PWM可逆直流调速系统matlab仿真实习

《运动控制系统仿真》课程设计——PWM直流调速系统的动态建模与仿真学院：电气与控制工程学院班级：自动化1104班姓名：钟传琦学号：1106050430日期：2014年6月27日-1-一、课程设计的目的及任务《运动控制系统》是自动化专业的一门主干专业课程，在该课程学习结束后单独安排了1周的控制系统仿真课程设计。其目的是要求学生针对某个电机控制系统功能模块或整个控制系统进行设计与实现，使学生能进一步加深对课堂教学内容的理解，了解典型的电机控制系统基本控制原理和结构，掌握基本的调试方法，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和工程实践能力，并初步培养实事求是的工作作风和撰写科研总结报告的能力。二、课程设计的基本要求《运动控制系统》被控对象是交、直流电动机，能量转换是由电力电子器件构成的变换器，微机构成控制器。因此控制系统仿真课程设计学生应掌握以下基本内容：（1）交、直流电动机；（2）电力电子变换器；（3）微机控制器；（4）转速、电流等检测电路；（5）输入输出转换电路、调理电路和功放电路等。三．课程设计的内容及基本要求1．设计题目1)开环直流调速系统的动态建模与仿真2)单闭环有静差转速负反馈调速系统的动态建模与仿真3)单闭环无静差转速负反馈调速系统的动态建模与仿真4)带电流截止转速负反馈的单闭环调速系统的动态建模与仿真5)单闭环电压负反馈调速系统的动态建模与仿真6)双闭环直流调速系统的动态建模与仿真7)有环流可逆直流调速系统的动态建模与仿真8)逻辑无环流可逆直流调速系统的动态建模与仿真9)三相异步电动机数学模型的建立10)PWM直流调速系统的动态建模与仿真本文所选题目为：10)PWM直流调速系统的动态建模与仿真。-2-2．设计内容（1）设计系统各单元电路和主控电路；（2）分析并测定系统各环节的输入输出特性及其参数，调试各单元电路；（3）系统性能分析与程序设计；（4）系统校正，修正系统静、动态性能。3．设计要求（1）初步掌握控制系统的分析和设计的基本方法。包括设计任务，进行设计题目的方案论证。通过调查研究、设计计算，确定方案，写出总结报告。（2）培养一定的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力。包括学会自己分析解决问题的方法，对设计中遇到的问题，能通过独立思考、查阅工具书、参考文献，寻找答案。（3）通过严格的科学训练和工程设计实践，逐步树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风，并培养学生在实际工作中应具有的生产观点，经济观点和全局观点。4.控制对象参数直流调速系统的基本数据如下: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Ra=0.2Ω,允许过载倍数λ=1.5;电枢回路总电阻:R=0.5Ω,电枢回路总电感:L=15mH,电动机轴上的总飞轮力矩:GD2=22.5N·m2,晶闸管装置:放大系数Ks=40,电流反馈系数:β=0.05V/A,转速反馈系数:α=0.007Vmin/r,滤波时间常数:Toi=0.002s,Ton=0.01s。四．PWM直流调速系统简介1.PWM调速原理可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图1所示，电动机M两端电压ABU的极性随全控型电力电子器件的开关状态而改变。双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压的关系是：1423ggggUUUU。在一个开关周期内，当0tont时，ABSUU，电枢电流id沿回路1流通；当onttT时，驱动电压反号，id沿回路2经二极管续流，-3-ABSUU。因此，ABU在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。图1.双极式控制可逆PWM变换器2PWM发生器的matlab建模直流脉宽调速系统仿真的关键是PWM发生器的建模。从双闭环调速系统的动态结构框图可知，电流调节器ACR输出最大限幅时，H桥的占空比为1。对于PWM发生器，采用两个DiscretePWMGenerator模块。由于此模块中自带三角波，其幅值为1，且输入信号应在-1与1之间，将输入信号同三角波信号相比较，当比较结果大于0时，占空比大于50%，PWM波表现为上宽下窄，电机正转；当比较结果小于0而大于-1时，占空比小于50%，PWM波表现为上窄下宽，电机反转。DiscretePWMGenerator模块的参数设置为：调制波为外设，载波频率根据电力电子开关频率确定。其次，由于电机运转时，H桥应与对角两管触发信号一致，为此采用Selector模块（路径为：Simulink/SignalRouting/Selector），其参数设置为：InputType为Vector，Elements为[1243]，使得PWM发生器信号同H桥对角两管触发信号相对应。PWM发生器模型及封装后子系统如图2所示：图2.PWM发生器模型及封装后子系统由于ACR输出的数值在-10~10之间，为使ACR输出的数值同PWM发生器-4-输入信号相对应，在ASR输出端加了一个Gain模块，参数为0.1。这样，当ASR输出限幅10时，PWM输入端为1，占空比为1；当ASR输出限幅为-10时，PWM输入端为-1，占空比为0。五．Matlab仿真设计1.开环PWM可逆直流调速系统仿真模型1.1开环PWM可逆直流调速系统仿真模型如图3所示。图3.开环PWM可逆直流调速系统仿真模型1.2开环PWM可逆直流调速系统仿真结果（1）当给定值为5时，PWM发生器波形、桥式电路输出电压波形、以及直流电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩波形分别如下：图4.PWM发生器波形-5-图5.桥式电路输出电压波形图6.直流电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩波形（2）当给定值为0时，PWM发生器波形、桥式电路输出电压波形、以及直流电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩波形分别如下：-6-图7.PWM发生器波形图8.桥式电路输出电压波形图9.直流电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩波形-7-1.3仿真结果分析PWM发生器产生脉冲宽度可调、频率一定的方波。其中波1、4相同，2、3相同，切两种波形互补，从而驱动H桥式可逆PWM电路。在PWM波驱动下桥式电路产生脉冲电压，从而给直流电机供电。当给定为5时，PWM发生器输出占空比为0.75和0.25的两路信号分别作用于桥式H电路，PWM变换器输出占空比为0.75，平均电压为110V，电机转速应为额定空载转速的一半。当给定为0时，PWM发生器输出占空比都为0.5，PWM变换器输出占空比为0.5此时桥式H型电路输出平均电压为0V，电机稳态转速为0。当给定为负时，PWM发生器输出占空比为0-0.5和0.5-1，PWM变换器输出占空比0-0.5，平均电压小于0V，电机反转。图6、9为直流电机在空载时的启动响应曲线。需要说明的是由于想使PWM观察更明显，故将PWM频率设置较小，仅为200Hz，所以转速、电枢电流、电磁转矩的脉动比较大，但并不失仿真的一般性，而且原理更为清楚。2.单闭环PWM可逆直流调速系统仿真模型2.1单闭环PWM可逆直流调速系统仿真模型如图7所示：图10.单闭环PWM可逆直流调速系统仿真模型2.2单闭环环PWM可逆直流调速系统仿真结果当给定值为7时，PWM发生器波形、桥式电路输出电压波形、以及直流电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩波形分别如下：-8-图11.PWM发生器波形输出波形图12.桥式电路输出电压波形-9-图13.直流电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩波形2.3仿真结果分析上图为直流电机空载时电机的输出响应从PWM发生器输出波形可知，闭环直流调速系统能根据给定于反馈的误差自动调节输出脉冲宽度，调节占空比，从而改变桥式可逆PWM变换器输出的平均电压，从而控制转速。由于比例调节系统是基于当前误差的调节，与历史值无关，是有差调节，故稳态转速下降。其余特性和开环特性一样。六．实习心得《运动控制系统》是自动化专业的一门主干专业课程，经过一周的控制系统仿真课程设计的学习和实践，我基本掌握了针对某个电机控制系统功能模块或整个控制系统进行设计与实现，使我能进一步加深对课堂教学内容的理解，了解典型的电机控制系统基本控制原理和结构，掌握基本的调试方法，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和工程实践能力，并初步培养了实事求是的工作作风和撰写科研总结报告的能力。在仿真的过程中，我遇到了各种各样的问题，比如模块的寻找，参数如何设置等。经过我不懈的努力，通过咨询老师、查询资料、询问同学等各种途径，逐步解决了仿真课程设计中遇到的问题，并按时完成了学习任务。经过此次实习后，我对matlab软件有了更深的了解，熟悉matlab在控制领域的应用，会用matlab中的各个模块对系统进行仿真，从而加深了自己对所学知识的理解与应用。-10-七．参考文献[1]院毅陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社,2009[2]邹伯敏自动控制理论.北京:清华大学出版社,2009[3]胡寿松自动控制理论第五版.北京：科学出版社[4]孙树朴李明王旭光伍小杰王勉华郑征.电力电子技术.中国矿业大学出版社