1、1设计题目及分析设计题目：转速电流双闭环控制的 H 型双极式 PWM 直流调速系统直流电动机：UN=48V，IN=3.7A，nN=200r/min 允许过载倍数 =2；电枢回路电磁时常 =0.015s，机电时常 =0.2s；PWM 环节的放大倍数： =4.8,；电LTmTSK枢回路总电阻：R=1 ；电枢电阻 Ra=0.5 。电流反馈系统 =1.33V/A，转速反馈系数 =0.05Vmin/r，电动势转速比 Ce=0.18Vmin/r。转速电流调节器输入输出限幅电压 =10V.*nmiU采用 MATLAB 对双闭环系统进行仿真，绘制直流调速系统仿真框图，仿真得出启动转速，起动电流，直流电压 Ud
2、，ASR,ACR 输出电压的波形。并对结果进行分析。直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用 Simulink 对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统
3、运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用 MATLAB 软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用 SIMULINK 进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。2一、双闭环直流调速系统的工作原理1、双闭环直流调速系统的介绍双闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随
4、即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于
5、某一转速下运行。2、双闭环直流调速系统的组成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节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，如图 11 所示。把转速调节器的输出当作电流调节3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。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。图 11 转速、电流双闭环直流调速系统其中：ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 *Un-转速给定电压 Un-转速反馈电压 *Ui-电流给定电
6、压 i-电流反馈电压实际上在正常运行时，电流调节器始终为不饱和状态，而转速调节器则处于饱和和不饱和两种状态。双闭环直流调速系统的稳态结构图如图 2所示。4图 2 双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流调速系统的动态结构图如图 3 所示。图 3 双闭环直流调速系统的动态结构图图中 和 分别表示转速调节器和电流调节器的传递）（ sWASR）（ sACR函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构图上必须把电流 标示出dI来。电机在启动过程中，转速调节器经历了不饱和、饱和、退保和三种状态，整个动态过程可分为图 4 中的三个阶段。双闭环直流调速系统启动过程的转速和电流波形如图 4 所示。5图 4 双闭
7、环直流调速系统起动过程的转速和电流波形图 4 中所示的启动过程，阶段是电流上升阶段，电流从 0 到达最大允许值 Idm，ASR 饱和、 ACR 不饱和；阶段时恒流升速阶段， Id 基本保持在 Idm，电动机加速到了给定值 n*，ASR 饱和、 ACR 不饱和；阶段时转速调节阶段（退饱和阶段） ，ASR 不饱和、ACR 不饱和。双闭环直流调速系统的起动过程利用饱和非线性控制，获得了准时间最优控制，但却带来了转速超调。2.2 H 桥 PWM 变换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。6由于
8、题目中给定为转速、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ABU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。H 型双极性 PWM 变换器如图 5 所示。图 5 桥式可逆 PWM 变换器电路双极式控制可逆 PWM 变换器的四个驱动电压波形如图 6 所示。7图 6 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3g24g1UU时，晶体管 VT1、VT4 饱和导通而 VT2、 VT3 截止，这时ont0。当 时，VT1、VT4 截止，但 V
9、T2、VT3 不能立即导sUABTt通，电枢电流 经 VD2、 VD3 续流，这时 。 在一个周期内di -sABAB正负相间，这是双极式 PWM 变换器的特征，其电压、电流波形如图 6 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，则 的平均值为正，电动机正转；当正脉冲较窄时，则反转；2TtonAB如果正负脉冲相等， ，平均输出电压为零，则电动机停止转动。2Tton双极式控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为(1) Us1-tt-Ustd）（ onon8如果定义占空比 ，电压系数 ，则在双极式可逆变换器中TtonsdU(2)1-2调速时， 的可调范围为 01，相应的
10、。当 时， 为正，1-2电动机正转；当 时， 为负，电动机反转；当 时， =0，电动2机停止。但是电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。3 系统参数的选取3.1 PWM 变换器滞后时间常数 TsPWM 控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。当控制电压 改变时，PWM 变换器输出平均电压 按现行规律变Uc Ud化，但其响应会有延迟，最大的时延是一周开关周期 T。PWM 装置的延迟时间 ，一般选取Ts=0.001s (3)f1Ts其中， -开关器件 IGBT 的频率。f3.2 电流滤波时间常数和转速滤波时间常数PWM 变换器电流滤波
11、时间常数的选择与晶闸管控制电路有所区别，这里选择电流滤波时间常数 0.2sToi= =0.132 Vminr (4)nomadeRIUC14602.329= = =0.18s (5)23075eCRGD213.075= = =0.03s (6)lTL.4 电流调节器 ACR 的设计 4.1 电流环小时间常数计算按小时间按常数近似处理， 取iT错误！未找到引用源。= + =0.002+0.001=0.003 ois(7)4.2 电流调节器结构选择 根据设计要求 ，并保证稳态时在电网电压的扰动下系统无静差，%5i可以按典型 型系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性的，因此可以采用 PI 调节器
12、，其传递函数可见式（8） 。(8)siACR1sW）（）（ 检查对电源电压的抗扰性能： ，分析可知，各项指标103.Til都是可以接受的。4.3 电流调节器参数计算电流调节器超前时间常数： 。s03.Tli10电流环开环增益：要求 ，根据典型 I 型系统动态跟随性能指标%5i和频域指标与参数的关系可知，应取 ，因此5.0TKiI(9)1iI s7.603.T5K于是，ACR 的比例系数为(10)2540siIi R4.4 校验近似条件 电流环截止频率： 166.7Ici1s（1）PWM 变换装置传递函数的近似条件(11)ci1s 3.0.31T满足近似条件。（2）校验忽略反电动势变化对电流环动
13、态影响的条件(12)cis1lm8.403.1803T满足近似条件。（3）电流环小时间常数近似处理条件(13)cis1ois 7.2350.1.T1满足近似条件。4.5 调节器电容和电阻值计算按所用运算放大器取 ，各个电阻和电容值的计算如下：k40R取 5052.1R0iKi k11取 0.6FRi 6.0153.Ci F取 0.2.24T30oiPI 型电流调节器原理图如图 7 所示。图 7 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型电流调节器由以上计算可得电流调节器传递函数为(14) s3.0)1(25)1(sWACR sKi）（校正成典型 I 型系统的电流环动态结构图如图 8 所示。图 8 电流环
14、的动态结构图125 速度调节器 ASR 设计5.1 时间常数的设定在电流调节器的设计中为了达到电流超调的要求（ ） ，%5i，所以电流环等效时间常数 为：5.0TKiI IK1(15) s06.3.21iI 转速环小时间常数 。按小时间常数处理处理，取n(16) s01606.1oIn 5.2 转速调节器结构选择为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环调节器应该有两个积分环节，所以应该设计成典型II 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR 也应该采用 PI
15、调节器，其传递函数为(17) snASR)1(KsW）（135.3 转速调节器参数计算按跟随性和抗扰性好的原则，取 h=5，则 ASR 的超前时间常数为：(19) sn08.16.5h转速环的开环增益为：(20) 2224.75.sn于是可得 ASR 的比例系数为：(21) 12.06.57.0281362)1h(n nmeRC5.4 校验近似条件转速环的截止频率为： 11cn 37.508.46snN（1）电流环传递函数简化条件(22) cns 1i 6.7803.1K3满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件(23) cn 1on40.s.71631满足简化条件。（3）校核转速超调
16、量当 h=5 时，由典型 II 型系统的阶跃输入跟随性能指标的关系可知，不能满足设计的要求。实际上，突加阶跃给定时， ASR 饱和，%6.7n不符合线性系统的前提，应该按 ASR 退饱和的情况重新计算超调量。14系统空载启动到额定转速时的转速超调量： 7.6%.1804632.512.80)(2)( *max*maxn mnbbbzC满足要求。5.5 调节器电容和电阻值计算按所用运算放大器取 ，各电阻和电容值计算如下：k40R取 510n587.12R0 k取 0.2F.58C3 F取 1on104.0PI 型转速调节器原理图如图 9 所示。图 9 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器由
17、以上计算可得转速调节器的传递函数为ssn08.)1(27)1(sWASR ）（(24)校正成典型 II 型系统的转速环的动态结构图如图 10 所示。15图 10 转速环的动态结构图6 采用 MATLAB 对系统进行仿真利用 MATLAB-SIMULINK 对系统进行仿真，系统框图和仿真结果如下所示。6.1 原理框图设计6.1.1 电流环原理图图 11 电流环原理图电流环的原理图如图 11 所示，输入为阶跃信号，通过 ACR 输出限幅，控制输出电流幅值大小。电流反馈环节加上 PI 调节器，使稳态输出无静16差。6.1.2 转速环原理图转速环原理图如图 12 所示。阶跃给定输入信号经过一个惯性环节
18、输出，与反馈环节的比较作为 ASR 的输入，ASR 输出限幅，控制输出直流电压幅值大小。负载扰动设定为阶跃信号，系统空载启动。若仿真时间设为5s,可以设定在 3s 时加入负载的扰动。 图 12 转速环原理图 6.1.3 转速、电流双闭环直流调速系统原理图图 13 双闭环直流调速系统的 MATLAB 仿真原理图图中，step 为一个电压阶跃信号，当 t=0 时，跳变为阶跃值为 10 的信号。图中 subsystem 是新建的一个系统，通过设计参数，其等效为 ASR 或17者 ACR，只是两者的参数设置不一样，但内部结构相同，包含比例环节和积分环节，如图 14 所示。图 14 ASR 和 ACR
19、内部结构图6.2 仿真结果K=1 时的仿真结果186.3 仿真结果分析双闭环控制电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器控制，转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机电流增加，从而使电动机获得加速转矩，电动机转速加速上升，电机启动性能良好，满足动态稳定性和稳定性。二、 实验总结通过本次课程设计，一方面培养了我独立动手，独立思考，查阅相关资料独立去发现，面对，分析和解决问题的能力，同时增强了自己理论联系实践，学以致用的能力。这大大激发了我对学习课本知识的兴趣
20、。在课程设计中，我也接触到了许多新知识，这大大拓宽了我的视野。然而，另一方面，我也发现我对所学知识掌握的还不够牢靠，对所学知识的应用还不够娴熟，自己的动手和思考能力还有待提高。我明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 参考文献1 陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 机械工业出版社，20022 邹伯敏. 自动控制理论. 机械工业出版社，20033 徐月华，汪仁煌. Matlab 在直流调速设计中的应用.广东工业大学，20014 马葆庆，孙庆光. 直流电动机的动态数学模型.电工技术，19975 周渊深. 交直流调速系统与 MATLAB 仿真.中国电力出版社，2003
