【正文】 在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值 ， 即基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 22 能否抑制超調(diào)是設(shè)計(jì)電流環(huán)首先要 考慮的問題 ， 所以一般電流環(huán)多設(shè)計(jì)為Ⅰ型系統(tǒng) ， 電流調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)應(yīng)以此為限定條件。 由于上述優(yōu)點(diǎn)，在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛 [4]。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為： ssond UUTtU ???? ?)( （ 31） 式中 T —— 功率開關(guān)器件的開關(guān)周期； ont —— 開通時(shí)間； ? —— 占空比， ftTt onon ???? ，其中 f為開關(guān)頻率。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) ontt??0 時(shí)， sab UU ? ，電樞電流 di 沿回路 1 流通；當(dāng) Ttton ?? 時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓反相， di 沿回路 2 經(jīng)二極管續(xù)流， sab UU ?? 。調(diào)速時(shí)， ? 的可調(diào)范圍為 0到 1，相應(yīng)的， ? =（ 1） 到 （ +1）。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 29 第 4 章 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真 本章主要介紹了直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用及其具體的設(shè)計(jì)方法，并利用 MATLAB 下的 SIMULINK 軟件建立圖形化的系統(tǒng)模型和仿真，同時(shí)將結(jié)果在示波器上顯示，從而對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行更為精確的調(diào)整。 圖 41理想啟動(dòng) 過程 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 30 圖 42 雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖 如圖 43a 所示的是帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)速起動(dòng)特性曲線，而我們希望的電流、轉(zhuǎn)速起動(dòng)特性曲線如圖 43b 所示。 （ 2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求： %5?i? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差 ，可按典型Ⅰ型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。 轉(zhuǎn)速 環(huán)的設(shè)計(jì) （ 1）確定時(shí)間常數(shù) a、 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)IK1 ： sTK iI 0 0 7 0 3 1 ???? ? ； b、 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)： sTon ? ； c、 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) 處理： sTTT onin 0 2 1 1 0 7 ????? ?? 。過去常用數(shù)學(xué)和物理這兩種方法，它們對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)模較小的一般電路是可行的。 雙擊階躍輸入模塊可以把階躍時(shí)刻參數(shù)從默認(rèn)的 1 改為 0，把階躍值從默認(rèn)的 1 改為 10。如果從轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的角度來考慮全部啟動(dòng)過程，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在此三個(gè)階段中是經(jīng)歷了不飽和。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有的特點(diǎn)： 具有良好的靜特性； 具有較好的動(dòng)態(tài)特性，起動(dòng)時(shí)間短，超調(diào)量較??； 系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，電流環(huán)能較好的克服電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，而轉(zhuǎn)速環(huán)能抑制 被它包圍的各個(gè)環(huán)節(jié)擾動(dòng)的影響，并最終消除轉(zhuǎn)速偏差； 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 41 由兩個(gè) 調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生在校期間最后一個(gè)重要的綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生全面運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)基本技能，對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究的綜合訓(xùn)練。梅老師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)給我的學(xué)習(xí) 帶來 莫大的幫助。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 39 圖 48 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真模型 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 40 圖 49 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題： 用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間有相互影響； 環(huán)內(nèi)的任何擾動(dòng)，只有等到轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差才能進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)降落大； 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)限制起動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。 雙擊階躍輸入模塊確定階躍值的大小，得到高速啟動(dòng)時(shí)的 波形圖，如圖 47 所示。使用 MATLAB 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB 的Simulink 工具箱，從元件庫中選取所需的元件，連接好原理圖，加上激勵(lì)源，然后單擊仿真按鈕即可自動(dòng)開始，可以同時(shí)觀察復(fù)雜的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)波形，以及得到電路性能的全 部波形 [5， 7]。 按 ASR 退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量 ： % ??bCC ， m rC RInedn ????? ，滿足設(shè)計(jì)要求。 c、 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： oisci TT131?? ，現(xiàn)為 cioissTT ?????? ? 131131 ，滿足近似條件 。 min/r （ 2）晶閘管裝置放大系數(shù)： sK =30 （ 3）電樞回路總電阻： R =? （ 4）時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù) lT = 機(jī)電時(shí)間常數(shù) mT = 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 32 （ 5）調(diào) 節(jié)器輸入電阻 0R =20?k （ 6）反饋關(guān)鍵參數(shù)： AVIU nim 02 12* ???? ?? )m in(0 1 0 0 015* rVnU nnm ???? 設(shè)計(jì)指標(biāo) ： （ 1） 靜態(tài)指標(biāo)：無靜差； （ 2） 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 %5?i? ；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %15?n? 。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中， 4 個(gè)開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。 圖 34所示 的波形是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的情況。 雙極式控制可逆 PWM 變換器的 4個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形 如圖 34 所示。當(dāng) VT 導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓 sU 加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng) VT 關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。 PWM 基本介紹 自從全控型整流電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器 — 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。 圖 210 Ⅰ型系統(tǒng)、Ⅱ型系統(tǒng)性能比較 轉(zhuǎn)速 — 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定 一般說來典型Ⅰ型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小 ， 但抗憂性能差 ； 而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)要大一些而抗擾性能卻比較好。 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為 ??????? nijrmjjsTssKsW11)1()1()(? （ 221） 根據(jù) )(sW 中積分環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)的不同，將該控制系統(tǒng)稱為 0型、Ⅰ型、Ⅱ型??系統(tǒng)。 在圖 27 所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控 制 在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制” ， 對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動(dòng)，就是時(shí)間最優(yōu)控制。在這個(gè)階段中 ASR與 ACR 同時(shí)發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)， ASR 處于主導(dǎo)地位，而 ACR 的作用則力圖使 aI 盡快地跟隨 ASR 輸出 giU 的變化。從電流升到最大值 amI 開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動(dòng)過程的主要階段，在這個(gè)階段中， ASR 一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。 圖 27 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 整流與觸發(fā)關(guān)系為余弦，工程中近似用線性環(huán)節(jié)代替觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為： 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 15 cta UUK 0? （ 215） 繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 27 所示。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見圖26中虛線。而 dmI ，一般都是大于額定電流 dnI 的。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析 圖 25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 圖 25 所示為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。對(duì)負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng) ， 速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號(hào)將隨時(shí)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(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。動(dòng)態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。超調(diào)量越小，則相對(duì)穩(wěn)定性越好，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。脫 離了對(duì)靜差率的要求。 然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。 仿真 部分： 根據(jù)設(shè)計(jì)方法和參數(shù)的選定，運(yùn)用 MATLAB 中的 SIMULINK對(duì)雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并得出結(jié)論。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。隨著電力電子學(xué)與電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，使得采用半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí) 現(xiàn)。 長(zhǎng)期以來，直流電動(dòng)機(jī)由于調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)廣泛的應(yīng)用于工程過程中。 1957 年晶閘管問世后，采用晶閘管相控裝置的可變直流電源 一直在直流傳動(dòng)中占主導(dǎo)地位。double loop control system,simulink 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 III 目 錄 摘 要 ............................................ I Abstract ......................................... II 第 1 章 緒論 ...................................... 1 直流調(diào)速概念 ........................................ 1 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展史 .................................. 1 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 .................. 3 課題研究的主要內(nèi)容 .................................. 4 研究?jī)?nèi)容 ....................................... 4 論文安排 ....................................... 4 第 2 章 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) .......................... 5 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo) .................... 5 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 ......................... 5 直流調(diào)速 系統(tǒng)的性能指標(biāo) ......................... 6 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 ............. 10 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理 .................... 10 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 ............ 10 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析 ......... 14 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立 ............ 14 起動(dòng)過程分析 .................................. 15 動(dòng)態(tài)抗干擾性分析 .............................. 18 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 ............................... 19 PI 調(diào)節(jié)器 ..................................... 19 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法 .............................. 19 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 .................. 20 轉(zhuǎn)速 — 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定 .................... 21 第 3 章 PWM 脈寬調(diào)制 .............................. 23 PWM 基本介紹 ........................................ 23 脈寬調(diào)制變換器 ..................................... 23 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 IV 橋式可逆 PWM 變換器 ................................. 25 第 4 章 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真 .......... 29 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) ................