PWM脉宽直流调速系统设计及 matlab仿真验证

1、武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书目 录1设计任务与要求11.1初始条件11.2设计任务12 设计分析13系统设计及参数计算23.1系统总体设计231.1 H型双极式PWM原理231.2双闭环调速系统结构图431.3双闭环调速系统启动过程分析53.2电流调节器设计及参数计算73.3转速调节器设计及参数计算94 Matlab仿真验证124.1 空载至额定转速仿真分析124.2 稳定运行时磁场突然减半仿真分析125心得及体会14参考文献151PWM脉宽直流调速系统设计及matlab仿真验证1设计任务与要求1.1初始条件转速、电流双闭环控制的H型双极式PWM直流调速系统，已知，直流电动机：，允许

2、过载倍数；时间常数：；PWM环节的放大倍数：；电枢回路总电阻：，电枢电阻；调节器输入输出电压：。1.2设计任务稳态指标：在负载和电网电压的扰动下稳态无静差；动态指标：电流超调量，空载启动到额定转速时的转速超调量；控制电路的设计：包括系统参数的选取（给定环节及反馈环节的滤波时间数、）、 ；电流环的设计（电流环固有部分传函、选择电流调节器结构和参数、校验近似条件）；速度环的设计（速度结构图、速度调节器结构和参数、校验近似条件）；采用Matlab对双闭环系统进行仿真，绘制直流调速系统（）稳定运行时磁场突然减半仿真框图，仿真得出起动转速，起动电流，直流电压，ASR、ACR输出电压的波形，并对结果进行分

3、析；书写设计报告书（系统原理图、稳态结构图和动态结构图、确定的参数及设计步骤）。2 设计分析直流双闭环调速系统调节器包括转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）,从而分别引入了转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行串级连接。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。电流环称为内环，转速环称为外环。其中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，同时可以对负载变化起抗扰作用，其输出限幅电压决定了电流给定的最大值；电流调节器作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（

4、即外环调节器的输出量）变化，同时对电网电压的波动起及时抗扰作用，在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程，并在电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到自动保护与恢复的作用。根据设计要求，系统要求稳态无误差，故选用带限幅作用的PI调节器。系统原理图如图2-1所示。图2-1 双闭环调速系统原理图3系统设计及参数计算3.1系统总体设计31.1 H型双极式PWM原理系统整流装置采用脉宽调制器。脉宽调制器的作用是用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而改变平均输出电压的大小，以调节电机的转速。对于转速、电流双闭环控制的H型双极式

5、PWM直流调速系统，电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。通过调节开关管的导通和关断时间，即占空比，可以达到对直流电机进行调速的目的，其原理图如图3-1所示。H型双极性PWM变换器及其四个驱动电压波形分别如图3-2所示。 图3-1 桥式可逆PWM变换器电路 图3-2 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形它们的关系是：。在一个开关周期内，当时，晶体管VT1、VT4饱和导通而VT2、VT3截止，这时。当时，VT1、VT4截止，但VT2、VT3不能立即导通，电枢电流经VD2、VD3续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形

6、上图所示。电动机的正反转体现在驱动电压正负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，T/2，则的平均值为正，电动机正转；当正脉冲较窄时，则反转。如果正负脉冲相等，T/2，平均输出电压为零，则电动机停止转动。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为 (3-1)如果定义占空比，电压系数，则在双极式可逆变换器中 (3-2)调速时，的可调范围01，相应的。当，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，=0，电动机停止。电动机停止时电枢电压不等于零，是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。31.2双闭环调速系统结构图系统稳态结构图如图3-3所示。图3-3 双闭环调速系统稳态结构图系统的动态结构图如

7、图3-4所示。图3-4 双闭环调速系统动态结构图其中、分别为转速反馈系数和电流反馈系数，根据已知条件代入以下公式：电流反馈系数： 转速反馈系数：31.3双闭环调速系统启动过程分析图3-5 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形电机的启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种状态，整个动态过程就分成电流上升、恒流升速和转速调节（图3-5中的I、II、III）三个阶段。第阶段：0是电流上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、都上升，当后，电动机开始转动。由于电机惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压数值较大并使其输出达到饱和值，强迫电流迅速

8、上升。当时，电流调节器ACR的作用使不再迅速增加，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一般不饱和，以保证电流环的调节作用。第阶段：是恒流加速阶段。这一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，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又，n，这样才能保持。由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过

9、程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。第阶段：以后是转速调节阶段。此时，但由于积分作用，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。当时，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段时间内，转速仍继续增加。当时，n达到最大值。此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小与的过程，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的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量。综上所述，双闭环调速

10、系统的起动过程有三个特点：饱和非线性。在不同情况下表现为不同结构的线性系统。准时间最优控制。阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍地得到应用。转速必超调。按照PI调节器的特性，只有转速超调，ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR退饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速必超调。3.2电流调节器设计及参数计算 电流环的动态结构中反电动势与电流反馈的作用相交叉。这给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，

11、转速变化往往比电流变化慢得多。对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的变化过程中，可以认为电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环时，暂不考虑反电动势变化的动态影响。也就是说，暂且把反电动势的作用去掉，得到忽略电动势影响的电流环近似结构图。同时，由于和一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性环节。简化后的电流环的动态结构图如3-6所示。图3-6 简化后电流环动态结构图图3-7为含给定滤波及反馈滤波的模拟式PI调节器，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3-7 含给定滤波及反馈滤波的模拟式PI调节器电流调节器参数计算

12、：确定时间常数：1）PWM变换器滞后时间常数。PWM变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一周开关周期T。一般选取：其中，为开关器件IGBT的频率。2） 电流滤波时间常数。这里取。3） 电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。选择电流调节器结构：根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为： (3-3)检查电源电压的抗扰性能：参看典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。计算电流调节器参数：电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：要求时，按“西门子最佳整定原则”，取

13、，因此于是ACR的比例系数为校验近似条件：电流环截止频率：1） 校验晶闸管整流装置传递函数的条件满足近似条件。2） 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件。满足近似条件。3） 校验电流环小时间常数近似处理条件。满足近似条件。 计算调节器电阻和电容。电流调节器原理图如图3-7，按所用运算放大器取，各个电阻和电容值的计算如下：，取40；，取0.4；，取0.2。3.3转速调节器设计及参数计算和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波同时等效移到环内前向通道上，并将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，为了满足设计要求转速无差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速

14、调节器ASR中，由于在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此开环传递函数应共有两个积分环节，应该设计成典型型系统。不考虑负载扰动时，校正简化后的调速系统动态结构图如图3-8所示。图3-8 简化后转速环动态结构图图3-9为含给定滤波及反馈滤波的模拟式PI转速调节器，图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出就是电流调节器的给定电压。图3-9含给定滤波及反馈滤波的模拟式PI转速调节器转速调节器参数计算：确定时间常数：1） 电流环等效时间常数。取，则2） 转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取3） 转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。选择转速调节器结构：根据设计要求，并保

15、证稳态转速无差，可用PI型转速调节器。计算电流调节器参数：按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为：系统转速开环增益：电动机的电动势常数为：ASR的比例系数为:校验近似条件：转速环截止频率：1） 校验电流环传传递函数简化的条件满足简化条件。2）校验转速环小时间常数近似处理条件满足近似条件 计算调节器电阻和电容：电流调节器原理图如图3-9所示，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下：，取480；，取0.1；，取1。4 Matlab仿真验证4.1 空载至额定转速仿真分析根据上面计算的参数数据，使用Matlab的Simulink进行仿真验证，进行双闭环模型搭建。搭建好的双闭环模

16、型如图4-1所示，转速环给定10V，负载设定为0A,即空载启动。仿真时间设为4s，用示波器观察电流及转速波形如图4-2所示。图4-1 双闭环仿真模型图4-2 空载启动至额定转速仿真结果 4.2 稳定运行时磁场突然减半仿真分析由模型中，磁场突然间半，只需将模型中的与2相乘即可，仿真使用乘法器完成这个过程，3s前阶跃信号为1，3s时突变为2。仿真模型如图4-3示。仿真时间设为4s，同时增加示波器观察直流电压，ASR、ACR输出电压的波形。图4-3稳定运行时磁场突然减半仿真模型仿真结果如图4-4，4-5，4-6，4-7所示。从图中看出当励磁突然减半时，转速变为原来的2倍，通过转速反馈与给定相减使AS

17、R减到0，电流给定也减到0，电机减速。减速到200r/min以下后，ASR达到饱和，电流给定为最大值，由于，则转速下降到一定值后保持不变。图4-4 稳定运行时磁场突然减半电流、转速波形图4-5 稳定运行时磁场突然减半ACR输出电压波形图4-6 稳定运行时磁场突然减半ASR输出电压波形图4-7 稳定运行时磁场突然减半波形 实际情况中电机存在机械惯性，转速不可能突变，直流电机提供的最大转矩小于负载转矩，所以转速会直接减小。经验证，当励磁发生变化时，满足最大输出转矩大于负载转矩，直流电机在双闭环的调解下能稳定运行。5心得及体会首先感谢老师给我们教授运控的课程，我的课程设计题目是PWM脉宽直流调速系统

18、设计及matlab仿真验证。在课程设计的过程中，我在图书馆借阅了大量的关于这方面的资料，使我的认识由纯理论性提高到有一定的认知水平。在这次设计之前，我都是停留在一个理论的基础上。此次课程设计让我对课本上的知识有了更加深入的了解，特别是对系统设计部分的理论知识，在认真阅读课本的同时还要去图书馆查阅一些系统设计方面的资料，并且要考虑很多东西，更要学习一些其他以前未曾接触的知识。在这个设计中最重要的部分就是参数的选择，只有把参数的问题解决了其他一切问题都好办，最终才能得到正确的仿真结果。同时在设计过程中要求我们有足够的耐心，对仿真参数进行调试，并根据仿真结果修改参数，直到得到满足要求的仿真结果。这次课程设计，虽然这次课程设计没有想象中的那么简单，花费了很多的时间来搭建模型，调节参数，不断地实验，虽说花费了大量的时间但是最后终于完成了预定的目的，收获颇丰，也很好的锻炼了自己运用知识的能力。重新巩固了有关双闭环直流调速系统的相关知识，培养了自己设计思维能力。进一步学习了MATLAB软件的相关