【正文】 再一次感謝所有給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)！ 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 44 參考文獻(xiàn) [1]陳伯時(shí) .電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) .機(jī)械工業(yè)出版社， 2020 [2]鄒伯敏 .自動(dòng)控制理論 .機(jī)械工業(yè)出版社 2020 [3]章燕申 ,袁曾任 .控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐 .清華大學(xué)出版社 , [4]王兆安 ,黃俊 .電力電子技術(shù) .機(jī)械工業(yè)出版社， 2020 [5]周淵深 .交直流調(diào)速系統(tǒng)與 MATLAB仿真 .中國電力出版社 ,2020. [6]王果 ,朱大鵬 .直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法仿真 .蘭州交通大學(xué) , [7]徐月華 ,汪仁煌 .Matlab在直流調(diào)速設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 .廣東工業(yè)大學(xué) , [8]麻鴻儒 ,刑大成 ,譚敦生 ,曾令全 .電力傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 .東北電力大學(xué)電機(jī)實(shí)驗(yàn)室 , [9]馬葆慶 ,孫慶光 .直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 .電工技術(shù) , [10]陳伯時(shí) .電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) — 遠(yuǎn)動(dòng)控制系統(tǒng) .機(jī)械工業(yè)出版社 ,2020 [11]廖曉鐘 .電氣傳動(dòng)與調(diào)速系統(tǒng) .中國電力出版 ,1998 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 45 附 錄 表一 各種整流電路是失控時(shí)間（ f=50HZ） 整流電路形式 最 大 失 控 時(shí) 間Tsmax/ms 平 均 失 控 時(shí) 間Ts/ms 單相半波 20 10 單相橋式（全波） 10 5 三相半波 三相橋式 表二 典型Ⅰ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾。 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。 總之，在設(shè)計(jì)過程中，我不僅 在知識(shí)上有了進(jìn)一步的鞏固 ，而且學(xué)會(huì)了獨(dú)立的去發(fā)現(xiàn) 、 面對 、 分析 、 解決新問題的能力，在 學(xué)到了知識(shí) 的同時(shí) ，又鍛煉了自己的能力，使我 受益匪淺 。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 42 總 結(jié) 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(dòng)態(tài)調(diào)速特性。 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)量較小； 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。 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。 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果，如圖 49 所示。 圖 46 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 38 圖 47 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 基于電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型， 結(jié)合直流 PWM 變換器的模型，得到了雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，如圖 48所示。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。在仿真模型中增加了一個(gè)飽和非線性模塊，用其來把飽和上界和下界參數(shù)設(shè)定為 +10 和 10。從仿真結(jié)果可以看出，電流環(huán)的參數(shù)設(shè)定 使得超調(diào)量小，并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，符合設(shè)計(jì)要求。 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。使用 MATLAB 對控制系統(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]。系統(tǒng)仿真就是用模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，而計(jì)算機(jī)仿真能夠?yàn)楦鞣N試驗(yàn)提供方便、靈活可靠的數(shù)學(xué)模型。控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)法仿真是一門涉及到控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性新興學(xué)科。過去常用數(shù)學(xué)和物理這兩種方法，它們對設(shè)計(jì)規(guī)模較小的一般電路是可行的。 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。 b、 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： oni sTT ??????? ?? 1312 131。典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)見附錄表三。 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 ????? ?? 。 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 。 （ 4）校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率 ??? sKici? ； a、 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： sci T31?? ，現(xiàn)為 3 9 60 0 1 13 1 ???? sTs，滿足近似條件 。 檢查對電源電壓的抗擾性能 ： 00 01 ???? ssTT il， 由附錄表二 ， 各項(xiàng)指標(biāo)可接受 。 （ 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。 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? 。這個(gè)作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 31 電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 （ 1）轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快的跟隨給定電壓 *nU 的 變化；穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差； （ 2）對負(fù)載變化起抗擾作用； （ 3）其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流； 電流調(diào)節(jié)器的作用 （ 1）為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 *iU （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化； （ 2）對電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用； （ 3） 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程； （ 4） 當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。 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。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)反饋控制規(guī)律，要控制某個(gè)量，只要引入這個(gè)量的負(fù)反饋。這種理想的起動(dòng)過程如圖 41 所示。 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，從而對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行更為精確的調(diào)整。 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)。但它也有好處，在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤滑”的作用。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)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。調(diào)速時(shí)， ? 的可調(diào)范圍為 0到 1，相應(yīng)的， ? =（ 1） 到 （ +1）。 圖 34所示 的波形是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的情況。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù) 脈沖的寬度上。 圖 34也繪出了雙極式控制時(shí)的輸出電壓和電流波形。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 ?? 。 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。 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 25 圖 32 橋失可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)基本原理圖和電壓波形 如果用 ont 表示 VT1 和 VT4 導(dǎo)通的時(shí)間，開關(guān)周期 T 和占空比 ? 的定義和上面相同，則電動(dòng)機(jī)電樞端電壓平均值為： ssonsonsond UUTtUTtTUTtU ???????????? )12()12(])([)( ? （ 32） 脈寬調(diào)制變換器的作用是：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，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 VT1 和 VT4 同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷， VT2 和 VT3 同時(shí)通斷，使電動(dòng)機(jī) M的電樞兩端承受電壓 sU? 或sU? 。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。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。采用簡單的單管控制時(shí)，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，統(tǒng)稱為脈寬調(diào)基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 24 制變換器。過去用切換電樞回路電阻來控制電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大。 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]。 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)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。如前所述 ， 轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計(jì)成Ⅱ型系統(tǒng) ， 所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計(jì)成 PI 型調(diào)節(jié)器 ， 如下式所示 ： ssKsW ?? 1)( ?? （ 225） 基于 MATLAB 的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真 23 第 3 章 PWM 脈寬調(diào)制 直流脈寬變換器，或稱直流 PWM 變換器，是在全控型電力電子器件問世以后出現(xiàn)的能取代相控整流器的直流電源。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 ， 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) sT 和電流濾波時(shí)間常數(shù) oiT 一般都比電樞回路電磁 1