PWM脉宽直流调速系统设计及matlab仿真验证

1摘要双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。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。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降较小等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，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，达到稳定转速后，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，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩条件下调速系统所能得到的最快启动过程。关键字：PWM脉宽直流调速matlab仿真2PWM脉宽直流调速系统设计及matlab仿真验证1设计任务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。31.2双闭环直流调速系统的稳态结构图图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imU决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压cmU限制了电力电子变换器的最大输出电压dmU。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U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。41.3双闭环直流调速系统的动态结构图图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)(sWASR和)(sWACR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，电机的起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况：第Ⅰ阶段（0-1t）是电流上升阶段；第Ⅱ阶段（1t-2t）是恒流升速阶段；第Ⅲ阶段（2t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：51）饱和非线性控制2）转速超调3）准时间最优控制1.4系统参数选取1.4.1整流电路平均失控时间常数sT设定PWM的开关频率为zKH1，故H型双极式PWM整流的调制周期为：sfT001.011.4.2电流滤波时间常数和转速滤波常数H桥式电路每个波头的时间为ms5.0，为了基本滤平波头，应有msToi5.0)2~1(，因此取sToi0004.0。根据所有发电机纹波情况，取sTon01.0。1.4.3反馈系数的确定转速反馈系数：电流反馈系数：2电流调节器ACR的设计2.1确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数sT。H桥式PWM整流的平均失控时间为sTs0006.0。（2）电流滤波时间常数oiT。H桥式电路每个波头的时间为ms5.0，为了基AVnUmn/05.020010max*rVIUIUnomimdmimmin/35.17.3210**6本滤平波头，应有msToi5.0)2~1(，因此取sToi0004.0。（3）电流环小时间常数之和iT。按小时间常数近似处理，取sTTTsoii001.0。2.2选择电流器调节结构根据设计要求%5i，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)12()1()(ssKsWiiiACR检查对电源电压的抗扰性能：15001.0015.0ilTT，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221TTTTm51101201301%100maxbCC27.8%16.6%9.3%6.5%Ttm/2.83.43.84.0Ttv/14.721.728.730.472.3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：sTLi015.0。电源开环增益：要求%5i时，按表，应取5.0iITK，因此1500001.05.05.0sTKiI于是，ACR的比例系数为157.135.18.41015.0500siIiKRKK2.4检验近似条件电流环截止频率：1500sKIi（1）校验晶闸管整流装置传递函数近似条件cisssT116.5550006.03131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ciLmsTT17.54015.02.01313满足近似条件。（3）校验电流环小时间常数近似处理条件cioisTT4.6800004.00006.0131131满足近似条件。82.5计算调节器电阻和电容图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kR400，各个电阻和电容值为FCFFFRTCFCFFFRCkRkkRKRoiooioiiiioii4.0004.01004.010400004.0445.30375.010375.01045015.04525.4640157.163i63i，取，取，取由以上计算可得电流调节器传递函数为ssssKsWiiiACR015.0)1015.0(157.1)1()(3转速调节器ASR的设计3.1时间常数的设定（1）电流环等效时间常数IK1。取5.0iITK,则ssTKiI002.0001.0221（2）转速滤波时间常数onT。根据所有测速发电机纹波情况，取sTon01.0。（3）转速环小时间常数nT。按小时间常数近似处理，取9sTKTonIn012.013.2调节器选择及参数计算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)13()1()(ssKsWnnnASR按跟随性和抗扰性好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为shTnn06.0转速开环增益为222223.833012.0521521sThhKnN于是可得ASR的比例系数为1.62012.0105.0522.023.035.1)15(21nmenRThTChK3.3校验近似条件转速环的截止频率为1115006.03.833ssKKnNNcn（1）电流环传递函数简化条件为cniIssTK117.235001.0500313110满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为115.7401.05003131ssTKonI满足简化条件。3.4调节器电阻及电容计算图6PI型转速调节器如图6，按所用运算放大器取kR200，各电阻和电容值为FCFFFRTCFCFFFRCkRkkRKRonoononnnnnnonn11101104001.04425.00024.010024.010250006.025002484401.626363，取，取，取由以上计算可得转速调节器传递函数为ssssKsWnnnASR006.0)106.0(62)1()(114采用Matlab对系统进行仿真4.1系统稳定运行时的仿真系统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12等效负载扰动电流dlI附近。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13系统正常运行时dU的波形如图11所示。图11系统正常运行时dU的波形144.2电流环突然断线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dlI，Gain5参数设置nomnomnI/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13电流环突然断线时电流和转速曲线15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16电流环突然断线时dU的波形如图18所示。图18电流环突然断线时dU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。17心得体会通过这次课程设计，我对直流双闭环调速系统有了更深刻的认识，对抽象的知识有了具体生动的理解，学会了转速电流双闭环直流调速系统的设计，能够掌握转速和电流调节器参数的选择和计算。在设计过程中发现了很多平时学习中的不足，专业知识掌握不够扎实，缺少实际的应用，而且对matlab的应用不熟练，导致花费了大量时间，以后应多运用所学知识，进行设计和仿真，做到学以致用，认识到实践和理论的区别。还要学会谦虚谨慎，不理解的东西要多向同学老师请教，提高自己信息收集和整合的能力。18参考文献[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，2002[2]邹伯敏.自动控制理论.机械工业出版社2003[3]徐月华,汪仁煌.Matlab在直流调速设计中的应用.广东工业大学,2001[4]马葆庆,孙庆光.直流电动机的动态数学模型.电工技术,1997[5]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真.中国电力出版社,2003.