PWM直流调速系统

1、pwm直流调速系统的建模与仿真1设计意义速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应 快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。实际工作中， 我们希望在电机最大电流限制的条件下，充双闭环调分利用电机的允许过载能负 力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统 尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马 上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流波形，而转速是线性增长 的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程

2、。2主电路设计2.1 设计任务晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统，直流电动机:220V,136A,1460r/min,电枢电阻R=0.2 Q,允许过载倍数入=1.5;电枢回路总电阻：R= 0.5 Q,电枢回路总电感:L= 15mH,电动机轴上的 总飞轮力矩：GD2= 22.5N - M,晶闸管装置：放大系数Ks=40,电流反馈 系数：B =0.05V/A,转速反馈系数：0c =0.007Vmin/r,滤波时间常 数:Toi=0.002S ,T on = 0.01S设计要求：(1)稳态指标：转速无静差；(2)动态指标：电流超调量。iW 5%,空载起动到额定转速的转速超调量(T n

3、W 10%2.2 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所示。图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勺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 2所示图2双闭环直流调速系统原理框图2.2.1 电流调节器直流电机是调压调速，一般用调电枢电压的方法来调速，用用电阻的方法或 者可调电源都可以。电流

4、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。2.2.2 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3动态结构图2.3 H桥PW蛇换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

5、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。由于题目中给定为转速、电流双闭环控制的 H型双极式PWM直流调速系统，电动机M两端电压Uab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。H型双极性PWM变换器如图4所示。图4桥式可逆PW般换器电路双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图 5所示pwMe换器的驱动电压、输出电压和电流波形图5双极式控制可逆它们的关系是：Ug1 Ug4Ug2 Ug3。在一个开关周期内，当0 tton时,晶体管VT1、VT4饱和导通而

6、VT2、VT3截止，这时UAB Us。当ton t T时,VT1、VT4截止，但VT2、VT3不能立即导通，电枢电流id经VD2、VD3续流,这时Uab -Us 0 Uab在一个周期内正负相问，这是双极式 PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图6所示。电动机的正反转体现在驱动电压正负脉冲的宽窄ton 一上。当正脉冲较宽时，2 ,则Uab的平均值为正，电动机正转；当正脉冲较ton 工窄时，则反转；如果正负脉冲相等，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ton ,T-ton / 2tonUd Us T- (4-1) UsT T T如果定义占空比 处，

7、电压系数上，则在双极式可逆变换器中TUs2 -11 .调速时，的可调范围为01,相应的 -11。当 时， 为正，电动机21 1正转；当1时，为负，电动机反转；当，时，=0,电动机停止。但是2 2电动机停止时电枢电压并不等于零， 而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电 流也是交变的。3系统参数的选取3.1 PWM变换器滞后时间常数TsPWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。当 控制电压Uc改变时，PWM变换器输出平均电压Ud按现行规律变化，但其响应 会有延迟，最大的时延是一周开关周期 ToPWM装置的延迟时间Ts T , 一般选取1Ts =0.001s f其中，f-开关器

8、件IGBT的频率。3.2 电流滤波时间常数和转速滤波时间常数PWM变换器电流滤波时间常数的选择与品闸管控制电路有所区别，这里选择电流滤波时间常数Toi 0.002sCe U=220 136 0.2 =0.132 V . min/rnnom1460_2 _ _GD2R22.5 0.5”!=-=-=0.18s302302375 Ce3750.1322Tl = RL 1.5 10 20.5=0.03s4电流调节器ACR的设计4.1 电流环小时间常数计算按小时间按常数近似处理，T i取U= Toi + Ts =0.002+0.001=0.0034.2 电流调节器结构选择根据设计要求5% ,并保证稳态时

9、在电网电压的扰动下系统无静差，可以按典型 型系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性的，因此可以采用 PI调节器，其传递函数可见式WACR ( S)i( is 1)iS检查对电源电压的抗扰性能:TiT-0.030.00310,分析可知，各项指标都是可以接受的。4.3 电流调节器参数计算电流调节器超前时间常数:Ti0.03s电流环开环增益：要求i5% ,根据典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系可知，应取K 1T j0.5,因此Ki0.5T i-05- 166.7s 10.003于是，ACR的比例系数为i iR166.70.03 0.5 1.2540 0.054.4 校验近似条件电

10、流环截止频率：ci I 166.7s1(1) PWM变换装置传递函数的近似条件3Ts3 0.001333.3s 1ci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3：t:30.18 0.003140.8s ci满足近似条件(3)电流环小时间常数近似处理条件111 ,13 . TsToi3 , 0.001 0.002235.7sci满足近似条件4.5调节器电容和电阻值计算按所用运算放大器取R0 40k ,各个电阻和电容值的计算如下:RiKiR01.25 40 50k0.03350 100.6 FCoi4ToiR04 0.00240 1030.2 F取50 k取 0.6 F取 0.

11、2 FPI型电流调节器原理图如图6所示 ACR限IR(7>1)(国+1)图6含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器由以上计算可得电流调节器传递函数为WACR ( S)Ki( iS 1)1.25(0.03s 1)iS0.03s校正成典型I型系统的电流环动态结构图如图 7所示。图7电流环的动态结构图5速度调节器 ASR设计5.1 时间常数的设定在电流调节器的设计中为了达到电流超调的要求（i 5%）, KITi 0.5,所以电流环等效时间常数 工为:Ki1Ki2 i 2 0.003 0.006s转速环小时间常数 n o按小时间常数处理处理，取on 0.006 0.010.016s5.2 转速调

12、节器结构选择为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节， 它应该包含在转速调节器ASR中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转 速环开环调节器应该有两个积分环节，所以应该设计成典型II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Wasr(S)Kn( nS 1)5.3 转速调节器参数计算按跟随性和抗扰性好的原则，取 h=5,则ASR勺超前时间常数为:0.016 0.08s转速环的开环增益为:h 12h2 2n5 122 468.75s 225 0.0162于是可得ASR勺比例系数为:(h 1) Cen 2h6 0.

13、05 0.132 0.1812.70.007 0.5 0.0165.4 校验近似条件转速环的截止频率为:cnn 468.8 0.08137.5s(1)电流环传递函数简化条件1 K31 i166.73 0.003178.6s 1cn满足简化条件。(2)转速环小时间常数近似处理条件11 166.71cn、40.0s3 on 3、0.01满足简化条件(3)校核转速超调量当h=5时，由典型II型系统的阶跃输入跟随性能指标的关系可知，n 37.6%,不能满足设计的要求。实际上，突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。系统空载启动到额定转速时的转速超调量：

14、C maxCb)- nnb2(C maxCb)(z)nb*n136 0.52 0.812 1.50.1320016 7.6%14600.18才两足要求。5.5 调节器电容和电阻值计算按所用运算放大器取Ro 40k ,各电阻和电容值计算如下:RnnR0 12.7 40k508k取 510kn 0.08 F3 FRn 510 1030.157 F取 0.2 Fon4 onRo4 0.013 F40 1036.系统仿真与分析在Matlab中进入Simulink环境，创建 Model文件如下图8所示:1电流内环仿真系统图8在Simulink仿真下的实验结果是如图9所示图9|TfTl2.Pwm控制下的直

15、流调速系统仿真结果设计心得体会对PWM脉宽直流调速系统的设计，再一次熟悉了课本所学知识，对双闭环 系统的设计步骤和设计过程有了更深入的了解。通过本次课程设计，加深了对所学电力拖动自动控制系统课程知识的理解， 特别是双闭环直流调速系统的设计，包括电流环、转速环的设计。设计时借助 MATLAB软件进行直流调速系统分析，进一步熟悉了 MATLAB中SIMULINK 的仿真。书写课程设计说明书时使用 WORD软件，使我掌握了许多 WORD编 辑和排版技巧。在此次课程设计中，我觉得查阅各类书籍是很重要的，通过查阅图书馆的书 籍可以开拓我们的视野，使我们的思维不仅仅局限在一个很小的圈子里， 对同一 个问题有多种分析思路、解决方法。另外，我认为光靠自己一个人的力量是远远 不够的，当自己遇到问题实在解决不了时，可以和同学共同探讨，寻找解决办法。 正所谓“三人行，则必有我师”。总之，这次课程设计不仅增加了我的知识积累， 为将来的毕业设计打下了基础， 还让