双极式控制直流PWMM可逆调速文档格式.docx
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2013年11月2日
内蒙古科技大学课程设计任务书
课程名称
控制系统仿真
设计题目
H型主电路和双极式控制直流PWM-M可逆调速系统仿真
指导教师
李琦
时间
2013年10月28日至11月1日
一、教学要求
1、理解H型主电路和直流PWM-M可逆调速系统的基本工作原理；
2、通过对直流PWM-M可逆调速系统的建模，掌握使用Matlab/Simulink软件及PowerSystem工具箱对直流调速系统的建模与仿真方法；
3、掌握直流PWM-M直流调速系统系统的设计与仿真方法；
4、掌握直流PWM-M直流可逆调速系统系统的设计与仿真方法；
5、掌握直流PWM-M直流可逆调速系统正反转过程中，转速、电流、可逆过程转矩-转速曲线的分析方法。
二、设计资料及参数
设计资料详见《电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真》（洪乃刚主编）6.5.1、6.5.2节。
本设计涉及到的控制原理、电力拖动自动控制系统等内容参考相关专业课教学内容。
设计参数：
见《电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真》（洪乃刚主编）6.5.1、6.5.2节。
。
三、设计要求及成果
1、利用Simulink及PowerSystem工具箱建立PWM-M直流调速系统系统模型；
2、绘制并分析PWM-M直流调速系统系统中转速、电流、PWM输出电压瞬时值以及PWM输出电压平均值等曲线；
3、利用Simulink及PowerSystem工具箱建立双极式控制PWM-M直流可逆调速系统系统模型；
4、绘制并分析双极式控制PWM-M直流可逆调速系统系统正反转过程中，转速、电流、可逆过程转矩-转速曲线；
5、撰写不少于3000字的设计报告。
设计报告要求提交纸质文档，设计报告包括设计背景、设计原理、设计过程、结果分析等几个部分，要求给出设计模型图以及仿真结果图。
相关Matlab/Simulink设计文件要求提交电子文档。
四、进度安排
收集和查阅资料（一天）
Matlab/Simulink建模（两天）
控制系统设计与优化（一天）
编写技术设计书（一天）
五、评分标准
课程设计成绩评定依据包括以下几点：
1）工作态度（占10%）；
2）基本技能的掌握程度（占20%）；
3）方案的设计是否可行和优化（40%）；
4）课程设计技术设计书编写水平（占30%）。
分为优、良、中、合格、不合格五个等级。
考核方式：
设计期间教师现场检查；
评阅设计报告。
六、建议参考资料
1、《控制系统数字仿真与CAD》，李国勇，电子工业出版社，2003年9月第1版
2、《电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真》,洪乃刚，机械工业出版社，2006年5月第1版
3、《电力拖动自动控制系统》，陈伯时，机械工业出版社，1991年，第2版
4、《自动控制原理》上、下册，吴麒，清华大学出版社，1994.5第1版
5直流PWM_M可逆调速系统仿真结果8
6心得体会10
7参考文献10
1.引言
直流PWM_M调速系统几年来发展很快，直流PWM_M调速系统采用全控型电力电子器件，调制频率高，与晶闸管直流调速系统相比动态响应速度快，电动机转矩平稳脉动小，有很大的优越性，因此在小功率调速系统和伺服系统中的应用越来越广泛。
直流PWM_M调速系统与晶闸管调速系统的不同主要在变流主电路上，采用了脉宽调制方式，至于转速和电流的控制盒晶闸管直流调速系统一样。
直流PWM_M调速系统的PWM变换器有可逆和不可逆两类，二可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。
这里主要研究H型主电路双极式的PWM_M调速系统和受限单极式PWM_M调速的仿真，并通过仿真分析直流PWM_M可逆调速系统的过程。
2原理分析
2.1H主电路原理：
直流PWM-M调速系统的主电路组成如图1.1所示，主电路由4个电力场效应晶体管VT1~4和四个续流二极管VD1~4成H型连接组成。
当VT1和VT4导通时，有正向电流i1通过电动机M，电动机正转；
当VT2和VT3导通时，有反向电流i2通过电动机M，电动机反转。
VT1~4的驱动信号的调制原理如图1.2所示，在三角波与控制信号Uct相交时，分别产生驱动信号Ub1、Ub4和Ub2、Ub3。
图1.1直流PWM-M系统主电路
2.2直流PWM_M系统仿真模型
图1直流PWM-M系统主电路的仿真模型如图2.1所示。
图中H型变流器调用了多功能桥（UniversalBridge），其参数设为两相桥臂，AB在交流输出端，开关器件为MOSFET（见图2.2）。
多功能桥模块参数设ABC在交流输出端时本来就是用于逆变，现在用于直流PWM变流时，其驱动电路需另需设计。
设计的双极式驱动控制电路如图2.3所示，图中输入端In1接脉宽调制信号Uct，输出端Out1输出4路MOSFET的驱动信号。
脉宽调制由两个PWM发生器（PWMGenerator）模块进行，其中上方的PWM发生器产生VT1和VT2的驱动信号，下方的PWM发生器产生VT3和VT4的驱动信号，为了使PWM发生器输出的驱动信号顺序与多功能桥的驱动顺序一致，模型中加入一个选择器模块（Selector），调整了秒冲序列。
因为MOSFET有导通和关断时间，为了避免上下桥臂的两个管子同时导通和关断，造成桥臂的直通现象，需要有“死时”限制，这里采取的办法是使下方的PWM发生器输入的控制信号为（Uct+0.001）,即将Uct略为抬高，使下方的PWM发生器信号变窄一些，这样上下两个管子就不会同时导通和关断。
图2.1直流PWM-M系统仿真模型
图2.2多功能桥对话框
2.3转速调节器ASR模型：
转速调节器采用带饱和和输出限幅值的PI调节器，仿真模型如图2.4所示。
图2.4带饱和和输出限幅值的ASR模块
2.4电流调节器ACR模型：
转速调节器采用带饱和和输出限幅值的PI调节器，仿真模型如图2.5所示。
图2.5带饱和和输出限幅值的ACR模块
3调节器的参数整定
3.1电机模型参数计算
本实验选取伺服电机参数为：
110V,2.4A,2400r/min,电枢电阻Ra的值为3.4Ω，电枢电感La的值为60.4mH，转动惯量0.014kg*m²
励磁电压110V,励磁电流0.5A。
根据伺服电动机参数计算公式计算各参数：
励磁电阻Rf=220Ω,Lf=0,Laf=0.8025将参数输入电机模型。
3.2转速、电流调节器参数的设定
参数
转速调节器ASR
电流调节器ACR
放大倍数Kp
23.5
35.6
积分时间常数Ki
0.52
0.003
调节器输出限幅
±
10
0.98
转速反馈系数α
0.00417
电流反馈系数β
0.83
4直流PWM_M可逆调速系统仿真模型：
如图4.1绘制仿真模型进行仿真。
图4.1直流PWM_M可逆调速系统仿真模型
5直流PWM_M可逆调速系统仿真结果
双极式控制直流PWM_M可逆系统的仿真模型如图5.1所示，从图中可以看出正反转过程中转速、电流、可逆过程转矩—转速曲线。
其中图5.1伺服电机转速变化曲线，图5.2伺服电机励磁电流，图5.3伺服电机电枢电流，图5.4伺服电机转矩.
图5.1伺服电机转速变化曲线
图5.2伺服电机励磁电流
图5.3伺服电机电枢电流
图5.4伺服电机转矩
6心得体会
一周的控制系统仿真实训已经结束，此次实训让我感受到了Matlab的神奇与强大，通过此次实训也使我加深了对专业知识的了解，尤其是PWM直流调速系统，使我领悟到自动化专业需要很强的耐心、足够的细心以及强大的理论知识为支撑。
当实训开始我接到这个实验题目时，我没有足够的信心将其试验成功，因为很多知识是我不了解的，更别说结合新的工具来调试开发它。
所幸的是老师为我们提供了一本参考书籍《电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真》（洪乃刚主编），当我拿到这本书时，可以说是既高兴又担心。
因为通过这本书我对于此实验有了大体的轮廓，发现好多知识原本是在电力拖动课程里学到的，但是我对这些知识又做不到足够的精通。
所以我翻开了以前的课本，重新学习实验所需内容。
实训第一天是出现问题最多的一天，首先在绘制模型时，我发现好多模型我都很陌生，所以在库里寻找会很慢，其次对于很多模型参数的设置没有设置正确，使得在仿真时会有错误提示，终于在我不断努力下将模型图绘制完毕，接下来的工作就是仿真了，当我怀着喜悦的心情点开测试按键时，从示波器上显示的图形完全是不靠谱的，于是我对照数据检查每个模型参数，我发现我输入的参数跟课本上给的是一样的，就这样我调节了很长一段时间还是没有进展，此时我把老师请来知道，老师细致的检查了我的每个模型，并且增加了很多测试示波器，通过很长一段时间的检查，老师最后确定了我的电机模型参数是错误的。
于是我翻开课本查阅了相关参数求取公式，细致的求取了每个参数，最后发现课本上给的互感系数与求取的差距很大，于是我更改了互感系数，我从新仿真了一下，发现这次的数据是对的。
通过这个问题使我深刻意识到，学自动化的要保证每个数据的选取是有依据的。
此次实训加深了我对专业课的认识，同时通过此次实训也为我明年做好毕业设计提供了帮助，而且也是我领悟到独立面对问题、分析问题、解决问题的重要性。
7参考文献：
《电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真》（洪乃刚主编）
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