2022年双闭环控制的直流脉宽调速系统.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 双闭环掌握的直流脉宽调速系统一 任 务 书设计步骤：1 画出系统的仿真模型 2 主电路的建模与模型的参数设置 3 掌握电路的建模与模型的参数设置 4 系统的仿真参数设置 5 系统的仿真,仿真结果的输出及结果分析 6 打印说明书（ B5）,并交软盘（一组）一张 留意事项：1 系统建模时,将其分成主电路和掌握电路两部分分别进行 2 在进行参数设置时,晶闸管整流桥,平波电抗器,直流电动机等装置的参数设计原就如下：假如针对某个详细装置进行参数设置,就对话框中的有关参数应取装置的实际值；假如不针对某个详细装置的一般情形,可先取这些装置的参数默认值进行仿真；如仿真结果不抱负,就通过仿真试验,不断进行参数优化,最终确定其参数；3 给定信号的变化范畴,调剂器的参数和反馈检测环节的反馈系数等可调参数的设置,其一 般方法是通过仿真试验,不断进行参数优化；4 仿真时间依据实际需要而定,以能够仿真出完整的波形为前提；5 仿真算法的挑选：通过仿真实践,从仿真能够进行,仿真的速度,仿真的精度等方面进行 比较挑选；1 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 二 试验设计方法及其步骤（一）概述直流电动机因其性能宜于在广泛范畴内平滑调速,其调速掌握系统历来在工业掌握具有 及其重要的位置； 直流调速掌握系统中最典型的一种调速系统就是转速电流双闭环调速系统；自从全控型电力电子器件问世以来,就显现了采纳脉冲宽度调制的高频开关掌握方式,形成 了脉宽调制变换器直流电动机调速系统,简称直流脉宽调速系统,或直流 PWM调速系统；直流 PWM调速系统作为一种新技术,进展快速,应用日益广泛,特殊在中、小容量的系统中,已取代 V-M系统成为主要的直流调速方式； PWM型系统在许多方面有较大的优越性：主电路线路简洁,需要的功率器件少：开关频 率高,电流简洁连续,谐波少,电机损耗及发热都较小；低速性能好,稳速精度高,调速范围宽；动态性应快,动态抗扰才能强等；因其众多优点,直流PWM调速系统的应用日益广泛,特殊是在中小容量的高动态性能系统中,已经完全取代了 V-M系统；在当今社会,仿真技术已经成为分析,讨论各种系统特殊是复杂系统的重要工具,为了简便工程设计和解决设计中可能显现的问题,利用Matlab 中 SIMULINK有用工具对直流电动机的双闭环调速系统进行仿真和系统分析就成为我们今日连续探究的课题；（二）设计原理及步骤 1. 设计原理图及工作原理 转速、电流双闭环掌握的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统；为了实现 转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调剂器,分别调剂转速和电流,即 分别引入转速负反馈和电流负反馈；二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图 1 所示；图（1）双闭环直流调速系统电路原理图ASR-转速调剂器 ACR- 电流调剂器 TG- 测速发电机 UPE-电力电子变换器 TA- 电流互感器 2 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图中,把转速调剂器的输出当作电流调剂器的输入,再用电流调剂器的输出去掌握电力 电子变换器 UPE；从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环；转速环在外边,称作外环；这就形成了转速、电流双闭环调速系统；为了获得良好的静、动态性能,转速和电流两个调剂器一般都采纳 PI 调剂器,这样构成 的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图；图中标出了两个调剂器输入输出电压的实际极性,它们是依据电力电子变换器的掌握电压 器的倒相作用；Uc 为正电压的情形标出的, 并考虑到运算放大图（2）双闭环直流调速系统电路原理图图中表出,两个调剂器的输出都是带限幅作用的；转速调剂器ASR的输出限幅电压 U*im 打算了电流给定电压的最大值； 电流调剂器 ACR的输出限幅电压 Ucm限制了电力电子变换器的最大输出 电压 Udm；下图是本次设计的试验原理图；3 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - +Us_ASR-ACRUC PWME1AALd=200mHVA+ 220v _ PWM 调制器变换器（H桥）E3VM转向挑选过流爱护TAFBCFBSTGGRL；图（ 3） 双闭环掌握的直流脉宽调速系统原理框图 工作原理：给定值 Ug与速度反馈量 Ufn 叠加后经速度调剂器的比例积分调剂作为电流环的给定输入,它与电流反馈量 Ufn 叠加后经电流调剂器的比例积分调剂向脉宽调制器输出掌握电 平 Uc,脉宽调制器产生一个频率不变的矩形脉冲波,其脉冲宽度即占空比将随 Uc值的变化而变化,其占空比可调范畴为 0< <1；此脉宽调制脉冲经规律延时,功放,隔离等处理后,送 到开关器件的栅极； 外加直流电源 Us经 H全桥逆变电路输出一个与占空比 相对应的调制电压,经平坡电抗器 Ld 驱动直流电动机 M,发电机 G就作为电动机的负载,由同轴上的测速发电机取得速度反馈信号；电流返回信号取自助电路的取样电阻 Rs 两端；2. 脉宽调制的原理图及其生成原理4 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - PWM变换器的作用是：用 PWM调制的方法,把恒定的直流电源电压调制成频率肯定、宽度可变的脉冲电压系列,从而可以转变平均输出电压的大小,以调剂电机转速在图（3）中,脉宽调制器用于产生一路脉宽调制脉冲波,它是由专用芯片 TL494 产生的,其内部原理图如下图（ 4）所示；Noinv1+ Error+ Error16NoinvInputInputInv215InvAmp _Amp-InputInputComp3OscillatorVcc5.0VQ214VrefInputDeadtime413OutputRefControlControl512CTVCCRT611C27Q110E2Ground89CIE1图（ 4） TL494 的内部结构脉宽调制变换器的作用是： 用脉冲宽度调制的方法, 把恒定的电流电源电压调制成频率肯定,宽度可变的脉冲电压序列,从而可以转变平均输出电压的大小,以调剂电机转速；在本试验中,把脉宽调制器接成如下图（5）所示；图（ 5）中只利用了 TL494的一组输出脉冲；只要掌握 TL494 的输入端即“1” 脚输入电平,即可以在输出端“8” 脚相应的得到占空比可调剂的脉宽调制脉冲,其中脉宽调制脉冲的频率为 5.7KHz；5 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 161412C18OUTPUT+V2VrefVCC15-V23COMP2-V1TL494E1GNDOC E2GND1 INPUT VC+V1564+5V图（5） 脉宽调制波形发生器外围接线图3. 两个调剂器的作用 转速调剂器的作用：（1）转速调剂器是调速系统的主导调剂器,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,假如采纳 PI 调剂器,就可实现 无静差；（2）对负载变化起抗扰作用；（3）其输出限幅值打算电机答应的最大电流；电流调剂器的作用 : （1）作为内环的调剂器,在外环转速的调剂过程中,它的作用是使电流 紧紧跟随其给定电压（即外环调剂器的输出量）变化；（2）对电网电压的波动起准时抗扰的作用；（3）在转速动态过程中,保证获得电机答应的最大电流,从而加快动态 过程；4. H 桥逆变电路结构原理 双闭环 H桥 DC/DC变换直流调速系统功能原理框图如图（6）所示；6 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - + DC Us=220V+VT1 UG1 E1C1VD1ALdT1TGMGVT3C3E4VD3C2UG3E3-VT2VD2T2VT4C4VD4RsUG2E2UG4E4UG1E1UG2E2UG3E3UG4T1给定UgUfn电路调剂UfiPI调剂器驱动电路器ACRPI调剂器PWM 产生电路 TL494 速度调T2节ASR 图（6）双闭环 H桥 DC/DC变换直流调速系统功能原理框图本试验系统的主电路采纳单极性脉宽调制掌握方式,其中主电路由四个 IGBT管构成 H桥,G1G4分别由脉宽调制产生电路产生后经过驱动电路放大,再送到 IGBT 相应的栅极,用以控制 IGBT 管的通断；单极性的掌握方式是这样进行掌握的,在图（6）中,左边两个罐子的驱动脉冲 UG1=- UG2,使 VT1 和 VT2 交替导通,而右边两管 VT3,VT4 因电动机的转向而施加不同的直流掌握信号；在电动机正转时,UG4恒为正, UG3恒为负,使 VT4常通, VT3截止；在电动机反转时 ,VT4 截止,VT3 导通；四个快复原 VD1VD4 用于逆变电路的续流；其中电流调剂器的电流反馈量是由主回路中的取样电阻RS进行取样的；速度反馈量取自发电机输出的电压值；本试验系统可设定不同的给定量,速度反馈量及电流反馈量,以完成开环,电流单闭环,速度单闭环及双闭环的调速试验；由于给定量 Ug恒为正,因此速度反馈量必需为负值,在用到速度闭环是必需检测测速发 电机供应的输出电压的极性,将正值端连接到面板的 T1端,负值端连接到面板的 T2端（面板 T1端,右边的接线柱为 T2端）；当面板上的转向挑选开关转变时,速度信 上左边的接线柱为 号与 T1,T2 端的连线也相应转变；（三）试验仿真 1. 系统的仿真模型 7 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图（ 7）双闭环 H桥 DC/DC变换直流调速系统的仿真模型8 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2. 系统的建模和模型参数设置（1）主电路的建模和参数设置 1 不行控二极管整流桥的建模与参数设置；二极管整流桥的建模与晶闸管整流桥相同,第一从图（7）的电力电子模块组中选取 “ Universal Bridge ” 模块,并将模块标签改为 “ 二极管整流桥” ,然后打开二极管整流桥参数设置对话框,将“Power Electronic device ” 挑选为“Diodes” 即可,详细参数设置如图（ 8）所示；2）滤波电容器的建模和参数设置；它与平波电抗器的建模相同； 第一从 SIMULINK的元件模块组中选取“Series RLC Branch” 模块,并将模块标签改为“ 滤波电容器”,然后打开滤波电容器参数设置对话框,参数设置如图（9）所示；参数通过仿真试验优化而定；图（ 8）二极管整流桥的参数设置9 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3） 可控开关的建模和参数设置,在直流脉宽调速系统的主电路中串联了一个可控开关,这是一个由电力电子器件构成的开关电路,可控开关受前面脉宽调制信号发生器的掌握；它的建模和参数设置与晶闸管整流桥相同,同样从 SIMULINK的电力电子模块组中选取“Universal Bridge” 模块并将模块标签改为“ 可控开关”,然后打开参数设置对话框,将“Power Electronic device ” 挑选为“IGBT/Diodes ” 即可；详细参数设置如图（10）所示；图（10） 可控开关的参数设置4）三相对称沟通电压源参数设置；双击图（11）PWM信号发生器的参数设置A 相沟通电压源图标,打开电压源参数设置对话框,在 A 相沟通电源参数设置中,幅值取 220V,初相位设置成 0° ,频率为 50Hz,其他为默认值,如图（12）所示；B,C相沟通电源参数设置方法与 A 相基本相同, 除了将初相位设置成互差 120° 外,其他参数与 A相相同；由此可得到三相对称沟通电源；10 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图12A 相沟通电压参数设置图13 直流电动机参数设置（2）掌握电路的建模与参数设置直流电动机的建模和参数设置第一从直流电动机系统模块组中选取“DC Machine” 模块,并将模块标签改为“ 直流电动机”；直流电动机的励磁绕组“F+-F+” 接直流电动机励磁电源,励磁电源可从电源模块组中选取直流电压源模块,并将电压参数设置为 220V,电枢绕组“A+-A-” 经平波电抗器接晶闸管整流桥的输出,电动机经 TL端口接恒转矩负载,直流电动机的输出参数有转速 磁转矩 Te,通过“ 示波器” 模块观看仿真输出图形；n、电枢电流 Ia 、励磁电流 If 、电电动机的参数设置步骤如下,双击直流电动机图标,打开直流电动机的参数设置对话框,直流 电动机的参数设置如图 13 所示；参数设置的原就与二极管整流桥相同；直流脉宽调速系统的掌握电路包括给定环节,速度调剂器,电流调剂器,限幅器,速度反馈环节,脉宽调制信号发生器等； 其模块的建模与参数设置都比较简洁,只要分别在模块库中找到相应的模块,并按要求设置好参数即可；以限幅器为例,限幅器参数设置如图 14 所示；脉宽调制信号发生器要求的输入范畴为-11 之间的数（包括 -1 和 1）,输出脉冲受输入信号的掌握,脉冲最大输出频率设置为 100Hz,如图（ 11）所示；当输入为 1 时,输出脉冲宽度最大,相当于完全导通,当其输入为-1 时,脉冲宽度最小,相当于完全关断；在从-1 到 1 的增长过程中,11 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 脉冲宽度是线性增长的；由于脉宽调制信号发生器要求的输入范畴为 -1,1, 而速度调剂器的输出范畴为-200 到 200,为了能够将这两个相差很大的数匹配,在速度调剂器后加了一个限幅器,其限制范畴是 0 到 200,限制器的后面接一个放大器,其放大倍数为-0.01 ,那么输出的数就是 -2 到 0 了；后面在接一个加法器,加上 1,那么加法器输出的数就是K -1 ,实现上述功能的相关环节如图（15）所示；+Signals Pulses限幅器 PWM 发生器1图（15）脉宽调制信号发生器及其相关环节3. 系统仿真参数设置在 MATLAB的模型窗口打开“Simulation ” 菜单,进行“Simulation Parameters” 设置,单击“ Simulation Parameters” 菜单后,得到仿真参数设计对话框,参数设置如图 16 所示,仿真中所挑选的算法为 ode23s；仿真“Start time” 一般设为 0,“ Stop time” 设为 2.5 ；图16 仿真参数设置对话框及参数设置图14 限幅器参数设置12 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4. 系统的仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后,即可开头进行仿真,其仿真结果如图（18）由于这种脉宽掌握是在直流回路中直接使用可控开关,所以电路中的谐波多, 仿真结果电流波形比较粗糙；但开头时电流的波形比较平滑,这是由于开头时给定转速与实际转速之间相差较大,这时的脉宽调制的输入是 1 或者接近 1,所以“ 可控开关” 可能完全工作在导通状态,故开头时的 电流比较平滑；13 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 总 结SIMULINK供应了使用系统模型框图进行组态的仿真平台,使用 SIMULINK进行仿真和分析可以像在纸上绘图一样简洁；它比传统的仿真软件包更直观、便利；它是 MATLAB的进一步扩展,它不但实现了可视化的动态仿真, 也实现了与 MATLAB、C或者 FORTRAN甚至和硬件之间的相互数据传递,大大地扩展了它的功能；SIMULINK不但可以进行仿真,也可以进行模型分析、掌握系统设计等；MATLAB是一个功能相当强大的数值分析仿真软件,SIMULINK是 MATLAB环境下对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包；它不但支持线性系统仿真,也支持非线性系统仿真,既可以进行连续系统仿真, 也可进行离散系统仿真或者二者的混合系统仿真,系统仿真；同时它支持具有多种采样速率的通过这次设计, 不但使我们更深刻的把握了 MATLAB下的 SIMULINK的使用方法, 对双闭环调速系统有了更深刻的明白, 使我对电力电子技术, 电力拖动自动掌握系统, 运算机仿真等多学科专业学问的水平和加强实际分析、解决问题的才能；拓宽学问面、开拓新学科领域的需要有重大意义；设计的过程中仍锤炼了我们的动手才能,学习的基础；开发了我们的动脑才能, 这些珍贵的体会都将是我们今后在这次的设计工程中,我们得到了王均树和梁秀满老师的尽心指导,在此致以我深深的谢意；另外仍要感谢我们小组成员赐予我的帮忙；14 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 参考文献李传琦 主编 电力电子技术运算机仿真试验；北京：电子工业出版社,2006 周渊深 主编 电力电子技术与 MATLAB仿真； 北京：中国电力出版社,2005 陈怀琛 主编 MATALB及其在理工课程中的应用指南；西安：西安电子科技高校出版社 ,2000 李正熙 白晶 主编 电力拖动自动掌握系统（第 2 版）； 北京：冶金工业出版社, 2000 杨 立 主编 运算机掌握与仿真技术；北京：中国水利水电出版社,2003 史国生 主编 交直流调速系统；北京：化学工业出版社,2002 李宜达 主编 掌握系统设计与仿真；北京：清华高校出版社,2004 黄立培 主编 电动机掌握；北京：清华高校出版社,2003 张世铭 王振和 主编 电力拖动直流调速系统（第 2 版）； 武汉：华中科技高校出版社,1995 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页