武漢理工大學《運動控制系統》課程設計說明書PAGE20學號：0121211360302課程設計題目PWM脈寬直流調速系統設計及matlab仿真學院自動化學院專業自動化卓越工程師班級自動化卓越1201班姓名袁韜指導教師曹雪蓮2015年6月5日目錄TOC\o"1-3"\h\u12185摘要 24482PWM脈寬直流調速系統設計及matlab仿真驗證 36351.設計任務 3292261.1.初始條件 318541.2.需要完成的主要任務 4224782.系統設計的原理 4169372.1.雙極式PWM調速原理 432382.2.雙閉環調速系統結構圖 6305842.3.雙閉環直流調速系統的穩態結構圖 7254312.4.雙閉環直流調速系統的動態結構圖 7146353.控制電路的設計 9204893.1.系統參數的選取 9215803.1.1.整流裝置平均失控時間 9304943.1.2.電流濾波時間常數和轉速濾波時間常數 985233.1.3.反饋系數的確定 9180583.1.4.電動勢常數 962483.2.電流調節器ACR的設計 1059303.2.1.確定時間常數 10210593.2.2.選擇電流環的結構 10321343.2.3.計算電流調節器參數 1176873.2.4.校驗近似條件 11281233.3.轉速調節器ASR的設計 12250323.3.1.確定時間常數 12136823.3.2.選擇轉速環結構 12243413.3.3.計算轉速調節器參數 1370363.3.4.檢驗近似條件 1412233.3.5.轉速調節器退飽和時轉速超調量的計算 14199874.采用MATLAB對系統進行仿真 151474.1.系統空載穩定運行時的仿真系統 1592394.2.穩定運行時電流環突然斷線 175615心得體會 19171375.參考文獻 20摘要雙閉環（電流環、轉速環）調速系統是一種當前應用廣泛的電力傳動系統。它具有動態響應快、抗干擾能力強等優點。反饋閉環控制系統具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節器的單閉環的調速系統可以在保證系統穩定的前提下實現轉速無差。但如果對系統的動態性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態速降較小等，單閉環系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環系統中不能完全按照需要來控制動態過程的電流或轉矩。在單閉環系統中，只有電流截止負反饋環節是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態波形。在實際工作中，我們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度啟動，達到穩定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩態運行。這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流轉矩條件下調速系統所能得到的最快啟動過程。關鍵詞：PWM脈寬直流調速仿真直流調速系統穩定運行時磁場突然減半PWM脈寬直流調速系統設計及matlab仿真驗證設計任務初始條件轉速，電流雙閉環控制的H型雙極式PWM直流調速系統，已知：直流電動機：，允許過載倍數；時間常數：；PWM環節的放大倍數：電樞回路總電阻：；電樞電阻調節器輸入輸出電壓設計要求穩態指標：在負載和電網電壓的擾動下穩態無靜差。動態指標：電流超調量，空載啟動到額定轉速時的轉速超調量。需要完成的主要任務調速系統設計的任務主要是合理地選擇調節器的結構和參數，以使系統的性能指標滿足生產工藝要求，穩態參數的計算是調節系統設計的第一步，它決定了控制系統的基本組成，然后通過動態設計使系統性能滿足要求。系統設計的原理雙極式PWM調速原理可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（也就是H型）電路，如圖2-1所示，電動機M兩端電壓的極性隨全控型電力電子器件的開關狀態而改變。雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅動電壓的關系是：。在一個開關周期內，當時，,電樞電流沿回路1流通；當時，驅動電流反號，沿回路2經二極管續流，。因此，在一個周期內具有正負相同的脈沖波形，這就是雙極式的由來。雙閉環調速系統結構圖圖中，把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，在用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE，從閉環結構上看，電流環在里面，稱作電流內環；速度換在外邊，稱作轉速外環。這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。雙閉環直流調速系統的穩態結構圖雙閉環直流調速系統的穩態結構圖如圖2所示，兩個調節器均采用帶限幅作用的PI調節器。轉速調節器ASR的輸出限幅電壓決定電流給定的最大值，電流調節器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。分析靜特性的關鍵是掌握PI調節器的穩態特征，一般使存在兩種狀況：飽和（輸出達到限幅值），不飽和（輸出未到達限幅值）。當調節器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節器退出飽和，換句話說，飽和的調節器暫時隔斷了輸入和輸出的關系，相當于使該調節環開環。當調節器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓U在穩態時總為零。實際上，在正常運行時，電流調節器是不會達到飽和狀態的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不飽和的兩種情況。雙閉環直流調速系統的動態結構圖圖中和分別表示轉速調節器和電流調節器的傳遞函數，為了引出電流反饋，在電動機的動態結構框圖中必須把電流顯露出來。電機的啟動過程中轉速調節器經歷了飽和、退飽和、不飽和三種狀態。雙閉環直流調速系統啟動過程的轉速和電流波形如圖所示如圖4所示，電機的啟動過程中轉速調節器ASR經歷了不飽和、飽和和過飽和三種情況：第一階段（0—）電流上升階段：在t=0時，系統突加階躍給定信號，在ASR和ACR兩個PI調節器的作用下，很快上升，在上升到之前，電動機轉矩小于負載轉矩，轉速為零。當后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉速不會很快增長，ASR輸入偏差電壓仍較大,ASR很快進入飽和狀態，而ACR一般不飽和。直到。第二階段（—）恒流升速階段；恒流升速階段ASR調節器始終保持在飽和狀態，轉速環仍相當于開環工作。系統表現為使用PI調節器的電流閉環控制，電流調節器的給定值就是ASR調節器的飽和值，基本上保持電流不變，電流閉環調節的擾動是電動機的反電動勢，它是一個線性漸增的斜坡擾動量，系統做不到無靜差，而是略低于。第三階段（）轉速調節階段。n上升到了給定值n*，=0。因為大于，電動機仍處于加速過程，使n超過了n*，稱之為起動過程的轉速超調。轉速的超調造成了<0，ASR退出飽和狀態，和很快下降。轉速仍在上升，直到t=t3時，=，轉速才到達峰值。在t3~t4時間內，<，轉速由加速變為減速，直到穩定。如果調節器參數整定得不夠好，也會有一段振蕩的過程。在第III階段中，ASR和ACR都不飽和，電流內環是一個電流隨動子系統。根據脈寬調制變換器的工作原理，當控制電壓改變時，PWM變換器的輸出電壓要到下一個周期才改變，它的延時最大不超過一個開關周期T。由于在脈寬調速系統中，PWM變換器的開關頻率較高，因此常將PWM變換器的滯后環節看作一階慣性環節，于是其動態模型可用一階慣性環節和一個純比例環節的串聯來描述，其傳遞函數為式中，為PWM變換器輸出電壓，為PWM變換器控制電壓?？刂齐娐返脑O計系統參數的選取整流裝置平均失控時間設定PWM的開關頻率為10KHZ，故H型雙極式PWM整流器平均失控時間電流濾波時間常數和轉速濾波時間常數H橋式電路每個波頭的時間為0.1ms，為了基本濾除波頭，應有，因此取。根據所有發電機紋波情況，取。反饋系數的確定轉速反饋系數：電流反饋系數：電動勢常數電流調節器ACR的設計確定時間常數電流環小時間常數之和。按小時間常數近似處理，取選擇電流環的結構根據設計要求，并保證穩態電流無差，可按典型Ⅰ型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節器，其傳遞函數見式電流環開環傳遞函數檢查對電源電壓的抗擾性能：，參看表3—2的典型Ⅰ系統動態抗擾性能，各項指標都是可以接受的。計算電流調節器參數電流調節器超前時間常數：。電流環開環增益：要求時，按表3—1,應取，因此于是，ACR的比例系數為由以上計算可得電流調節器ACR的傳遞函數為校驗近似條件電流環截止頻率：校驗晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件滿足近似條件校驗忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件滿足近似條件校驗電流環小時間常數近似處理條件滿足近似條件轉速調節器ASR的設計確定時間常數電流環等效時間常數。已取，則轉速濾波時間常數轉速環小時間常數。按小時間常數近似處理，取選擇轉速環結構為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環節，它應包含在轉速調節器ASR中，由于在擾動作用點后面已經有一個積分環節，因此轉速環開環傳遞函數應共有兩個積分環節，所以應該設計成典II型系統，這樣的系統同時也能滿足動態抗擾性能好的要求。至于其階躍響應超調量較大的問題，那是按照線性系統理論計算的數據，實際系統中轉速調節器的飽和非線性性質會讓超調量大大降低。由此可見ASR也采用PI調節器，其傳遞函數為轉速調節器的比例系數：轉速調節器的超前時間常數。計算轉速調節器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為轉速環的開環傳遞函數為令轉速開環增益為則又，因此按照典型Ⅱ系統的參數關系，選取中頻寬h=5可以得到轉速環開環增益可求出ASR的比例系數由以上計算可得轉速調節器ASR的傳遞函數為檢驗近似條件轉速環截止頻率為電流環傳遞函數簡化條件滿足簡化條件轉速環小時間常數近似處理條件滿足近似條件轉速調節器退飽和時轉速超調量的計算能滿足設計要求。采用MATLAB對系統進行仿真系統空載穩定運行時的仿真系統正常情況下系統的仿真框圖如下圖所示這里關于ACR的限幅需要額外計算搭建好模型后代入事先計算好的參數進行仿真，得到轉速和電流的波形如下圖所示此波形滿足調速系統的啟動過程。由下圖可知轉速超調故，滿足設計要求。啟動電流波形如下圖滿足設計的電流超調量小于5%。啟動電流和轉速都經歷了電流上升、恒流升速以及轉速調節三個階段。轉速經過超調之后逐漸穩定在額定轉速n=200附近；電流經過經過超調后逐漸穩定在等效負載擾動電流附近，趨近于0，因為是帶空載運行。正常運行時ASR、ACR、的波形如下圖（依次為ASR、ACR、）穩定運行時電流環突然斷線在原電路圖電流環反饋環節串入一個乘法器，如下圖所示，Step2初始值設為1，終值設為0，延時0.3s，開始電路正常運行，0.3s后電流環突然斷線。另加額定負載。系統運行后電流和轉速的輸出波形如下圖所示電流環斷線時ASR、ACR、的波形如下圖（依次為ASR、ACR、）從電流和轉速波形可以看出，當電流環斷線后，系統不再穩定，產生震蕩。這是因為當電流環斷線時，ACR的輸入不再為0，會有增加，經過ACR積分，使得ACR輸出增加，導致轉速增加，則ASR的輸入減?。ㄐ∮?），使得ASR的輸出減小，既ACR輸入減小，如此反復，震蕩幅值會一直增加，直到電流和轉速的震蕩幅值都飽和。電流環作為內環的調節器，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓變化。對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。當電流環突然斷線，其給定突增，然而這時又沒有反饋，導致系統跟隨性能差，輸出結構不穩定，從而震蕩。心得體會這次運動控制系統設計，我真正做到了自己查閱資料、完成一個基本系統結構的設計與仿真。通過這次課程設計，我對直流雙閉環調速系統有了更深刻的認識，對抽象的知識有了具體生動的理解，學會了轉速電流雙閉環直流調速系統的設計，能夠掌握轉速和電流調節器參數的選擇和計算。而且使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，才能真正提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。單純的上課學習到的東西，在腦海里形成的印象也不是很深刻，而且對電路的工作原理也不是特別的了解，但是經過了這個課程設計，通過作圖，仿真，我對雙閉環調速系統的原理有了進一步的認識，發現了新的問題。在設計過程遇到許多問題和困難，從開始仿真就遇到了困難，始終得