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PWM脉宽直流调速系统设计及matlab仿真验证 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途目录1MATLAB简介23系统设计及参数计算33.1系统总体设计331.1 H型双极式PWM原理331。2双闭环调速系统结构图531。3双闭环调速系统启动过程分析63。2电流调节器设计及参数计算83。3转速调节器设计及参数计算104 MATLAB仿真验证124.1稳定运行时电流环突然断线仿真分析12参考文献18PWM脉宽直流调速系统设计及matlab仿真验证1MATLAB简介MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和MATHEMATICA、MAPLE并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像MAPLE等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。2 设计分析直流双闭环调速系统调节器包括转速调节器（ASR）和电流调节器(ACR）,从而分别引入了转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行串级连接.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电力电子变换器UPE。电流环称为内环，转速环称为外环.其中转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，同时可以对负载变化起抗扰作用，其输出限幅电压决定了电流给定的最大值；电流调节器作为内环的调节器,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）变化,同时对电网电压的波动起及时抗扰作用，在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流,从而加快动态过程，并在电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值,起到自动保护与恢复的作用。根据设计要求，系统要求稳态无误差，故选用带限幅作用的PI调节器.系统原理图如图21所示.图21 双闭环调速系统原理图3系统设计及参数计算3。1系统总体设计31.1 H型双极式PWM原理系统整流装置采用脉宽调制器。脉宽调制器的作用是用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而改变平均输出电压的大小，以调节电机的转速。对于转速、电流双闭环控制的H型双极式PWM直流调速系统，电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。通过调节开关管的导通和关断时间，即占空比，可以达到对直流电机进行调速的目的，其原理图如图3-1所示。H型双极性PWM变换器及其四个驱动电压波形分别如图3-2所示。图3-1 桥式可逆PWM变换器电路图32 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形它们的关系是：。在一个开关周期内，当时，晶体管VT1、VT4饱和导通而VT2、VT3截止，这时。当时，VT1、VT4截止,但VT2、VT3不能立即导通，电枢电流经VD2、VD3续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征,其电压、电流波形上图所示。电动机的正反转体现在驱动电压正负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，T/2,则的平均值为正，电动机正转；当正脉冲较窄时，则反转。如果正负脉冲相等，T/2,平均输出电压为零,则电动机停止转动。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为如果定义占空比，电压系数，则在双极式可逆变换器中调速时,的可调范围01，相应的。当，为正,电动机正转;当时,为负，电动机反转；当时，=0，电动机停止。但是电动机停止时电枢电压不等于零,是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。31.2双闭环调速系统结构图系统稳态结构图如图33所示。图33 双闭环调速系统稳态结构图系统的动态结构图如图3-4所示。图3-4 双闭环调速系统动态结构图其中、分别为转速反馈系数和电流反馈系数,根据已知条件代入以下公式：电流反馈系数： 转速反馈系数:31.3双闭环调速系统启动过程分析图35 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形电机的启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种状态，整个动态过程就分成电流上升、恒流升速和转速调节（图35中的I、II、III）三个阶段。第阶段：0是电流上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、都上升，当后,电动机开始转动。由于电机惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压数值较大并使其输出达到饱和值，强迫电流迅速上升。当时，电流调节器ACR的作用使不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般不饱和，以保证电流环的调节作用.第阶段：是恒流加速阶段.这一阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中,ASR一直是饱和的,转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超调,也可能不超调，取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又，n，这样才能保持。由于ACR是PI调节器,要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值,也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流也须留有余地,即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。第阶段：以后是转速调节阶段。此时,，但由于积分作用，所以电动机仍在最大电流下加速,必然使转速必超调.当时，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段时间内，转速仍继续增加。当时,，n达到最大值。此后，电动机在负载的阻力下减速,与此相应，电流也出现一段小与的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量。综上所述,双闭环调速系统的起动过程有三个特点：饱和非线性。在不同情况下表现为不同结构的线性系统。准时间最优控制。阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍地得到应用。转速必超调。按照PI调节器的特性，只有转速超调，ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR退饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速必超调。3.2电流调节器设计及参数计算 电流环的动态结构中反电动势与电流反馈的作用相交叉.这给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比,它代表转速对电流的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速变化往往比电流变化慢得多。对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的变化过程中，可以认为电动势基本不变，即。这样,在按动态性能设计电流环时，暂不考虑反电动势变化的动态影响。也就是说,暂且把反电动势的作用去掉，得到忽略电动势影响的电流环近似结构图.同时，由于和一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性环节。简化后的电流环的动态结构图如36所示。图3-6 简化后电流环动态结构图图3-7为含给定滤波及反馈滤波的模拟式PI调节器,图中为电流给定电压，为电流负反馈电压,调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。图37 含给定滤波及反馈滤波的模拟式PI调节器电流调节器参数计算：确定时间常数：1）PWM变换器滞后时间常数。PWM变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一周开关周期T。一般选取：其中，为开关器件IGBT的频率。2） 电流滤波时间常数.这里取。3） 电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理,取。选择电流调节器结构：根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为: 检查电源电压的抗扰性能:参看典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。计算电流调节器参数:电流调节器超前时间常数:。电流环开环增益:要求时，按“西门子最佳整定原则，取，因此于是ACR的比例系数为校验近似条件：电流环截止频率：1） 校验IGBT整流装置传递函数的条件满足近似条件。2） 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件.满足近似条件。3） 校验电流环小时间常数近似处理条件.满足近似条件。 计算调节器电阻和电容。电流调节器原理图如图3-7，按所用运算放大器取，各个电阻和电容值的计算如下：，取40；，取0.4；，取0.2。3.3转速调节器设计及参数计算和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波同时等效移到环内前向通道上，并将两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，为了满足设计要求转速无差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节,它应该包含在转速调节器ASR中，由于在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此开环传递函数应共有两个积分环节，应该设计成典型型系统。不考虑负载扰动时，校正简化后的调速系统动态结构图如图3-8所示。图38 简化后转速环动态结构图图3-9为含给定滤波及反馈滤波的模拟式PI转速调节器，图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出就是电流调节器的给定电压。图39含给定滤波及反馈滤波的模拟式PI型转速调节器转速调节器参数计算：确定时间常数:1） 电流环等效时间常数。取，则2） 转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取3） 转速环小时间常数。按小时间常数近似处理,取.选择转速调节器结构：根据设计要求，并保证稳态转速无差，可用PI型转速调节器。计算电流调节器参数：按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为：系统转速开环增益：电动机的电动势常数为:ASR的比例系数为：校验近似条件：转速环截止频率：1） 校验电流环传传递函数简化的条件满足简化条件.2）校验转速环小时间常数近似处理条件满足近似条件 计算调节器电阻和电容：电流调节器原理图如图39所示,按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下:,取480；，取0.1；,取1.4 Matlab仿真验证4.1稳定运行时电流环突然断线仿真分析在原电路图电流环反馈环节串入一个乘法器,如图12所示,Step2初始值设为1，终值设为0，延时2。5s，将Gain5作为反馈代替,Gain5参数设置运行后，开始电路正常运行，2.5s后电流环突然断线。按设计要求，空载启动，经过电流上升阶段，电流迅速上升，很快达到最大电流，ASR进入饱和状态。因为是变负载扰动，所以恒流升速的电流时上升的,而此时转速不断的增大，所以转速反馈同样增大，ASR慢慢地变得不饱和.转速调速阶段，转速超调后，ASR退饱和，电流很快下降，因为是带负载启动，所以电流降至额定电流值3。7A，转速稳定在设计的200r/min。2。5s后电流环断线，电流环失去电流反馈环节，电流很快增加， 增加，n增加，转速环反馈增大,减少， 减少，减少，n减小，转速环反馈减少,增大，如此循环，所以产生这样的震荡。图4-1稳定运行时电流环突然断线的系统框图图4-2稳定运行时电流环突然断线的起动转速波形图43稳定运行时电流环突然断线的起动电流波形 图44稳定运行时电流环突然断线的直流电压图4-5稳定运行时电流环突然断线的ASR输出电压波形图4-6稳定运行时电流环突然断线的ACR输出电压波形通过以上仿真可以看出,当电流环突然断线时,ACR没有电流反馈环节,电流很快增加，转速反馈增大,与给定的偏差减小，ASR输出增大，ACR增大,转速反馈增大，依次这样震荡.在这个过程中，比例作用很快，积分环节不够大,所以会震荡，此时系统不能正常运行。5心得及体会课程设计发端之始，思绪全无,举步维艰,对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识,而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识,学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。在对理论知识梳理掌握之后,茅塞顿开,柳暗花明，思路如泉涌,高歌“条条大路通罗马”.顿悟，没有思路便无出路,原来思路即出路。此次课程设计让我对课本上的知识有了更加深入的了解，特别是对系统设计部分的理论知识，在认真阅读课本的同时还要去图书馆查阅一些系统设计方面的资料，并且要考虑很多东西，更要学习一些其他以前未曾接触的知识。在这个设计中最重要的部分就是参数的选择,只有把参数的问题解决了其他一切问题都好办,最终才能得到正确的仿真结果.同时在设计过程中要求我们有足够的耐心,对仿真参数进行调试,并根据仿真结果修改参数，直到得到满足要求的仿真结果。这次课程设计，虽然这次课程设计没有想象中的那么简单，花费了很多的时间来搭建模型，调节参数，不断地实验，虽说花费了大量的时间但是最后终于完成了预定的目的,收获颇丰，也很好的锻炼了自己运用知识的能力.重新巩固了有关双闭环直流调速系统的相关知识，培养了自己设计思维能力。进一步学习了MATLAB软件的相关应用。MATLAB软件在生活中的运用是非常广泛的，它在以后的专业课程的学习中应用也是很广泛的，掌握好了MATLAB，这为以后的专业课程的学习将有很大的帮助。在以后的学习中，自己还要慢慢学习，慢慢探索,更好的掌握这个软件的运用。在设计中收获知识、收获阅历、收获成熟,在此过程中，通过查找大量资料,以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后，则会更加珍惜我所拥有的，更加努力的去完善它，增进它。只有不断的测试自己，挑战自己,才能拥有更多的成功和快乐！享受过程，而不是结果！认真对待每一件事，珍惜每一分一秒，学到最多的知识和方法，锻炼自己的能力，这个是我课程设计中学到的最重要的东西,也是以后都将受益。参考文献 1 陈伯时等.电力拖动自动控制系统（第4版).机械工业出版社，20102 徐月华，汪仁煌.Matlab在直流调速设计中的应用。广东工业大学，20013 李发海.电机拖动基础（第3版）.北京:清华大学出版社，20054 梅志红。 MATLAB程序设计基础及其应用.北京：清华大学出版社,2005 5 郑思让。控制系统仿真.中国林业出版社，2006 19 / 19