PWM脉宽直流调速系统设计及matlab仿真验证

1、1.1双闭环调速系统结构图图1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套链接，如图1所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，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、电流反馈控制直流调速系统。图2 双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流调速系统的稳态结构图如图2所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输

2、出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。当调节器饱和时，输出打到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态，因此对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。图3 双闭环直流调速系统的动态结构图双闭环直流调速系统的动态结构图如图3所示，图中和分别表示转速调节和电流调节器的传递函数。双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形如图所示：图4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形如图4所示，电机的起动过程中

3、转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况：第阶段（0-）是电流上升阶段；第阶段（-）是恒流升速阶段；第阶段（以后）是转速调节阶段。双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：1） 饱和非线性控制2） 转速超调3） 准时间最优控制设定PWM的开关频率为，故H型双极式PWM整流的调制周期为：H桥式电路每个波头的时间为，为了基本滤平波头，应有，因此取。根据所有发电机纹波情况，取。转速反馈系数：电流反馈系数： 2电流调节器ACR的设计（1）整流装置滞后时间常数。H桥式PWM整流的平均失控时间为。（2）电流滤波时间常数。H桥式电路每个波头的时间为，为了基本滤平波头，应有，因此取。（3）电流环小

4、时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。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型的，因此可以用PI型电流调节器，其传递函数见式检查对电源电压的抗扰性能：，参见表的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。表1 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系27.8%16.6%9.3%6.5%电流调节器超前时间常数：。电源开环增益：要求时，按表，应取，因此于是，ACR的比例系数为电流环截止频率：（1）校验晶闸管整流装置传递函数近似条件满足近似条件。（2）校验忽略反电势变化对电流环动态影响条件 满足近似条件。（3）校验电流环小时间常数近似处理条件

5、 满足近似条件。图5 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器如图5，按所用运算放大器取，各个电阻和电容值为由以上计算可得电流调节器传递函数为 3转速调节器ASR的设计（1）电流环等效时间常数。取,则（2）转速滤波时间常数。根据所有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共有两个积分环节，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，其传递函数为按

6、跟随性和抗扰性好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为转速开环增益为于是可得ASR的比例系数为3.3 校验近似条件转速环的截止频率为（1）电流环传递函数简化条件为 满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为 满足简化条件。 图6 PI型转速调节器如图6，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为由以上计算可得转速调节器传递函数为 4 采用Matlab对系统进行仿真 正常情况下系统的仿真框图如图7所示。图7 系统稳定运行时仿真框图当电流环没有断线时，系统处于稳定运行，此时系统为一个电流速度双闭环直流调速系统，此时启动转速和启动电流的波形如图8所示。图8启动时的电流和转速曲线启动电流和转速都

7、经历了电流上升、恒流升速以及转速调节三个阶段。转速经过超调之后逐渐稳定在额定转速n=200附近；电流经过经过超调后逐渐稳定在等效负载扰动电流近。此时ACR和ASR的输出波形如图9和图10所示。图9 系统正常运行时ACR的输出波形图10 系统正常运行时ASR的输出波形系统正常运行时的波形如图11所示。图11 系统正常运行时的波形 在原电路图电流环反馈环节串入一个乘法器，如图12所示，Step2初始值设为1，终值设为0，延时2s，将Gain5作为反馈代替，Gain5参数设置运行后，开始电路正常运行，2s后电流环突然断线。图12 电流环突然断线的系统框图系统运行后电流和转速的输出波形如图13所示。图

8、13 电流环突然断线时电流和转速曲线电流环突然断线时的ASR和ACR的输出波形如图14和图15所示。图16 电流环突然断线时ASR输出波形图17 电流环突然断线时ACR输出波形电流环突然断线时的波形如图18所示。图18 电流环突然断线时的波形通过以上仿真可以看出，当电流环突然断线时，ACR没有电流反馈环节，电流很快增加，转速反馈增大，与给定的偏差减小，ASR输出增大，ACR增大，转速反馈增大，依次这样震荡。在这个过程中，比例作用很快，积分环节不够大，所以会震荡，此时系统不能正常运行。 心得体会本次课程设计历时一周，在整个设计过程中，我不仅巩固了以前所学到的知识，更学到了许多课外的知识。通过这次

9、的课程设计，我也发现了很多平时学习中的不足，可谓是收获颇多。 通过这次课设，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，同时我也深深感受到理论与实践相结合的重要性。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系。这大大激发我学习书本的兴趣。再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的工作，还应该考虑到实际情况。理论计算的的结果可能与实际稍有差别，要以实际情况为准。 作为一名学习电气工程及其自动化的学生，我们的梦想是成为一名电气工程师，所以我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。在成为一名合格的电气工程师之前我们必须经历硬件的制作、软件的调试、系统的设计这三个步骤。课程设计中我既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了Matlab在自动化应用中的基本使用方法。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益匪浅。 参考文献1院毅 陈伯时