双闭环控制的直流脉宽调速系统

1、一 任 务 书设计步骤：1 画出系统的仿真模型2 主电路的建模与模型的参数设置3 控制电路的建模与模型的参数设置4 系统的仿真参数设置5 系统的仿真，仿真结果的输出及结果分析6 打印说明书（B5），并交软盘（一组）一张注意事项：1 系统建模时，将其分成主电路和控制电路两部分分别进行2 在进行参数设置时，晶闸管整流桥，平波电抗器，直流电动机等装置的参数设计原则如下：如果针对某个具体装置进行参数设置，则对话框中的有关参数应取装置的实际值；如果不针对某个具体装置的一般情况，可先取这些装置的参数默认值进行仿真。若仿真结果不理想，则通过仿真实验，不断进行参数优化， 最后确定其参数。3 给定信号的变化范围

2、，调节器的参数和反馈检测环节的反馈系数等可调参数的设置，其一般方法是通过仿真试验，不断进行参数优化。4 仿真时间根据实际需要而定，以能够仿真出完整的波形为前提。5 仿真算法的选择：通过仿真实践，从仿真能够进行，仿真的速度，仿真的精度等方面进行比较选择。二 实验设计方法及其步骤（一）概述直流电动机因其性能宜于在广泛范围内平滑调速，其调速控制系统历来在工业控制具有及其重要的地位。直流调速控制系统中最典型的一种调速系统就是转速电流双闭环调速系统。自从全控型电力电子器件问世以来，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，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系

3、统。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。PWM型系统在很多方面有较大的优越性：主电路线路简单，需要的功率器件少：开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；动态性应快，动态抗扰能力强等。因其众多优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别是在中小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。在当今社会，仿真技术已经成为分析，研究各种系统尤其是复杂系统的重要工具，为了简便工程设计和解决设计中可能出现的问题，利用Matlab中SIMULINK实用工具对直流电动

4、机的双闭环调速系统进行仿真和系统分析就成为我们今天继续探索的课题。（二）设计原理及步骤 1. 设计原理图及工作原理转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。为了实现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，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图(1)所示。图（1）双闭环直流调速系统电路原理图ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 UPE-电力电子变换器 TA-电流互感器图中，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

5、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。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图（2）双闭环直流调速系统电路原理图图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im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Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。下图是本次设计的实验原理图。图（3） 双闭

6、环控制的直流脉宽调速系统原理框图工作原理：给定值Ug与速度反馈量Ufn叠加后经速度调节器的比例积分调节作为电流环的给定输入，它与电流反馈量Ufn叠加后经电流调节器的比例积分调节向脉宽调制器输出控制电平Uc,脉宽调制器产生一个频率不变的矩形脉冲波，其脉冲宽度即占空比将随Uc值的变化而变化，其占空比可调范围为01。此脉宽调制脉冲经逻辑延时，功放，隔离等处理后，送到开关器件的栅极。外加直流电源Us经H全桥逆变电路输出一个与占空比相对应的调制电压，经平坡电抗器Ld驱动直流电动机M，发电机G则作为电动机的负载，由同轴上的测速发电机取得速度反馈信号。电流返回信号取自助电路的取样电阻Rs两端。2. 脉宽调制

7、的原理图及其生成原理PWM变换器的作用是：用PWM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系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速在图（3）中，脉宽调制器用于产生一路脉宽调制脉冲波，它是由专用芯片TL494产生的，其内部原理图如下图（4）所示。图（4） TL494的内部结构脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的电流电源电压调制成频率一定，宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。在本实验中，把脉宽调制器接成如下图（5）所示。图（5）中只利用了TL494的一组输出脉冲。只要控制TL494的输入端即“1”脚输入电平

8、，即可以在输出端“8”脚相应的得到占空比可调节的脉宽调制脉冲，其中脉宽调制脉冲的频率为5.7KHz。图（5） 脉宽调制波形发生器外围接线图3. 两个调节器的作用转速调节器的作用：（1）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。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器的作用:（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电

9、流，从而加快动态过程。4. H桥逆变电路结构原理双闭环H桥DC/DC变换直流调速系统功能原理框图如图（6）所示。图（6）双闭环H桥DC/DC变换直流调速系统功能原理框图本实验系统的主电路采用单极性脉宽调制控制方式，其中主电路由四个IGBT管构成H桥，G1G4分别由脉宽调制产生电路产生后经过驱动电路放大，再送到IGBT相应的栅极，用以控制IGBT管的通断。单极性的控制方式是这样进行控制的，在图（6）中，左边两个罐子的驱动脉冲UG1=- UG2，使VT1和VT2交替导通，而右边两管VT3，VT4因电动机的转向而施加不同的直流控制信号。在电动机正转时，UG4恒为正， UG3恒为负，使VT4 常通，V

10、T3截止。在电动机反转时，VT4截止，VT3导通。四个快恢复VD1VD4用于逆变电路的续流。其中电流调节器的电流反馈量是由主回路中的取样电阻RS进行取样的。速度反馈量取自发电机输出的电压值。本实验系统可设定不同的给定量，速度反馈量及电流反馈量，以完成开环，电流单闭环，速度单闭环及双闭环的调速实验。由于给定量Ug恒为正，因此速度反馈量必须为负值，在用到速度闭环是必须检测测速发电机提供的输出电压的极性，将正值端连接到面板的T1端，负值端连接到面板的T2端（面板上左边的接线柱为T1端，右边的接线柱为T2端）。当面板上的转向选择开关改变时，速度信号与T1，T2端的连线也相应改变。（三）实验仿真1. 系

11、统的仿真模型图（7）双闭环H桥DC/DC变换直流调速系统的仿真模型2. 系统的建模和模型参数设置（1）主电路的建模和参数设置 1) 不可控二极管整流桥的建模与参数设置。二极管整流桥的建模与晶闸管整流桥相同，首先从图（7）的电力电子模块组中选取“Universal Bridge”模块，并将模块标签改为“二极管整流桥”，然后打开二极管整流桥参数设置对话框，将“Power Electronic device”选择为“Diodes”即可，具体参数设置如图（8）所示。2）滤波电容器的建模和参数设置。它与平波电抗器的建模相同。首先从SIMULINK的元件模块组中选取“Series RLC Branch”模

12、块，并将模块标签改为“滤波电容器”，然后打开滤波电容器参数设置对话框，参数设置如图（9）所示。参数通过仿真实验优化而定。图（8）二极管整流桥的参数设置 图（9）滤波电容器的参数设置3） 可控开关的建模和参数设置，在直流脉宽调速系统的主电路中串联了一个可控开关，这是一个由电力电子器件构成的开关电路，可控开关受前面脉宽调制信号发生器的控制。它的建模和参数设置与晶闸管整流桥相同，同样从SIMULINK的电力电子模块组中选取“Universal Bridge”模块并将模块标签改为“可控开关”，然后打开参数设置对话框，将“Power Electronic device”选择为“IGBT/Diodes”即

13、可。具体参数设置如图（10）所示。图（10） 可控开关的参数设置 图（11）PWM信号发生器的参数设置 4）三相对称交流电压源参数设置。双击A相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框，在A相交流电源参数设置中，幅值取220V，初相位设置成0，频率为50Hz，其他为默认值，如图（12）所示。B，C相交流电源参数设置方法与A相基本相同，除了将初相位设置成互差120外，其他参数与A相相同。由此可得到三相对称交流电源。图(12)A相交流电压参数设置 图(13)直流电动机参数设置（2）控制电路的建模与参数设置直流电动机的建模和参数设置首先从直流电动机系统模块组中选取“DC Machine”模块，并将模

14、块标签改为“直流电动机”。直流电动机的励磁绕组“F+-F+”接直流电动机励磁电源，励磁电源可从电源模块组中选取直流电压源模块，并将电压参数设置为220V，电枢绕组“A+-A-”经平波电抗器接晶闸管整流桥的输出，电动机经TL端口接恒转矩负载，直流电动机的输出参数有转速n、电枢电流Ia、励磁电流If、电磁转矩Te，通过“示波器”模块观察仿真输出图形。 电动机的参数设置步骤如下，双击直流电动机图标，打开直流电动机的参数设置对话框，直流电动机的参数设置如图(13)所示。参数设置的原则与二极管整流桥相同。直流脉宽调速系统的控制电路包括给定环节，速度调节器，电流调节器，限幅器，速度反馈环节，脉宽调制信号发

15、生器等。其模块的建模与参数设置都比较简单，只要分别在模块库中找到相应的模块，并按要求设置好参数即可。以限幅器为例，限幅器参数设置如图(14)所示。脉宽调制信号发生器要求的输入范围为-11之间的数（包括-1和1），输出脉冲受输入信号的控制，脉冲最大输出频率设置为100Hz,如图（11）所示。当输入为1时，输出脉冲宽度最大，相当于完全导通，当其输入为-1时，脉冲宽度最小，相当于完全关断。在从-1到1的增长过程中，脉冲宽度是线性增长的。由于脉宽调制信号发生器要求的输入范围为-1,1,而速度调节器的输出范围为-200到200，为了能够将这两个相差很大的数匹配，在速度调节器后加了一个限幅器，其限制范围是

16、0到200，限制器的后面接一个放大器，其放大倍数为-0.01，那么输出的数就是-2到0了。后面在接一个加法器，加上1，那么加法器输出的数就是-1，实现上述功能的相关环节如图（15）所示。图（15）脉宽调制信号发生器及其相关环节3.系统仿真参数设置 在MATLAB的模型窗口打开“Simulation”菜单，进行“Simulation Parameters”设置，单击“Simulation Parameters”菜单后，得到仿真参数设计对话框，参数设置如图(16)所示，仿真中所选择的算法为ode23s。仿真“Start time”一般设为0，“Stop time”设为2.5。图图(16)仿真参数设

17、置对话框及参数设置 图(14) 限幅器参数设置4. 系统的仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真，其仿真结果如图（18）因为这种脉宽控制是在直流回路中直接使用可控开关，所以电路中的谐波多，仿真结果电流波形比较粗糙。但开始时电流的波形比较平滑，这是因为开始时给定转速与实际转速之间相差较大，这时的脉宽调制的输入是1或者接近1，所以“可控开关”可能完全工作在导通状态，故开始时的电流比较平滑。总 结SIMULINK提供了使用系统模型框图进行组态的仿真平台，使用SIMULINK进行仿真和分析可以像在纸上绘图一样简单。它比传统的仿真软件包更直观、方便。它是MATLAB的进一步扩展

18、，它不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与MATLAB、C或者FORTRAN甚至和硬件之间的相互数据传递，大大地扩展了它的功能。SIMULINK不但可以进行仿真，也可以进行模型分析、控制系统设计等。MATLAB是一个功能相当强大的数值分析仿真软件，SIMULINK是MATLAB环境下对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。它不但支持线性系统仿真，也支持非线性系统仿真，既可以进行连续系统仿真，也可进行离散系统仿真或者二者的混合系统仿真，同时它支持具有多种采样速率的系统仿真。通过这次设计，不但使我们更深刻的掌握了MATLAB下的SIMULINK的使用方法，对双闭环调速系统有了更深刻的了解，使我对电力电子技术，电力拖动自动控制系统，计算机仿真等多学科专业知识的水平和加强实际分析、解决问题的能力。拓宽知识面、开拓新学科领域的需要有重大意义。设计的过程中还锻炼了我们的动手能力，开发了我们的动脑能力，这些宝贵的经验都将是我们今后学习的基础。 在这次的设计工程中，我们得到了王均树和梁秀满老师的悉心指导，在此致以我深深的谢意。另外还要感谢我们小组成员给予我的帮助。参考文献李传琦 主编 电力电子技术计算机仿真实验。北京：电子工业出版社，2006周渊深