1、精選優質文檔-傾情為你奉上直流PWM-M可逆調速系統的設計與仿真摘 要當今，自動化控制系統已經在各行各業得到了廣泛的應用和發展，而直流調速控制作為電氣傳動的主流在現代化生產中起著主要作用。本文主要研究直流調速系統，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電動機。長期以來，直流電動機因其具有調節轉速比較靈活、方法簡單、易于大范圍內平滑調速、控制性能好等特點，一直在傳動領域占有統治地位。 微機技術的快速發展，在控制領域得到廣泛應用。本文對基于微機控制的雙閉環可逆直流PWM調速系統進行了較深入的研究，從直流調速系統原理出發，逐步建立了雙閉環直流PWM調速系統的數學模型，用微機硬件和軟件發展的

2、最新成果，探討一個將微機和電力拖動控制相結合的新的控制方法，研究工作在對控制對象全面回顧的基礎上，重點對控制部分展開研究，它包括對實現控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的探討等內容。在硬件方面充分利用微機外設接口豐富，運算速度快的特點，采取軟件和硬件相結合的措施，實現對轉速、電流雙閉環調速系統的控制。 論文分析了系統工作原理和提高調速性能的方法，研究了IGBT模塊應用中驅動、吸收、保護控制等關鍵技術.在微機控制方面，討論了數字觸發、數字測速、數字PWM調制器、雙極式H型PWM變換電路、轉速與電流控制器的原理,并給出了軟、硬件實現方案。關鍵詞：PWM調速、直流電動機、雙閉環調速 專

3、心-專注-專業目 錄前 言直流PWM_M調速系統幾年來發展很快，直流PWM_M調速系統采用全控型電力電子器件，調制頻率高，與晶閘管直流調速系統相比動態響應速度快，電動機轉矩平穩脈動小，有很大的優越性，在小功率調速系統和伺服系統中的應用越來越廣泛。直流PWM_M調速系統與晶閘管調速系統的不同主要在變流主電路上，采用了脈寬調制方式，轉速和電流的控制盒晶閘管直流調速系統一樣。 直流PWM_M調速系統的PWM變換器有可逆和不可逆兩類，二可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。這里主要研究H型主電路雙極式的PWM_M調速系統和受限單極式PWM_M調速的仿真，并通過仿真分析直流PWM_M可逆調

4、速系統的過程。在現代科學技術革命過程中，電氣自動化在20世紀的后四十年曾進行了兩次重大的技術更新。一次是元器件的更新，即以大功率半導體器件晶閘管取代傳統的變流機組，以線形組件運算放大器取代電磁放大器件。后一次技術更新主要是把現代控制理論和計算機技術用于電氣工程，控制器由模擬式進入了數字式。在前一次技術更新中，電氣系統的動態設計仍采用經典控制理論的方法。而后一次技術更新是設計思想和理論概念上的一個飛躍和質變，電氣系統的結構和性能亦隨之改觀。在整個電氣自動化系統中，電力拖動及調速系統是其中的核心部分。 在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉速調節器的輸出作為電流調

5、節器的輸入，再用電流調節器的輸出作為PWM的控制電壓。從閉環反饋結構上看，電流調節環在里面，是內環，按典型型系統設計；轉速調節環在外面，成為外環，按典型型系統設計。為了獲得良好的動、靜態品質，調節器均采用PI調節器并對系統進行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環進行檢測，轉速還則是采用了測速電機進行檢測，達到了比較理想的檢測效果。第1章 直流PWM-M調速系統整個系統上采用了轉速、電流雙閉環控制結構，如圖4-1所示。在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉速調節器的輸出作為電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出作為PWM的控制電壓。從閉環反饋結

6、構上看，電流調節環在里面，是內環，按典型型系統設計；轉速調節環在外面，成為外環，按典型型系統設計。為了獲得良好的動、靜態品質，調節器均采用PI調節器并對系統進行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環進行檢測，轉速還則是采用了測速電機進行檢測，達到了比較理想的檢測效果。主電路部分采用了以GTR為可控開關元件、H橋電路為功率放大電路所構成的電路結構。控制PWM脈沖波形，通過調節這兩路波形的寬度來控制H電路中對電機速度的控制。 圖1-1閉環調速系統結構圖直流調速系統的結構如上圖所示，其中UPE是電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相(或單相)交流電源，輸出為可控的直流電壓鑄。對于中、

7、小容量系統，多采用由IGBT或P一MOSFET組成的PWM變換器;對于較大容量的系統，可采用其他電力電子開關器件，如GTO、IGCT等;對于特大容量的系統，則常用晶閘管裝置。根據自動控制原理，反饋控制的閉環系統是按被調量的偏差進行控制的系統，只要被調量出現偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。圖1-2橋式可逆PWM變化器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅動電壓波形如圖2-1它們的關系是： 。在一個開關周期內，當 時， ，電樞電流 沿回路1流通；當 時，驅動電壓反號， 沿回路2經二極管續流， 。因此， 在一個周期內具有正負相間的脈沖波形。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩

8、個調節器，分別是轉速和電流，二者之間實行串級聯接，把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制PWM調制器。轉速調節器在外面，叫做外環。這樣就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。為了獲得良好的靜、動態性能，雙閉環調速系統的兩個調節器都采用PI調節器。第2章 UPE環節的電路波形分析圖2-1雙極式控制時的電壓和電流波形。電動機電樞電壓的平均值則體現在驅動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時， ，則 的平均值為正，電動機正轉；反之則反轉。如果正、負脈沖相等， ，平均輸出電壓為零，則電動機停止。圖4所示的波形是電動機工作在正向電動時的情況。 圖2-1式控制可逆PWM變換器波形直流

9、電動機的電樞電壓的正、負變化，使電流波形隨之波動。電流波形存在兩種情況，如圖2的和。相當于電動機負載較重的情況，這時負載電流大，在續流階段電流仍維持正方向，電動機始終工作在第象限的電動狀態。相當于負載很輕的情況，平均電流小，在續流階段電流很快衰減到零，于是二極管終止續流，而反向開關器件導通，電樞電流反向，電動機處于制動狀態。電流中的線段3和4是工作在第象限的制動狀態。電樞電流的方向決定了電流是經過續流二極管VD還是經過開關器件VT流動。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為若占空比和電壓系數的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中就和不可逆變換器中的關系不一樣了。調速時，的

10、可調范圍為，相應地，。當時，為正，電動機正轉；當時，為負，電動機反轉；當時，電動機停止。第3章 電流調節器的設計3.1 電流環結構框圖的化簡在上圖點劃線框的電流環中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉速成正比，它代表轉速對電流環的影響。在一般情況下，系統的電磁時間常數 遠小于機電時間常數 ，因此，轉速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即 ，這樣，在按動態性能設計電流環時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態影響，得到的電流環的近似結構框圖如圖4-4。圖3-1 忽略反電動勢的

11、動態影響如果把給定濾波和反饋濾波兩個環節都等效地移到環內，同時把給定信號改成，則電流環便等效成單位負反饋系統和比小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環節，其時間常數為：則電流環結構框圖最終簡化成圖3-2。圖3-2 小慣性環節近似處理3.2 電流調節器參數計算電流環的控制對象是雙慣性的，要校正成典型型系統，顯然應采用PI型的調節器，其傳遞函數可以寫成式中 -電流調節器的比例系數 -電流調節器的超前時間常數為了讓調節器零點與控制對象的大時間常數極點對消，選擇 （3-3）則電流環的動態結構框圖便成為圖所示的典型形式，其中 （3-4）比例系數，可根據所需的動態性能指標選取。設計要求電流超調量

12、，查表可選， 已知三相橋式電路的平均失控時間=電流環開環增益： 雙閉環調速系統在穩態工作中，當兩個調節器都不飽和時。各變量之間的關系： 令兩個調節器的輸入和輸出最大值都是，額定轉速，額定電流，最大電流，為過載倍數，一般取為1.5。轉速反饋系數： 電流反饋系數： 電流調節器超前時間：，則電流調節器的比例系數：3.3 參數校驗3.3.1 檢查對電源電壓的抗擾性能：，查表典型型系統動態抗擾性能都是可以接受的。電流截止頻率：3.3.2 晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件滿足近似條件。3.3.3 忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件 機電時間： 滿足近似條件。3.3.4 電流環小時間常數近似處理條件滿足

13、近似條件。3.4 計算調節器電阻和電容圖3-3 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調節器電流調節器原理圖如圖4-6所示，按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下： 取 取 取按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為 滿足設計要求第4章 轉速調節器的設計4.1 電流環的等效閉環傳遞函數電流環經化簡后可視作轉速環中的一個環節，為此需要求出它的閉環傳遞函數，可知：忽略高此項，可降階近似為：接入轉速環內，電流環等效環節的輸入量應為，因此電流環在轉速環中應等效為：這樣，原來是雙慣性環節的電流環控制對象，經閉環控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數的一階慣性環節。這表明，電流的閉環控制改造了控制

14、對象，加快了電流的跟隨作用。4.2 轉速環結構的化簡和轉速調節器結構的選擇用電流環的等效環節代替電流環后，整個轉速控制系統的動態結構框圖如圖4-1所示。圖4-1 用等效環節代替電流環和電流環中一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環節移到環內，同時將給定信號改成，時間常數和的兩個小慣性環節合并起來，近時間常數為的慣性環節，其中.圖4-2 等效成單位負反饋和小慣性的近似處理為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環節，它應該包含在轉速調節器中。至于階躍響應超調量較大，線性系統的計算數據，實際系統中轉速調節器的飽和非線性性質會使超調量大大降低。由此可見也應該采用PI調節器，其傳遞函數為：式中

15、-轉速調節器的比例系數 -轉速調節器的超前時間常數調速系統的開環傳遞函數為：令轉速環開環增益為： 在典型系統的開環傳遞函數中，時間常數是控制對象固定的，待定的參數有和。為了分析方便，引入一個新的變量，令是斜率為的中頻段的寬度，稱作中頻寬在一般情況下，點處在特性段因此 在工程設計中，如果兩個參數都任意選擇，工作量顯然很大，為此采用“振蕩指標法”中的閉環幅頻特性峰值最小準則，可以找到和兩個參數之間的一種最佳配合。只有一個確定的可以得到最小的閉環幅頻特性峰值，這時和，之間的關系是 以上兩式稱作準則的“最佳頻比”，因而有確定之后根據上式即可分別求得和。可得可知轉速環開環增益為因此4.3 轉速調節器的參

16、數的計算已知，電流環等效時間常數： 令，則小時間常數近似處理的時間常數為：按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則的超前時間常數為： 轉速環開環增益為： 則的比例系數為： 4.4 參數校驗轉速環的截止頻率為： 4.4.1 電流環傳遞函數化簡條件滿足簡化要求。4.4.2 轉速環小時間常數近似處理條件滿足近似條件。4.5 計算調節器電阻和電容圖4-3 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節器轉速調節器原理圖如圖所示，取，則 取 取 取4.6 調速范圍靜差率的計算取靜差率： 調速范圍： 第5章 系統仿真5.1 仿真軟件Simulink介紹Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于M

17、ATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統，也就是系統中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創建動態系統模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統的仿真結果。Simulink是用于動態系統和嵌入式系統的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統，包括通訊、控制、信號

18、處理、視頻處理和圖像處理系統，Simulink提供了交互式圖形化環境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執行和測試。.5.2 Simulink仿真步驟(1) 在MATLAB命令窗口中輸入simulink，桌面上出現一個稱為Simulink Library Browser的窗口，在這個窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。(2) 打開MATLAB中的Simulink工具箱，將所需模塊拖入模型編輯窗口并將其相連。(3) 將設計的開環調速系統的參數輸入各個模塊，運調試功能，如果無誤后就可以運行系統。(4) 運行后便可通過模擬示波器觀察波形。5.3 雙閉環仿真模型電流環、轉速環，雙閉環仿真模型如圖5

19、-1所示。圖5-1 雙閉環仿真模型5.4 雙閉環系統仿真波形圖電流環、轉速環，雙閉環仿真模型如圖5-2所示。圖5-2 雙閉環仿真波形仿真中，ASR調節器經過了不飽和、飽和、退飽和三個階段，最終穩定運行于給定轉速。電流調節起作用:自動限制最大電流，能有效抑制電網電壓波動的影響，速度調節可調節轉速可整定轉速反饋系數以整定系統的額定轉速。仿真結果符合實際情況，說明參數的選擇設計較為合適。結 論轉速、電流雙閉環調速系統的兩個調節器串級連接，轉速反饋環為外環，電流環為內環。速度調節器的輸出即為電流給定，其輸出限幅值即為最大電流給定值。調整限幅值的小或調整電流反饋系數就可方便地改變最大電流 。在起、制動過程中，速度調節器很快入飽和，輸出限幅值為電流環提供了最大電流給定，電流調節器為PI調節器，在它的調節作用下使電流保持在最大值，這時系統實際上為一個恒值電流調節系統。由于電流環的調節作用使系統的起、制動過渡過程中電流的波形接近于理想的最佳過渡波形。當轉速超調后，速度調節器退出飽和，對轉速起主要調節作用，電流環成為電流隨動系統。雙閉環調速系統動態效正的設計與調試是先按內環（電流環）后外環（轉速環）的順序進行的，因為在動態過程中可以認為外環對內環幾乎沒有影響，而內環是外環的一個組環節。從快速起動系統的要求出發，可按典型I型系統設計電流環。由于要求轉速無靜差，此轉速環按典型II型系統設計雙閉環可逆