【正文】 正是有了這次設(shè)計，讓我在大學(xué)四年的最后一個學(xué)期過的豐富而又充實，我 應(yīng)該拿出作畢業(yè)設(shè)計的這份精神和態(tài)度去面對以后工作中所面臨的難題，為以后的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 43 致 謝 首先感謝我尊敬的梅彥平老師，本論文是在她的悉心指導(dǎo)和關(guān)懷下完成的。這樣，可以分別進(jìn)行設(shè)計和調(diào)節(jié)（先調(diào)好電流環(huán)，再調(diào)好轉(zhuǎn)速環(huán)），調(diào)整方便。從仿真結(jié)果可以看出，在起動階段電動機(jī)以恒流起動，起動過程結(jié)束時，電樞電流下降到零，轉(zhuǎn)速上升到最大，電動機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。飽和以及 退飽和三種情況。 在電流環(huán)的仿真模型中，是用了 Transfer F 模塊來仿真 PI 調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型中，而是用了 Gain 模塊來仿真比例器，用Integrator 模塊個 Gain 模塊的串接來仿真積分器，兩者通過加法器模塊 Sum 構(gòu)成了 PI 調(diào)節(jié)器。 單擊啟動仿真工具條的按鈕則可啟動仿真過程，再雙擊示波器模塊就可以顯示仿真結(jié)果，如圖 45 所示。目前應(yīng)用的比較多的是 MATLAB，它包含了強(qiáng)大的仿真器和仿真庫。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，電路品種日新月異，規(guī)模越來越大，同時對電路的可靠性、性價比也越來越高，原來的方法已完全不能適應(yīng)電路的要求。 （ 5）檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時， %?n? ， 不能滿足要求 。 （ 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 34 按跟隨和抗擾性能都能較好的原則 ， 在負(fù)載擾動點后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié) ， 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差 ， 還必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié) ， 因此需要Ⅱ由設(shè)計要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型Ⅱ型系統(tǒng) — 選用設(shè)計 PI調(diào)節(jié)器。 b、 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件： lmci TT13?? ， 現(xiàn)為 cilmsTT ?????? ? 0 1 1313 ，滿足近似條件 。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的 ， 所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計成PI 型的 。 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計 本設(shè)計為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控整流電路基本數(shù)據(jù)如下： （ 1）直流電動機(jī)：額定電壓 NU =220V，額定電流 dNI =136A，額定轉(zhuǎn)速 Nn =1460r/min，電動機(jī)電勢系數(shù)： eC = 圖 43 直流調(diào)速系統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)速起 動特性曲線 雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接 近于理想的起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，應(yīng)該先分析 它的起動過程 （起動過程分析見 節(jié)）。因此采用電流負(fù)反饋控制過程，起動過程中，電動機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負(fù)反饋；穩(wěn)定運(yùn)行過程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋為主。 系統(tǒng)總體設(shè)計 一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動機(jī)的過載能力，使 電力拖動控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。 雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有下列優(yōu)點： 電流 一定連續(xù)； 可使電動機(jī)在四象限運(yùn)行； 電動機(jī)停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1： 20200 左右； 低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。當(dāng) ? 1/2 時，? 為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) ? 1/2 時， ? 為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng) ? =1/2 時，? =0，電動機(jī)停止。當(dāng)正脈沖較寬時， 2Tton? ，則 abU 的平均值為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，則反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖相等，2Tt? ， 平均輸出電壓為零，則電動機(jī)停止。因此， abU 在一個周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。 橋式可逆 PWM 變換器 可逆 PWM 變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱 H 型）電路 ，如圖 33所示。 圖 31 脈寬調(diào)制變換器 電動機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖 如圖 32 a 所示，給出了一種可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖，由VT1— VT2 共 4 個電力電子開關(guān)器件構(gòu)成橋式（或稱 H形）可逆脈沖寬度調(diào)制（ PULSE WIDTH MODULATION，簡稱 PWM）變換器。 直流斬波器 — 電動機(jī)系統(tǒng)的原理如圖 31 a 所示，其中 VT 用開關(guān)符號表示任何一種電力電子器件， VD 表示續(xù)流二極管。 脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電。本章主要介紹脈寬調(diào)制的優(yōu)越性 和橋式可逆 PWM 變換器工作原理。至于轉(zhuǎn)速環(huán) ， 穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求 ， 所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計為Ⅱ型系統(tǒng)。這種差別可以作為調(diào)節(jié)器選擇的原則。接下來可用一個實例來說明這個問題。 在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了，這樣就使設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： sKsW pi ?1)( ?? （ 220） 調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法 為了保證轉(zhuǎn)速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題： 保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達(dá)到穩(wěn)速狀態(tài) ； 保證最優(yōu)的穩(wěn)定時間 ； 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 20 減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量 。 抗電網(wǎng)電壓擾動 電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。 動態(tài)抗干擾性分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能，對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài) 性能是抗擾性能。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運(yùn)行時 ASR 發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速。到 La II ? 時，電動機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個階段中起作用。 第二階段是恒流升速階段。 第一階段是電流上升階段。全控式整流在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓 ctU 與整流輸出電壓0aU 的關(guān)系為： )c o s (c o s 220 cta KUAUAUU ?? ? （ 214） 其中： A—— 整流器系數(shù)； 2U —— 整流器輸入交流電壓； ? —— 整流器觸發(fā)角； ctU —— 觸發(fā)器移項控制電壓； K—— 觸發(fā)器移項控制斜率 。后面需要 PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。 這就是采用了兩個 PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。與此同時，由于 ASR 不飽和， ** imi UU? 可知 dmd II ? ，這就是說， CA 段特性從理想空載狀態(tài)的 0?dI一直延續(xù)到 dmd II ? 。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 的作用使輸入偏差電壓Δ U在穩(wěn)態(tài)時總為零。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 11 圖 24 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(jī)； TA—— 電流互感器； UPE—— 電力電子變換器； *nU —— 轉(zhuǎn)速給定電壓； nU —— 轉(zhuǎn)速反饋電壓； *iU —— 電流給定電壓； iU —— 電流反饋電壓 。兩者之間實行嵌套連接，如圖 24 所示。在電動機(jī)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 。 實際系統(tǒng)中對于各種動態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求而定。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值 2?C ， )( 21 ?? ?CC是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。對于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到 ??t 才真正穩(wěn)定，但是實際系統(tǒng)由于存在非線性等因 素并不是這樣。 圖 22 典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標(biāo) b、 超調(diào)量 ? 在典型的階躍響應(yīng)跟隨系統(tǒng)中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量 與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量： %1 0 0m a x ??? ? ?C CC? （ 24） 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。當(dāng)給定信號表示方式不同時，輸基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 8 出響應(yīng)也不一樣。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。這表明平行機(jī)械特性低速時靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就越差。具體是指電動機(jī)穩(wěn)定工作時，在一條機(jī)械特性線上，電動機(jī)的負(fù)載由理想空載增加到額定值時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 edn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n之比，用百分?jǐn)?shù)表示為 %10 0%10 0 000 ?????? n nnnns eded （ 23） 顯然，機(jī)械特性硬度越大， edn? 越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 7 度就越高。 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 根據(jù)各類典型生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速指標(biāo)。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U ； （ 2）減弱勵磁磁通 ? ； 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 6 （ 3）改變電樞回路電阻 R 。 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo) 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以由晶閘管 直流電動機(jī) （ VM） 組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種電力傳動自動化控制系統(tǒng)。 設(shè)計 部分：第 4章詳細(xì)介紹了 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的參設(shè)計方法和參數(shù)選定 。并以此為基礎(chǔ)，再對交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個生產(chǎn)領(lǐng)域。 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。國際上許多國家交流電力拖動系統(tǒng)已進(jìn)入工業(yè)實用化階段，大有取代直流電力拖動系統(tǒng)的勢頭。從 60 年代起，國外對交流電動機(jī)調(diào)速已開始重視。 自 19 世紀(jì) 80 年代起至 19 世紀(jì)末以前，工業(yè)上傳動所用的電動機(jī)一直以直流電動機(jī)為唯一方式。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點。直流傳動之所以經(jīng)歷多年發(fā)展仍在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 2 關(guān)鍵在于它能以簡單的手段達(dá)到較高的性能指標(biāo)。 但這種調(diào)速方法后來被晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)所取代，至今已 不再使用。 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展史 直流傳動具有良好的調(diào)速特性和轉(zhuǎn)矩控制性能，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較早并沿用至今。DC governing system。 本文從直流電動機(jī)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) 。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 研究內(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