【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 [1]陳伯時 .電力拖動自動控制系統(tǒng) .機械工業(yè)出版社， 2020 [2]鄒伯敏 .自動控制理論 .機械工業(yè)出版社 2020 [3]章燕申 ,袁曾任 .控制系統(tǒng)的設(shè)計與實踐 .清華大學(xué)出版社 , [4]王兆安 ,黃俊 .電力電子技術(shù) .機械工業(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 .直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法仿真 .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 .電力傳動控制實驗指導(dǎo)書 .東北電力大學(xué)電機實驗室 , [9]馬葆慶 ,孫慶光 .直流電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 .電工技術(shù) , [10]陳伯時 .電力拖動自動控制系統(tǒng) — 遠動控制系統(tǒng) .機械工業(yè)出版社 ,2020 [11]廖曉鐘 .電氣傳動與調(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間（ f=50HZ） 整流電路形式 最 大 失 控 時 間Tsmax/ms 平 均 失 控 時 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)動態(tài)抗擾。 畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生在校期間最后一個重要的綜合性實踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生全面運用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識基本技能，對實際問題進行設(shè)計和研究的綜合訓(xùn)練。梅老師淵博的學(xué)識、嚴謹?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)計過程中，我不僅 在知識上有了進一步的鞏固 ，而且學(xué)會了獨立的去發(fā)現(xiàn) 、 面對 、 分析 、 解決新問題的能力，在 學(xué)到了知識 的同時 ，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、動態(tài)調(diào)速特性。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有的特點： 具有良好的靜特性； 具有較好的動態(tài)特性，起動時間短，超調(diào)量較??； 系統(tǒng)抗擾動能力強，電流環(huán)能較好的克服電網(wǎng)電壓波動的影響，而轉(zhuǎn)速環(huán)能抑制 被它包圍的各個環(huán)節(jié)擾動的影響，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 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： 用一個調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間有相互影響； 環(huán)內(nèi)的任何擾動，只有等到轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差才能進行調(diào)節(jié)，因而轉(zhuǎn)速動態(tài)降落大； 電流截止負反饋環(huán)節(jié)限制起動電流，不能充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態(tài)響應(yīng)，起動時間較長。 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 直流電動機轉(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過程，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在此三個階段中是經(jīng)歷了不飽和。 雙擊階躍輸入模塊確定階躍值的大小，得到高速啟動時的 波形圖，如圖 47 所示。在仿真模型中增加了一個飽和非線性模塊，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，并且動態(tài)響應(yīng)快，符合設(shè)計要求。 雙擊階躍輸入模塊可以把階躍時刻參數(shù)從默認的 1 改為 0，把階躍值從默認的 1 改為 10。使用 MATLAB 對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法是：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，加上激勵源，然后單擊仿真按鈕即可自動開始，可以同時觀察復(fù)雜的模擬信號和數(shù)字信號波形，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際系統(tǒng)進行實驗和研究，而計算機仿真能夠為各種試驗提供方便、靈活可靠的數(shù)學(xué)模型。控制系統(tǒng)的計算機法仿真是一門涉及到控制理論、計算機技術(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)計規(guī)模較小的一般電路是可行的。 按 ASR 退飽和的情況計算超調(diào)量 ： % ??bCC ， m rC RInedn ????? ，滿足設(shè)計要求。 b、 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件： 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 （ 1）確定時間常數(shù) a、 電流環(huán)等效時間常數(shù)IK1 ： sTK iI 0 0 7 0 3 1 ???? ? ； b、 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)： sTon ? ； c、 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) 處理： sTTT onin 0 2 1 1 0 7 ????? ?? 。 c、 小時間常數(shù)近似處理條件： oisci TT131?? ，現(xiàn)為 cioissTT ?????? ? 131131 ，滿足近似條件 。 （ 4）校驗近似條件 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)計要求： %5?i? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差 ，可按典型Ⅰ型設(shè)計電流調(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）時間常數(shù)：電磁時間常數(shù) lT = 機電時間常數(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)計指標(biāo) ： （ 1） 靜態(tài)指標(biāo)：無靜差； （ 2） 動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 %5?i? ；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %15?n? 。這個作用對系統(tǒng)的可靠運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 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)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差； （ 2）對負載變化起抗擾作用； （ 3）其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流； 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)電壓的波動起及時抗擾的作用； （ 3） 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程； （ 4） 當(dāng)電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。 圖 41理想啟動 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反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)速起動特性曲線，而我們希望的電流、轉(zhuǎn)速起動特性曲線如圖 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，要控制某個量，只要引入這個量的負反饋。這種理想的起動過程如圖 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，同時將結(jié)果在示波器上顯示，從而對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進行更為精確的調(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)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。但它也有好處，在電動機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而，電流也是交變的。調(diào)速時， ? 的可調(diào)范圍為 0到 1，相應(yīng)的， ? =（ 1） 到 （ +1）。 圖 34所示 的波形是電動機正轉(zhuǎn)時的情況。電動機的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負 脈沖的寬度上。 圖 34也繪出了雙極式控制時的輸出電壓和電流波形。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) ontt??0 時， sab UU ? ，電樞電流 di 沿回路 1 流通；當(dāng) Ttton ?? 時，驅(qū)動電壓反相， 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個驅(qū)動電壓波形 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)通的時間，開關(guān)周期 T 和占空比 ? 的定義和上面相同，則電動機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)電機轉(zhuǎn)速。 VT1 和 VT4 同時導(dǎo)通和關(guān)斷， VT2 和 VT3 同時通斷，使電動機 M的電樞兩端承受電壓 sU? 或sU? 。這樣，電動機得到的平均電壓為： ssond UUTtU ???? ?)( （ 31） 式中 T —— 功率開關(guān)器件的開關(guān)周期； ont —— 開通時間； ? —— 占空比， ftTt onon ???? ，其中 f為開關(guān)頻率。當(dāng) VT 導(dǎo)通時，直流電源電壓 sU 加到電動機上；當(dāng) VT 關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。采用簡單的單管控制時，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的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。 由于上述優(yōu)點，在中、小容量的高動態(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 — 直流電動機調(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)計成Ⅱ型系統(tǒng) ， 所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計成 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 ， 整流裝置滯后時間常數(shù) sT 和電流濾波時間常數(shù) oiT 一般都比電樞回路電磁 1