《基于PWM控制的直流可逆调速系统仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PWM控制的直流可逆调速系统仿真（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于基于 PWMPWM 控制的直流可逆调速系统仿真控制的直流可逆调速系统仿真摘摘 要要直流调速系统是自动调速系统的主要形式,它具有良好的起、制动性能，可以在较宽的调速范围内实现平滑调速，较快的零动态响应过程，并且低速运转时力矩大的运行性能和控制特性。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流 PWM 调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流 PWM 调速系统的数学模型，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。本文采用双极式和受限单极式两种方式的 PWM 控制模块，建立了双闭环直流 PWM 调速系统的数学模型，利用 MATLAB 中的 simulink 和 simpower
2、 system 对系统进行给定参数下的仿真。关键词：直流可逆调速；关键词：直流可逆调速；PWMPWM 控制模块；双闭环；控制模块；双闭环；MATLABMATLAB 仿真仿真Simulation of DC reversible speed adjusting system based on PWM controlAbstract Keywords: 目录目录1 1 绪论绪论1.1 PWM 控制的现状及分类1.2 选择 PWM 控制系统的理由1.3 采用转速电流双闭环的理由2 2 双闭环可逆直流双闭环可逆直流 PWMPWM 调速系统原理设计调速系统原理设计2.1 转速、电流双闭环调速系统结构框图
3、2.2 转速、电流双闭环调速系统的组成2.3 电流调节器和转速调节器的设计2.3.1 电流调节器的设计2.3.2 转速调节器的设计3 3 直流直流 PWMPWM 可逆调速系统原理可逆调速系统原理3.1 可逆 PWM 变换器原理3.2 双极式 H 型 PWM 变换器原理3.3 受限单极式 H 型变换器原理4 4 H H 桥桥 PWMPWM 直流直流可逆调速系统的仿真可逆调速系统的仿真4.1 双极式 H 桥 PWM 直流可逆调速系统的仿真4.1.1 双极式 PWM 发生器防真模型4.1.2 双极式 PWM 双闭环调速系统仿真模型4.2 受限单极式 H 桥 PWM 直流可逆调速系统的仿真4.2.1
4、受限单极式 PWM 调制模块4.2.2 受限单极式 PWM 双闭环调速系统仿真模型1 1 绪论绪论1.1 PWM 控制的现状及分类而在众多 PWM 变换器实现方法中，又以 H 型 PWM 变换器更为多见。这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。因此，本次设计以 H 型 PWM 直流控制器为主要研究对象。 要研究 PWM 调速方法，不能不提到微电子技术、电力电子技术和微机控制技术，没有这些技术的支持，我们就只能还是在走前人的老路，被模拟、人工控制的思维所禁锢。在电动机转速控制领域，如果不能有效的引用这些技术，我们很难有所突破，发现问题，进而有所进步。 PWM 控制
5、技术一般可分为三大类，即正弦 PWM、优化 PWM 及随机 PWM，从实现方法上来看，大致有模拟式和数字式两种，而数字式中又包括硬件、软件或查表等几种实现方式，从控制特性来看主要可分为两种：开环式（电压或磁通控制型）和闭环式（电流或磁控型） 。随着计算机设计技术的不断进步，数字化 PWM 已逐步取代模拟式 PWM，成为电力电子装置共用的核心技术。交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于 PWM 技术的不断进步。目前广泛应用的是在规则采样 PWM 的基础上发展起来的准优化 PWM 法，即三次谐波叠加法和电压空间矢量 PWM 法，这两种方法具有计算简单、实时控制容易的特点。1.2 选择 PWM
6、 控制系统的理由自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的控制方式，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 调速系统4。PWM 系统在很多方面有较大的优越性：（1）主电路线路非常简单，需要用到的功率器件比较少。（2）开关频率比较高，电机损耗及发热都比较少，电流很容易连续，并且谐波少。（3）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗比较小，装置效率比较高。（4）低速性能比较好，调速范围比较宽，稳速精度比较高。（5）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应比较快，动态抗干扰能力强。（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因
7、数比相控整流器高。由于有上述优点，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，已经完全取代了其他调速系统，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。1.3 采用转速电流双闭环的理由同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化） ，只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。单闭环速度反馈调速系统，采用 PI 控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如
8、果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，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要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流
9、进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。2 2 双闭环可逆直流双闭环可逆直流 PWMPWM 调速系统原理设计调速系统原理设计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
10、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。2.1 转速、电流双闭环调速系统结构框图图 2-1 系统结构直流调速系统的结构如上图所示，其中 UPE 是电力电子器件组成的变换器，其输入接三相(或单相)交流电源，输出为可控
11、的直流电压铸。对于中、小容量系统，多采用由 IGBT 或 P 一 MOSFET 组成的 PWM 变换器;对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如 GTO、IGCT 等;对于特大容量的系统，则常用晶闸管装置。根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。2.2 转速、电流双闭环调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别是转速和电流，二者之间实行串级联接，如图 2-2 所示。这就是说，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 PWM 调制器。从闭环结
12、构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节器在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用 PI 调节器。图 2-2 双闭环调速系统稳态结构图图 2-3 双闭环脉宽调速系统的动态结构图2.3 电流调节器和转速调节器的设计我们现在采用一般系统调节器的工程设计方法具体设计双闭环调速系统的两个调节器。由工程设计法可知，设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环逐步向外扩展。在这里，先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。2.3.1 电流调节器的设计图 2-4
13、 电流环的动态简化结构图由双闭环系统动态结构图可看出外环通过反电动势 E 对内环产生影响，但是由于实际系统中处于外环的系统机电时间常数比内环的时间常数大得多，tM机构经 ACR 对内环效正后其输出量的动态过程变化很快，而反电动势 E 的 aIt变化过程 E（t）相对来说是缓慢的。反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似地认为 E 基本不变。因此在设计电流环时可以简化计算略去反电动势 E 对内环地影响，将电流闭环的动态结构简化为单位负反馈形式并将脉宽调制器和 PWM 变换器的滞后时间 T 与电流反馈滤波时间两个小的时间常数所对应的两个小惯性合并为一个小惯性
14、时间oiT环节，即，于是得到如图 2-4 的电流简化动态结构图。oiiTTT电流环即可设计成典型 I 型系统也可设计成典型 II 型系统，一方面取决于对电流环的动态要求，并且典型 I 系统的跟随性能优于抗扰性，而典型 II 型系统的抗扰性优于跟随性。电流环的一项重要作用就是保持电枢电流动态过程中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电流环效正成典型 I 系统。另一方面电流环还有对电网电压波动及时调节的作用，为了提高其抗扰性能，有希望把电流环效正成典型 II 系统。在一般情况下，当控制对象的两个时间常数之比时，典/10liT T型 I 系统的抗
15、扰恢复时间还是可以接受的，因此，效正成典型 I 型系统，显然采用 PI 调节器，其传递函数为：（2 1i ACRi isWSKs 1）电流调节器的参数包括和，为了让调节器零点对消掉控制对象的大时iKi间常数极点，取=。按二阶最佳系统效正，在一般情况下，希望超调量ilT%5%时，查表得阻尼比 =0.7070，=0.5，因此IiK T2l i ST RKKTi（22）2.3.2 转速调节器的设计由自动控制基本理论推导可得，电流环不论是典型 I 型花或是典型 II 型化在一定的近似条件下都可以等效为一个惯性环节，写成通式为：（21 ( )1cliiWsaTs3）若典型 I 型化且 =0.707，=0
16、.5，则 a=2。若典型 II 型化 h=5,m=0.1.IiK T则 a=。5/6由上式画出转速闭环的动态结构图，将它简化为单位负反馈形式并将两个小惯性合并为一个小惯性，即将转速给定及转速反馈的滤波时间常数与电流onT环等效时间常数合并为转速环小惯性时间常数.由于要求转速对负载iaTNT扰动无静差，则在 ASR 中必须含有积分环节，取 ASR 为 PI 调节器，因此转速环必然按典型 II 型系统设计。若只考虑给定信号的作用则得到简化的转速环的动态结构图如图 2-5 所示，这里有（2onNiTTaT4）图 2-5 转速调节闭环等效动态结构图可见，上图已具备典型 II 型系统的标准形式，ASR 调节器的参数按以下各式计算即可（2221 2n N nemnKRhKC Th T 5）（2nnhT6）（2(1) 2em nnhC TKh RT 7）3 3 直流直流 PWMPWM 可逆调速系统
