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1、PWMPWM 直直 流流 调调 速速 系系 统统 的的 建建 模模 与与 仿仿 真真 设设 计计PWMPWM 双闭环直流脉宽调速系统建模与仿真设计双闭环直流脉宽调速系统建模与仿真设计一、设计内容一、设计内容1.11.1 设计目的设计目的1. 掌握转速，电流双闭环控制的 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 设计参数设计参数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=0.2,允许过载倍数= 1.5;电枢回路总电阻:R= 0.5,电枢回路总电感:L= 15
2、mH,电动机轴上的总飞轮力矩:GD2= 22.5Nm2,晶闸管装置:放大系数 Ks=40,电流反馈系数:=0.05V/A,转速反馈系数:=0.007Vmin/r,滤波时间常数:Toi=0.002s ,Ton=0.01s1.3 设计要求设计要求(1)稳态指标:转速无静差; (2)动态指标:电流超调量 i5%,空载起动到额定转速的转速超调量 n10%二、设计思路二、设计思路2.12.1 PWMPWM 调速原理调速原理可逆 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，如图所示，电动机 M 两端电压的极性随全控型电力电子器件的开关状态而ABU改变。双极式控制可逆 PWM 变换器
3、的四个驱动电压的关系是：。在一个开关周期内，当 0t时，电枢1423ggggUUUU ontABSUU电流 id 沿回路 1 流通；当tT 时，驱动电压反号，id 沿回路 2 经二极管ont续流，。因此，在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双ABSUU ABU极式名称的由来。2.22.2 PWMPWM 发生器的建模发生器的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 Discrete PWM Generator 模块。由于此模块中自带三角波，其幅值为 1
4、，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。Discrete PWM Generator 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/Signal Routing/Selector），其参数设置为：Input Type 为Vector，Elements 为1
5、2 4 3， 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下图所示。PWM 发生器模型及封装后子系统由于 ACR 输出的数值在-1010 之间， 为使 ACR 输出的数值同 PWM 发生器输入信号相对应， 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。2.32.3 转速、电流双闭环系统原理转速、电流双闭环系统原理2.3.12.3.1 双闭环调速系统结构图双闭环调速系统结构图转速、电流双
6、闭环直流调速系统的结构图如图转速、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。2.3.22.3.2 电流环的设计电流环的设计1.确定时间常数整流装置滞后时间常数： TS= 0.001电流滤波时间常数： Toi= 0.002电流环小时间常数按小时间常数近似处理取T= T+ = 0.003s2.选择电流调节器结构和参数根据设计要求，电流环设计为典 I 系统，选择 PI 调节器，其传递函数 5%为: ssKsWi
7、i i1 ACR检查对电源电压的抗扰性能： =0.03 0.003 1= 10 13.校验近似条件晶闸管装置传递函数近似条件：sciT31，满足近似条件。1 3=1 3 0.001 1 333.3 11)忽略反电动势对电流环影响的条件：lmciTT13，满足近似条件。31 40.82 12)小时间常数近似处理条件：。oisciTT1 31。满足近似条件。1 31 =1 31 0.001 0.002 1 235.7 1放大系数=2.27。 经过参数调整以后 取 3.76iKK按照上述参数， 满足设计要求2.3.32.3.3 转速环的设计转速环的设计1.电流环等效时间常数,则1 006. 021i
8、ciTKI转速滤波时间常数= 0.01转速小时间常数按小时间常数近似处理，所以取 =1 + = 0.0162选择转速调节器的结构和参数根据设计要求，应按照典 II 系统设计转速环节，故 ASR 选择 PI 调节器，传递函数为：ssKsWnn nasr1)(转速调节器参数：按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 = = 0.08转速环开环增益= + 122 2=62 52 0.0162 2 468.75 2所以，ASR 的比例系数为=( + 1)2 12.733校验转速超调量：mnnombnTTnnzCC)(2%)(%max当h=5时， =enom CRI于是，综合上式
9、，可求的 满足设计要求。n电流环电气设计图转速环电气设计图三、三、MatlabMatlab 仿真设计仿真设计3.1 PWMPWM 双闭环调速系统仿真框图双闭环调速系统仿真框图双闭环直流调速系统仿真框图3.23.2仿真结果仿真结果3.2.13.2.1 ACRACR 输出波形输出波形ACR 输出波形如图所示3.2.23.2.2 ASRASR 输出波形输出波形ASR 输出波形如图所示四、实习心得：四、实习心得：本次课程设计历时两周，在整个设计过程中，我不仅巩固了以前所学到的知识，更学到了许多课外的知识。通过这次的课程设计，我也发现了很多平时学习中的不足，可谓是收获颇多。通过这次课设，我不仅在知识上有
10、了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，同时我也深深感受到理论与实践相结合的重要性。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系。这大大激发我学习书本的兴趣。再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的工作，还应该考虑到实际情况。理论计算的的结果可能与实际稍有差别，要以实际情况为准。作为一名学习自动化的学生，我们的梦想是成为一名电气工程师，所以我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。在成为一名合格的电气工程师之前我们必须经历硬件的制作、软件的调试、系统的设计这三个步骤。
11、课程设计中我既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了 Matlab 在自动化应用中的基本使用方法。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益匪浅。参考文献参考文献1院毅 陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社,20092邹伯敏自动控制理论.北京:清华大学出版社,20093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袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿
12、膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅
13、莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈
14、羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁
15、节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅
