《轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的H型雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的H型雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)（18頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、設(shè)計題目及分析 設(shè)計題目：轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的H型雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng) 直流電動機：UN=48V，IN=3.7A，nN=200r/min允許過載倍數(shù)=2；電樞回路電磁時常=0.015s，機電時常=0.2s；PWM環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)：=4.8,；電樞回路總電阻：R=1；電樞電阻Ra=0.5。電流反饋系統(tǒng)β=1.33V/A，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.05V·min/r，電動勢轉(zhuǎn)速比Ce=0.18V·min/r。轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器輸入輸出限幅電壓=10V. 采用MATLAB對雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，繪制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖，仿真得出啟動轉(zhuǎn)速，起動電流，直流電壓Ud，ASR,ACR輸出

2、電壓的波形。并對結(jié)果進(jìn)行分析。 直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應(yīng)用。本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析和計算，利用Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn)。對系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實驗測試，表明所設(shè)計的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，

3、具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計要求。采用MATLAB軟件中的控制工具箱對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計算機輔助設(shè)計，并用SIMULINK進(jìn)行動態(tài)數(shù)字仿真,同時查看仿真波形,以此驗證設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)是否可行。 一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理：電動機在啟動階段，電動機的實際轉(zhuǎn)速(電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號,直流電壓迅速上升,電流

4、也隨即增大直到等于最大給定值, 電動機以最大電流恒流加速啟動。電動機的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流)可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。對負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化,從而校正和補償電動機的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù), 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動引起的電動機電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié),可以在電動機轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時,迅速使電流恢復(fù)到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)

5、定于某一轉(zhuǎn)速下運行。 2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。兩者之間實行嵌套連接，如圖1—1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 圖1—1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 其中：ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR-電流調(diào)節(jié)器 TG-測速發(fā)電機 TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器 -轉(zhuǎn)速給定電壓 Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓 -

6、電流給定電壓 -電流反饋電壓 實際上在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器始終為不飽和狀態(tài)，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器則處于飽和和不飽和兩種狀態(tài)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。 圖3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖上必須把電流標(biāo)示出來。電機在啟動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和、飽和、退保和三種狀態(tài)，整個動態(tài)過程可分為圖4中的三個階段。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形如圖4所示。 圖4 雙閉環(huán)直流

7、調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 圖4中所示的啟動過程，階段Ⅰ是電流上升階段，電流從0到達(dá)最大允許值Idm，ASR飽和、ACR不飽和；階段Ⅱ時恒流升速階段，Id基本保持在Idm，電動機加速到了給定值n*，ASR飽和、ACR不飽和；階段Ⅲ時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（退飽和階段），ASR不飽和、ACR不飽和。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程利用飽和非線性控制，獲得了準(zhǔn)時間最優(yōu)控制，但卻帶來了轉(zhuǎn)速超調(diào)。 2.2 H橋PWM變換器 脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。 由于題目中給定為轉(zhuǎn)速、電流

8、雙閉環(huán)控制的H型雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，電動機M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓的極性變化而變化。通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，即占空比，可以達(dá)到對直流電機進(jìn)行調(diào)速的目的。H型雙極性PWM變換器如圖5所示。 圖5 橋式可逆PWM變換器電路 雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅(qū)動電壓波形如圖6所示。 圖6 雙極式控制可逆PWM變換器的驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形 它們的關(guān)系是：。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時，晶體管VT1、VT4飽和導(dǎo)通而VT2、VT3截止，這時。當(dāng)時，VT1、VT4截止，但VT2、VT3不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)VD2、VD3續(xù)流，這時。在一個周期

9、內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖6所示。電動機的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時，，則的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄時，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，，平均輸出電壓為零，則電動機停止轉(zhuǎn)動。 雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 (1) 如果定義占空比，電壓系數(shù)，則在雙極式可逆變換器中 (2) 調(diào)速時，的可調(diào)范圍為0~1，相應(yīng)的。當(dāng)時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng)時，為負(fù)，電動機反轉(zhuǎn)；當(dāng)時，=0，電動機停

10、止。但是電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。 3 系統(tǒng)參數(shù)的選取 3.1 PWM變換器滯后時間常數(shù)Ts PWM控制與變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。當(dāng)控制電壓改變時，PWM變換器輸出平均電壓按現(xiàn)行規(guī)律變化，但其響應(yīng)會有延遲，最大的時延是一周開關(guān)周期T。 PWM裝置的延遲時間，一般選取 =0.001s (3) 其中，------開關(guān)器件IGBT的頻率。 3.2 電流濾波時間常數(shù)和轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) PWM變換器電

11、流濾波時間常數(shù)的選擇與晶閘管控制電路有所區(qū)別，這里選擇電流濾波時間常數(shù) ==0.132 V·min／r (4) ===0.18s (5) ===0.03s (6) 4 電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計 4.1 電流環(huán)小時間常數(shù)計算 按小時間按常數(shù)近似處理，取 錯誤！未找到引用源。=+=0.002+0.001=0.003 (7

12、) 4.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇 根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)時在電網(wǎng)電壓的擾動下系統(tǒng)無靜差，可以按典型型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可以采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可見式（8）。 (8) 檢查對電源電壓的抗擾性能：，分析可知，各項指標(biāo)都是可以接受的。 4.3 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：。 電流環(huán)開環(huán)增益：要求，根據(jù)典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系可知，應(yīng)取，因此 (9)

13、 于是，ACR的比例系數(shù)為 (10) 4.4 校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率：166.7 （1）PWM變換裝置傳遞函數(shù)的近似條件 (11) 滿足近似條件。 （2）校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 (12) 滿足近似條件。 （3）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 (13) 滿足近似條件。 4.5 調(diào)節(jié)器電容和電阻值計算 按所用運

14、算放大器取，各個電阻和電容值的計算如下： 取50 取0.6 取0.2 PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖7所示。 圖7 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 由以上計算可得電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為 (14) 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。 圖8 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 5 速度調(diào)節(jié)器ASR設(shè)計 5.1 時間常數(shù)的設(shè)定 在電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計中為了達(dá)到電流超調(diào)的要求（），，所以電流環(huán)等效時間常數(shù)為：

15、 (15) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)處理處理，取 (16) 5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中?，F(xiàn)在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)調(diào)節(jié)器應(yīng)該有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為

16、 (17) 5.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算 按跟隨性和抗擾性好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為： (19) 轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益為： (20) 于是可得ASR的比例系數(shù)為： (21) 5.4 校驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為： （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 (22) 滿足簡

17、化條件。 （2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 (23) 滿足簡化條件。 （3）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng)h=5時，由典型II型系統(tǒng)的階躍輸入跟隨性能指標(biāo)的關(guān)系可知，，不能滿足設(shè)計的要求。實際上，突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。 系統(tǒng)空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量： 滿足要求。 5.5 調(diào)節(jié)器電容和電阻值計算 按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下： 取510 取

18、0.2 取1 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖9所示。 圖9 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 由以上計算可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 (24) 校正成典型II型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。 圖10 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 6 采用MATLAB對系統(tǒng)進(jìn)行仿真 利用MATLAB-SIMULINK對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)框圖和仿真結(jié)果如下所示。 6.1 原理框圖設(shè)計 圖11 電流環(huán)原理圖 電流環(huán)的原

19、理圖如圖11所示，輸入為階躍信號，通過ACR輸出限幅，控制輸出電流幅值大小。電流反饋環(huán)節(jié)加上PI調(diào)節(jié)器，使穩(wěn)態(tài)輸出無靜差。 轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖如圖12所示。階躍給定輸入信號經(jīng)過一個慣性環(huán)節(jié)輸出，與反饋環(huán)節(jié)的比較作為ASR的輸入，ASR輸出限幅，控制輸出直流電壓幅值大小。負(fù)載擾動設(shè)定為階躍信號，系統(tǒng)空載啟動。若仿真時間設(shè)為5s,可以設(shè)定在3s時加入負(fù)載的擾動。 圖12 轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖 圖13 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真原理圖 圖中，step為一個電壓階躍信號，當(dāng)t=0時，跳變?yōu)殡A躍值為10的信號。 圖中subsystem是新建的一個系統(tǒng)，通過

20、設(shè)計參數(shù)，其等效為ASR或者ACR，只是兩者的參數(shù)設(shè)置不一樣，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，包含比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，如圖14所示。 圖14 ASR和ACR內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 6.2 仿真結(jié)果 K=1時的仿真結(jié)果 6.3 仿真結(jié)果分析 雙閉環(huán)控制電動機的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個獨立的調(diào)節(jié)器控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動機電樞的電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動機電流增加，從而使電動機獲得加速轉(zhuǎn)矩，電動機轉(zhuǎn)速加速上升，電機啟動性能良好，滿足動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定性。 二、 實驗總結(jié) 通過本

21、次課程設(shè)計，一方面培養(yǎng)了我獨立動手，獨立思考，查閱相關(guān)資料獨立去發(fā)現(xiàn)，面對，分析和解決問題的能力，同時增強了自己理論聯(lián)系實踐，學(xué)以致用的能力。這大大激發(fā)了我對學(xué)習(xí)課本知識的興趣。在課程設(shè)計中，我也接觸到了許多新知識，這大大拓寬了我的視野。然而，另一方面，我也發(fā)現(xiàn)我對所學(xué)知識掌握的還不夠牢靠，對所學(xué)知識的應(yīng)用還不夠嫻熟，自己的動手和思考能力還有待提高。我明白了學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 參考文獻(xiàn) [1] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng). 機械工業(yè)出版社，2002 [2] 鄒伯敏. 自動控制理論. 機械工業(yè)出版社，2003 [3] 徐月華，汪仁煌. Matlab在直流調(diào)速設(shè)計中的應(yīng)用.廣東工業(yè)大學(xué)，2001 [4] 馬葆慶，孫慶光. 直流電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型.電工技術(shù)，1997 [5] 周淵深. 交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真.中國電力出版社，2003