实的基础。2主要任务及要求题目中所给的负载电机额定数据如下：2 Pn=8.5KW , Un=230V , In=37A , nN=1450r/min , Ra=1.0 Q, lfn=1.14A , GD2=2.96N.m

8、Tm=0.07s , T=0.005s所给出的pwm变流装置参数如下：Rrec=0.5 Q, Ks=44 o2.1主要任务(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图(2) 根据双闭环直流调速系统原理图，分析转速调节器和电流调节器的作用，(3) 通过对调节器参数设计，得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过MATLAB来进行调节器的参数调节。(4) 绘制PWM直流脉宽调速系统的电气原理总图(要求计算机绘图)(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书2.2设计要求(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，

9、具有较宽的调速范围(D 10),系统在工作范围内能稳定工作(2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续(3) 稳态指标：无静差(4) 动态指标：电流超调量：& 5%起动到额定转速时的超调量：&詣，动态速降 nW 10%调速系统的过渡过程时间(调节时间)tsT 2，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转。当正脉 冲较窄时，tnT；2，平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相等，ton=T 2,平均电压为零，则电动机停止U blonU1 D *23U22图3-2双极式PWh变换器电压和电流波形 双极式可逆PWMS换器电枢平均端电压为：Ud舟Us-号啊二（半-1）Us定义PWM

10、电压的占空比，则以：、=p的变化范围为T p 1。当p为正值时，电动机正转；p为负值时，电动机反转;p =0时，电动机停止。在p =0时虽然电机不动，电枢两端的瞬时电和瞬时电流都不是 零，而是交变的。这个交变电流平均值为零，不产生平均转矩，陡然增大电机的损耗。但 它的好处是使电机带有高频的微振，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、反向的静摩 擦死区。调速性能指标要求无静差、电流超调量：5%起动到额定转速时的超调量：ShW8%， 动态速降 n 10%调速系统的过渡过程时间（调节时间）tsW 1s可以看到这样的指标要求较高，采用一般的单闭环调速方式不可能达到要求，所以这里采用转速、电流双闭环调 速

11、控制方式。转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。转速、电流双闭环调速控制直流调速系统原理图如图3-3所示，为实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，即分别 引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接。把转速调节器的输出当作电流调 节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。Q图3-3转速、电流双闭环直流调速系统原理图其中：ASR-转速调节器ACR-电流调节器TG-测速发电机TA-电流互感器UPE

12、-电力 电子变换器Uni转速给定电压Un-转速反馈电压Uil电流给定电压Ui -电流反馈电压3.2系统模型的建立3.2.1直流电机模型直流电机有稳态模型和动态模型，由于这里主要研究系统的动态性能，而且动态模型 中包含了稳态模型，所以这里只给出了直流电机动态模型的建立。他励直流电机在额定励磁下的等效电路如图 3-4所示，其中电枢回路总电阻 R和电感 L包含电力变换内阻、电枢电阻和电感及可能在主电路中接入的其他电阻和电感，规定的 正方向已标明在图中。-0图3-4他励直流电机在额定励磁下的等效电路假定主电路电流连续，动态电压方程为Ud0didRId临忽略粘性摩擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为GD

13、2dn375dt式中 Tl 包括电机空载转矩在内的负载转矩（Nm）；GD2电力拖动装置折算到电机轴上的飞轮惯量（Nm2）额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为式中 Cm电机额定励磁下的转矩系数（NDmA），氏3。再定义下列时间常数:Ti电枢回路电磁时间常数（S），Tm电力拖动系统机电时间常数代入电压方程和动力学方程整理得S），TmGD 2R375Ce5UdoUR（|dT普）TmdERdtIdL负载电流(A)，IdL结合上述两式，考虑n = 一Ce，即得到额定励磁下直流电机的动态结构图，如图3-5所示。图3-5额定励磁下直流电机的动态结构图式中在零初始条件下，取拉氏变换，得到电压与电流间的传递函

14、数为ld(s) 1RUd(s)-Ed(s) VTiS电流与电动势的传递函数为Ed(s)RId (s) - I L(S) TmS经过等效变换，可以的到如图3-6所示的动态结构框图*0b)图3-6直流电机动态结构框图的变换由此可以的到直流电机的传递函数Ud0(S)_Cen(s)TmTiS2 TmS 13.2.2调速系统动态模型在图3-2所示的转速、电流双闭环直流调速系统原理图中转速调节器和电流调节器一 般采用PI调节器以消除静态误差。电力电子变换器由桥式可逆PWM变换器电路组成的， 而PWI变换器电路由PW控制器发出驱动电压来控制主电路上的全控器件实现的，如图3-7所示。UcUgUdPWMPWMd

15、控制器变换器图3-7 PWM控制器与变换器的框图按照3.1节中对PWME换器工作原理和波形的分析，可以看出，当控制电压Uc改变时, PW变换器输出平均电压Ud按照线性规律变换，但其相应会有延迟，最大的时延是一个开关周期To因此PWh控制器与变换器可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成式中KsTSPWM装置的放大系数;PWM装置的延长时间，Ts乞T 当开关频率较大时，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数较小的滞后环节可以近视看成一个一阶的惯性环节Ws(s)KsTsS1注意上式是近似的传递函数，实际的 PWM变换器不是一个线性环节，而是具有继电特性。那么根据转的非惯性环节。至于电流反馈环节

16、和转速反馈环节都可以看成是线性的一阶惯性环节, 速、电流双闭环直流调速系统原理图图 3-3可以得到双闭环直流调速系统的动态结构图如3.3调速系统性能分析3.3.1静态性能和启动过程双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 Idm时表现为转速无静差。这时，转速负反 馈起主要的调节作用，但负载电流达到 Jm时，对应于转速调节器的饱和输出U*m，这时, 电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用 了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系 数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图3-9。图3-9双闭环直流调

17、速系统的静特性设置双闭环控制的一个重要目的是获得接近于理想的起动过程，双闭环调速系突加给 定电压U；由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图3-10所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段，在图中分别以I、II、II图3-10双闭环脉宽调速系统起动时转速和电流波形第I阶段0 1是电流上升的阶段。突加给定电压U：后，通过两个调节器的控制作用， 使Uct、Ud0、Id上升，当Id -Idl后，电动机开始转动。由于电惯性的作用，转速的增长不 会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压厶Un二U；-Un数值较大，其输出很快达到限 幅值Um，强

18、迫电流Id迅速上升。当Id Hdm时，Ui Um，电流调节器的作用使Id不在迅 速增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而 ACR-般应该不饱和以保证电流环的调节作用。第II阶段t! -t2是恒流升速阶段。从电流升到Idm开始，到转速升到给定值门（即静特 性上的no）为止，属于恒流升速阶段，是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于是开环。系统表现为在恒值电流给定Um作用下的电流调节系统，基本上保持电流ld恒定（电流可能超也可能不超调，取决于电流调节环的结构和参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势E

19、也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动， Uct和Udo也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。由于电流调节器ACF是PI调节器， 要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必Un二U；-Un须维持一定的恒值，也就是 说，Id应略低于Idm。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不饱和的。第III阶段t2以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调 节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值 U：，所以电机仍在最大电流下加速，必然会使转速超调。转速超调以后，ASR

20、输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压即ACM给定电压U*立即从限幅值降下来， 主电流也因Id而下降。但是，由于Id仍大于负载电流Idi，在一段时间内，转速将继续上升。 到Id =时，转矩Te=Ti,则dn/dt=O,转速n到达峰值（t= t3时）。此后。电动机才开始 在负载的阻力下减速，与此相应，电流Id也出现一段小于Idl的过程，直到稳定。在这最后 的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使Id尽快地跟随ASR的输出量U：，或者说，电流内 环是一个电流随动子系统由上述可知，双闭环调速系统，在启动过

21、程的大部分时间内，ASR处于饱和限幅状态， 转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。双闭环调速系 统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时ASR 发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具 有良好的静态和动态品质。3.3.2动态性能（一）动态跟随性能如上所述，双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的 条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随 性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应该强调有良好的跟随性能。（二）动态抗扰性能1 抗负载

22、扰动负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此，在突加（减） 负载时，必然会引起动态速降（升）。为了减少动态速降（升），必须在设计ASR时，要求 系统具有较好的抗扰性能指标。对于 ACR的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就 可以了。2.电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果也不一样。负载扰动Idi作用在被调量n的前面。它的变化经积分后就可被转速检测出来，从而在调节器ASR上 得到反映。电网电压扰动的作用点离被调量更远，它的波形先要受到电磁惯性的阻挠后影 响到电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作

23、用，已经太晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环，这个问题便大有好转。由于电网 电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必 等到影响到转速后，才在系统中起作用。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引 起的动态速降会比单闭环系统中小得多。333两个调节器的作用1. 转速调节器的作用*（1）使转速n跟随给定电压Um变化，稳态无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定允许的最大电流。2. 电流调节器的作用（1）对电网电压波动起及时抗扰作用。（2）起动时保证获得允许的最大电流。*（3）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压 Ui变化。（4）当

24、电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全饱和作用。 如果故障消失，系统能够自动恢复正常。3.4调速器设计我们现在采用一般系统调节器的工程设计方法具体设计双闭环调速系统的两个调节 器。由工程设计法可知，设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环逐步向 外扩展。在这里，先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转 速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。341电流调速器的设计H型双极式PWM变换器供电的直流调速系统，直流电动机的参数以及给出：额定功率Pn=8.5KW，额定电压Un=230V,额定电流In=37A，电枢电阻Ra=1，额定转速错误! 未找

25、到引用源。=1450r/min。系统主电路参数：Tm=0.07s , T=0.005sPWM变流装置参数：电阻 Rec =0.5门,Ks=44设电流过载倍数入=1.5 , PW变流装置的开关频率为4KHz则根据电流环结构图图3-11进行电流调速器参数设计如下图3-11电流环结构图3.4.1.1确定时间常数nN23037“.133Vmin/r1450Tm = 0.07 sT = 0.005s(1)脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数Ts与传递函数的计算 由PWM开关频率得到开关周期1Ts0.00025s脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为Ks 二 44于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传递函数

26、为Ws(S)二KsTss 1440.00025s 1(2)电流滤波时间常数Toi取0.0005s(3)电流环小时间常数T u = Ts To. 0 0 0 2s50. 0 00 50. 0is 1is341.2选择电流调节器结构根据设计要求，6%玄5%，而且 T/TE = 0.0050.000756.66710因此可以按典型I型系统设计电流调节器选用PI型，其传递函数为Wacr(s)二 Ki3.4.1.3选择电流调节器参数i = Ti = 0.005s要求乞5%时，应取KIT =0.5，因此0.50.0007广 666冷*:二 Ujm100.18V/A1.5 37于是Ki 二 KiiR666.

27、67 0.005 1.50.18 44二 0.6313.4.1.4检验近似条件ci = Ki =666.6E-ci :，现s = 1333.3s，a 国 ci。3 0.00025要求(1)ci。H160.3S1 ：。03.4.1.5计算ACR勺电阻和电容取 R =40，则RuKR0=O. 631 40 216；?4取 Ri =252Ci _10 勺f = 0 .临Ri 25000理=4。.挈咛&卡二0.0FR04 0 130按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为5二4.3%： 5%，故满足设计要求3.4.2转调节器的设计3.4.2.1 确定时间常数(1) 电流环等效时间常数为20=2 0.0

28、075 = 0.0015s(2) 取转速滤波时间常数J = 0.005s(3) 匚=2匚 Ton = 0.0015s 0.005s = 0.0065s3.4.2.2 ASR结构设计根据稳态无静差及其他动态指标要求，按典型II型系统设计转速环，ASR选用PI调节器，其传递函数为3.423 选择ASF参数E n S + 1 WAsr(s)二 Kn T nSUin10巴0.006897nN 1450取h=5,则n = hT n = 5 0.0065s = 0.0325sKnh 12h2Tf622 25 0.006522二 2840.24s2Kn(h 1心匚2h RJ6 .18 .1331047962

29、 5 0.00687 1.5 0.00653.4.2.4校验近似条件cn二Kn n 2 840.240.0 3 25s_19 2.3 11 1 1 1(1)要求 -cn，现有266.67s - cn。5T卫5T迓 5汉 0.000751 f 1要求纵沱討耳，现有,2T；Tn0.000；5 0.005宀冶&可见均能满足要求。3.4.2.5 计算ASR电阻和电容取 =40k，贝U只产人只=4.9 &4S =5 9k,O取 600kn 0 . 0 3孑 51 A F 二 0 . 05宇,取 0.055叩 R.6 00 彳0on4Ton40.00Ro5&2 (-z3.426检验转速超调量% Cm a

30、x =( )Cb当h=5时,号“81.2%，而.ceInRrmi416,8rmi，因此416.98 0.0065 S%=81.2% 2 1.56.50% ： 8%14500.07可见转速超调量满足要求。3.4.2.7校验过渡过程时间空载起动到额定转速的过渡过程时间丄CeTm nN0.1331 0.007 1450ts0.26s ： 0.5sRIn1.5 汉 1.5 汉 37可见能满足设计要求。4 MATLB仿真4.1 MATLAB 简介系统仿真和调试在设计电路时，要对所设计的电路的性能进行预计、判断和校验。过去 常用数学和物理这两种方法，它们对设计规模较小的一般电路是可行的。 随着大规模集成电

31、 路的迅速发展，电路品种日新月异，规模越来越大，同时对电路的可靠性、性价比也越来越高 原来的方法已完全不能适应电路的要求。控制系统的计算机法仿真是一门涉及到控制理 论、计算机技术的综合性新兴学科。它是以控制系统的数学模型为基础，以计算机为工具, 对系统进行实验研究的一种方法。系统仿真就是用模型代替实际系统进行实验和研究，而 计算机仿真能够为各种试验提供方便、灵活可靠的数学模型。目前应用的比较多的是 MATLAB ,它包含了强大的仿真器和仿真库。 使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的 主要方法是：以控制系统的传递函数为基础，使用 MATLAB的Simulink工具箱，从元件 库中选取所需的

32、元件，连接好原理图,加上激励源，然后单击仿真按钮即可自动开始，可以同 时观察复杂的模拟信号和数字信号波形，以及得到电路性能的全部波形4.2 PWM直流脉宽调速系统仿真仿真的动态模型已经在3.2.2节中给出，如图4-1所示。而且模型中各环节的参数在3.4节中已经计算好了，现在只需要将动态模型和参数都输入到MATLAB的Simulink中即可进行仿真。在Simulink中建立的模型如图4-1图4-1 PWM直流脉宽调速系统仿真图输入给定Step为一个阶跃信号，在t=0时刻由0跃变到10，若负载扰动Step1不加信 号，则是仿真空载启动的情况；若负载扰动 Step1加一个在t=0时刻由0跃变到37的阶跃信号，则是仿真满载启动的情况。运行仿真，然后双击Scope就可以查看仿真所得的电流波形和转速波形。4.3仿真结果满载启动的电流电压波形如图4-2所示140013M1D00瓯50433110帼Q.5QB图4-2满载启动时电流、转速波形期可以看到系统在小于0.6s的时间完成启动过程达到静态稳定。启动过程波形非常理想, nmax =1484 rmin，imax=58.13A，由此算出：58.13 Vl00%=4.74%5%55.51484 -145000010