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1、PWM脉宽调制直流调速系统设计及MATLAB仿真验证 第一章 系统概述 1.1 设计目的 1. 掌握转速，电流双闭环控制的双极式PWM直流调速原理。 2. 掌握并熟练运用MATLAB对系统进行仿真。 1.2 设计题目 转速，电流双闭环控制的H型双极式PWM直流调速系统，已知： 直流电动机：Unom?48V,Inom?3.7A,nnom?200r/min,允许过载倍数?=2；时间常数：TL=0.015s，Tm=0.2s；PWM环节的放大倍数：KS=4.8,；电枢回路总电阻：R=3?；电枢 *电阻Ra=2?。调节器输入输出电压Unm=10V. ?Uim 采用MATLAB对双闭环系统进行仿真，绘制直
2、流调速系统（Id=const）稳定运行时转速环突然断线（1、有ACR限幅值；2、无ACR限幅值）仿真框图，仿真得出启动转速，起动电流，直流电压Ud，ASR,ACR输出电压的波形。并对结果进行分析。 1.3 设计内容 1 简述设计题目及对题目的分析； 2 简述双极式PWM直流调速系统原理； 3 简述电流环，转速环的控制原理； 4 对电流环、转速环的参数进行计算选取； 5 根据电流环、转速换的参数进行MATLAB仿真； 1 第二章 转速、电流双闭环式的双极式PWM直流调速系统 2.1 双极式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2-1所示，电动机M两
3、端电压UAB的极性随全控型电力电子器件的开关状态而改变。 图2-1 桥式可逆PWM变换电路 双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压的关系是：Ug1?Ug4?Ug2?Ug3。在一个开关周期内，当0?t<ton时 ，UAB?US，电枢电流id沿回路1流通；当ton?t<T时，驱动电压反号，id沿回路2经二极管续流，UAB?US。因此，UAB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。 2.2 双极式PWM调速系统的优缺点 1 双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点： （1）电流一定连续； （2）可使电动机在四象限运行； （3）电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区
4、； 2 （4）低速平稳性好，系统的调速范围大； （5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 2 双极式控制方式的不足之处是： 在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。 2.3 转速、电流双闭环系统原理 2.3.1 双闭环调速系统结构图 转速、电流双闭环直流调速系统的结构图如图2-2所示。 图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统的结构图 图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，在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
5、在里面，称作电流内环；速度换在外边，称作转速外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 2.3.2 双闭环调速系统稳态结构图 双闭环调速系统稳态结构图如图2-3所示。 3 图2-3 双闭环调速系统稳态结构图 分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未到达限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，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，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的关系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压?U在稳态时总为零。 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因
6、此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和的两种情况。 2.3.3 双闭环调速系统动态结构图 系统动态结构图如图2-4所示。 图2-4 系统动态结构图 4 图中WASR(S)和WACR(S)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数，为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电流Id显露出来。电机的启动过程中转速调 节器经历了饱和、退饱和、不饱和三种状态。 2.4 双闭环调速系统的作用 1. 转速调节器的作用 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采用PI调节器，则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流 2. 电流调节
7、器的作用 在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出；量的变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。 5 第三章 系统参数的确定 3.1 整流电路失控时间及滤波时间的确定 3.1.1 整流电路平均失控时间常数TS 失控时间是随机的，它的大小随电源电压发生变化的时刻而变化，最大可能失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源和整流电路形式有关，由下式确定： 1 TSmax?mf 式中f-交流电源频率； m-一周内整流电
8、压脉冲数。 相对于整个系统的响应时间来说，一般情况下取统计平均值，认为是常数。对于双极式PWM直流调速系统，其晶闸管的开关频率一般在10K赫兹以上，在此取 TS?1?0.001s f 3.1.2 电流滤波时间常数和转速滤波时间常数 双极式PWM电路每个波头的时间为 T?0.001s 为了基本滤平波头，应该选择 T?(12)Toi，Toi?0.001s 根据所用测速发电机的纹波情况，取 Ton?0.01s 3.2 反馈系数的确定 *Unm10转速反馈系数 ?0.05V/A nmax200 *Uim10 电流反馈系数 ?1.35min/r Idm2*3.7 6 3.3 电流调节器参数的确定 3.3
9、.1 电流环小时间常数的计算 按小时间常数近似处理，T?i取 T?i?Toi?Ts?0.002s 3.3.2 电流调节器结构选择 根据设计要求?i?5%，并保证稳态电流无静差，可以按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可以用PI调节器，其传递函数如下： WACR(s)?Ki(?is?1) ?is 检查对电源电压的抗扰性能： 3.3.3 计算电流调节器的参数 Tl0.015?7.5 各项指标可以接受 T?i0.002 电流调节器超前时间常数： ?i?Tl?0.015s 电源开环增益： 取KIT?i=0.5 ，因此 KI?0.50.5?250s?1 T?i0.002 于是，A
10、CR的比例系数为0000000000 Ki?KI?iR250?0.015?1?0.579 KS?4.8?1.35 3.3.4 校验近似条件 电流环截止频率： ?ci?KI?250s?1 1. 校验晶闸管整流装置传递函数近似条件 11?s?1?333.3s?1?ci 满足近似条件 3TS3?0.001 2. 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 7 ?3?1?54.8?ci 满足近似条件 3. 校验电流环小时间常数近似处理条件 1?1?333.3?ci 满足近似条件 33.3.5 计算调节器电阻和电容 电流调节器原理图如图3-1所示，按所用运算放大器取R0?40k?，各电阻和电容值计算如下
11、： Ri?KiR0?0.579?40k?23.16k? 取23k? 0.015F?0.652?10?6F?0.652uF 取0.65uF 3Ri23?10 4T4?0.001Coi?oi?F?0.1?10?6F?0.1uF 取0.1uF 3R040?10Ci?i 按照上述参数，电流环可达到的动态跟随性能指标为： ?i=4.3%?5% 满足设计要求 图3-1 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器 3.4 转速调节器参数的确定 8 3.4.1 确定时间常数 1电流环等效时间常数?2T?i?2?0.002s?0.004s，按小时间常数近似处理，转速环KI1小时间常数T?n?Ton?0.004?0.
12、01s?0.014s KI 3.4.2 转速调节器结构选择 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。选择扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速开环调节器应共有两个积分环节，所以应该设计成典II型系统，这样的系统同时也能满足动态性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为： Kn(?ns?1) ?ns U?IR48?3.7?0.5电动机的电动势系数为 Ce?NNa?0.23 nN200?ASR(s)? 3.4.3 计算转速节器的参数 按跟随和抗扰性能都比较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为： ?n?hT?n?5
13、?0.014s?0.07s h?16?2 ?612s2222hT?n2?25?0.014 ?h?1?CeTm?6?1.35?0.23?0.2?44.36 ASR的比例系数为Kn?2h?RT?n2?6?0.05?1?0.014转速开环增益为： KN? 3.4.4 检验近似条件 转速环截止频率 ?cn?KN?KN?n?612?0.07s?1?42.84s?1 ?1 1. 电流环传递函数简化条件 ?117.8?cn 满足简化条件 2.转速环小时间常数近似处理条件 ?52.7?cn 满足近似条件 9 3.4.5 计算调节器电阻和电容 转速调节器的原理图如图3-2所示，取R0?40k?，则 Rn?KnR0?44.36?40k?1774k? 取1774k? Cn?0.07F?0.039?10?6F?0.039uF 取0.1uF 3Rn1774?10 4T4?0.01?6Con?on?F?1?10F?1uF 取1uF 3R040?10?n 3.4.6 核定转速超调量 ?Cmax当h=5时，?Cb?Cmax?nb?Cmax?nnT?n ?2?z?*?*CnCnTm?b?b?Id?R3.7?1=81.2%，?n?16.1，代入上式得 ?nC0.23e?n? ?n?1.83%?20% 满足设计要求 图3-2 含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器 第四章 MATLAB仿真设计 10 4.1 双闭环
