PWM直流脉宽调速系统建模与仿真

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=0.5Ω，Ks=44。负载电机额定数据：PN=8.5KW，UN=230V，IN=37A，nN=1450r/min，Ra=1.0Ω，Ifn=1.14A，GD2=2.96N.m2系统主电路：Tm=0.07s，Tl=0.005s2．技术指标稳态指标：无静差动态指标：电流超调量：δi≤5%，起动到额定转速时的超调量：δn≤8%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s要求完成的主要任务:1．技术要求：(1)该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，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,(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I摘要本文在介绍双闭环PWM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PWM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PWM发生器、直流电机模块等参数的设置，利用Matlab的Simulink仿真得到PWM直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，验证了仿真模型及调节器参数设置的正确性。为实际应用中PWM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、MATLAB1目录PWM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的电容电阻……………………………………………………………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………………………………………………………………184MATLAB仿真…………………………………………………………………………………194.1MATLAB简介……………………………………………………………………………194.2PWM直流脉宽调速系统仿真…………………………………………………………204.3仿真结果………………………………………………………………………………215总结与体会…………………………………………………………………………………22参考文献………………………………………………………………………………………23附录…………………………………………………………………………………………24武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程计说明书2PWM直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PWM调速系统。直流PWM调速系统采用门极可关断晶闸管GTO、全控电力晶体管GTR、MOSFET、IGBT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，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PWM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。武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程计说明书32主要任务及要求题目中所给的负载电机额定数据如下：PN=8.5KW，UN=230V，IN=37A，nN=1450r/min，Ra=1.0Ω，Ifn=1.14A，GD2=2.96N.m2Tm=0.07s，Tl=0.005s所给出的PWM变流装置参数如下：Rrec=0.5Ω，Ks=44。2.1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，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：δi≤5%，起动到额定转速时的超调量：δn≤8%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程计说明书43理论设计3.1方案论证要求采用直流PWM调制，所以开关器件必须是全控型的电力电子器件，全控型的器件有门极可关断晶闸管GTO、全控电力晶体管GTR、MOSFET、IGBT等，因为IGBT具有较高的开关频率，较高的功率承受能力，而且驱动简单，所以选择IGBT作为开关器件。题目要求实现电机的可逆运行，要求转速反向，就需要改变PWM变换器输出的电压的正负极性，使得直流电机可以在四象限中运行。可逆PWM变换器的主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H桥型）电路，如图3-1所示，电机Ｍ两端电压ABU的极性随着全控型电力电子器件的开关状态而改变。可逆PWM变换器的控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，在这里采用最常见的是双极式控制的H桥型PWM变换器。图3-1桥式可逆ＰＷＭ变换器电路双极式PWM变换器的工作状态要视正、负脉冲电压的宽窄而定，如图3-2所示。当正脉冲较宽时，ont2T，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，ont2T，平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相等，ont=2T,平均电压为零，则电动机停止。武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程计说明书5图3-2双极式PWM变换器电压和电流波形双极式可逆PWM变换器电枢平均端电压为：2(1)ononondssStTttUUUUTTT以=dsUU定义PWM电压的占空比，则=21ontTρ的变化范围为1≤ρ≤1。当ρ为正值时，电动机正转；ρ为负值时，电动机反转；ρ＝0时，电动机停止。在ρ＝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：δi≤5%，起动到额定转速时的超调量：δn≤8%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤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，为实现转速和武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程计说明书6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。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-电力电子变换器*Un-转速给定电压Un-转速反馈电压*Ui-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。武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程计说明书7图3-4他励直流电机在额定励磁下的等效电路假