H型pwm调速系统.docx
《H型pwm调速系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《H型pwm调速系统.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
H型pwm调速系统
学号：
0
课程设计
题目
直流双环系统
（二）的设计及仿真分析（六）
学院
自动化学院
专业
自动化卓越工程师
班级
自动化zy1101
姓名
周青
指导教师
刘芙蓉
2014
年
7
月
2
日
课程设计任务书
学生姓名：
周青专业班级：
自动化zy1101
指导教师：
刘芙蓉工作单位：
自动化学院
题目:
直流双环系统
（二）的设计及仿真分析（六）
初始条件：
有一转速、电流双闭环控制的H形双极式PWM直流调速系统，电动机参数为：
，电枢电阻，电枢回路总电阻，允许电流过载倍数，电势系数，电磁时间常数，机电时间常数，电流反馈滤波时间常数，转速反馈滤波时间常数，调节器输入输出电压，调节器输入电阻，电力晶体管的开关频率，PWM环节的放大倍数。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
试对该系统进行动态参数设计。
设计指标：
稳态无静差，电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量，过渡过程时间。
画出系统结构框图并计算：
（1）电流反馈系数β和转速反馈系数α；
（2）设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取）；
（3）设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取）；
（4）让电机空载启动到额定转速，稳定运行后转速反馈断开，观察并录下电机的转速、电流等的波形，并进行分析。
时间安排：
布置课程设计题目
-完成课程设计
．28-撰写课程设计报告
答辩并上交报告
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
本文首先叙述转速直流双闭环的结构组成，以及其优势，工作过程，以及静态特性。
然后讲到工程设计方法，用工程设计方法设计转速调节器以及电流调节剂的过程。
显示出在工程设计中，其方便性与可用性，接着用工程设计的方法设计各调节器的参数并进行验证。
最后用matlab仿真每个环节，按照设计任务的要求让电机空载启动到额定转速，稳定运行后转速反馈断开，观察并录下电机的转速、电流等的波形，并进行分析。
关键词：
直流双闭环调速系统电流调节器转速调节器MATLAB
1、直流双闭环系统的组成及其静、动特性分析
转速、电流双闭环直流调速系统的组成
转速单闭环系统中用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象，但转速单闭环不能理想的控制的电流的动态过程。
实际上由于主电路的电感作用，电流不可能突变，为了实现最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。
切希望再恒流过程中，没有转速负反馈，达到稳态转速后又希望有转速负反馈，所以我们采用转速环和电流环双环系统，如图1-1所示。
从结构上看，电流环在里面，转速环在外边，为外环。
这就形成了转速、电流双闭环系统。
为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。
+
TG
n
ASR
ACR
U*n
+
-
Un
Ui
U*i
+
-
Uc
TA
M
+
-
Ud
Id
UPE
-
M
TG
内环
外环
n
i
图1-1转速、电流双闭环直流调速系统
ASR-转速调节器ACR-电流调节器TG-测速发电机
稳态结构框图和静特性
稳态结构图，如图1-2。
当调节器饱和时，输出为恒值，相当于使该调节环开环。
当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。
在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。
因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
Ks
1/Ce
U*n
Uc
Id
E
n
Ud0
Un
+
+
-
ASR
+
U*i
-IdR
R
ACR
-
Ui
UPE
图1-2双闭环直流调速系统的稳态结构框图
1、转速调节器不饱和
这时两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入输出偏差都是0。
因此，
所以在时，转速恒定，静特性从理想空载状态的的一直延续到，而一般都是大于额定电流的。
这就是静特性的运行段，它是水平的特性。
2、转速调节器饱和
ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，成电流无静差的单电流闭环调节系统。
稳态时，为最大电流。
静特性为垂直的特性，这样的下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。
当负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。
各变量的稳态工作点和稳态参数计算
当两个调节器都不饱和时，、、。
转速n由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于n和，或者说，同时取决于和。
P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，PI调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，最终使PI调节器输入为零，才停止积分。
转速反馈系数，电流反馈系数。
转速、电流双闭环控制系统的动态分析
启动过程主要分为三个阶段：
第一阶段：
0~T1，是电流上升阶段：
突加给定电压后。
经过两个调节器的跟随作用，Uc、Ud0、Id都上升，但在Id没有达到负载电流以前电动机还不能转动。
Id负载电流以后电机才开始启动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器的输入偏差电压比较大。
输出电压保持限幅值，强迫电枢电流Id迅速上升。
直到Id约等于Idm，Ui约等于U*im电流调节器很快就压制了Id的增长，标志着这一阶段的结束。
在这一阶段ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。
第二阶段：
（T1~T2）是恒流阶段，这个阶段ASR始终是饱和状态，系统成为在恒值电流给定U*im下的电流调节系统，基本上保持Id恒定，因而系统加速度恒定，转速呈线性增长。
是启动过程的主要阶段。
ACR一般选用PI调节器，能消除阶跃误差。
但是由于反电动势带来的斜坡输入无法完全消除，所以Id一直略小于Idm。
启动过程中ACR不饱和。
、
第三阶段：
（T2以后），转速调节阶段，当转速上升到给定值时，由于ASR的积分作用，其输出还维持在限幅值，所以电机仍在加速，使ASR的输入偏差电压为负，ASR开和始退出饱和状态U*i和Id很快下降，但只要大于负载电流，转速就会上升，知道Id等于负载电流，电磁转矩等于负载转矩，转速达到峰值，之后电动机在负载的阻力下减速。
直到稳态。
最后的调节阶段，ASR和ACR都不饱和。
ASR起主导的转速调节作用。
2转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计
调节器的工程设计方法
必要性:
设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求。
可能性:
电力拖动自动控制系统可由低阶系统近似，事先研究低阶典型系统的特性，将实际系统校正成典型系统，设计过程就简便多了。
建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：
（1）概念清楚、易懂；
（2）计算公式简明、好记；
（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；
（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；
（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。
设计的基本思路
调节器的设计过程分作两步：
第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。
第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。
在选择调节器结构时，采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系都已事先找到，就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。
用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，先内环后外环。
首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。
双闭环调速系统的动态结构图图2-1，
图2-1双闭环调速系统的动态结构框图
电流调节器的设计
（1）电流环的简化
由图2-1中我们可以看出，反电动势和电流反馈的作用相互交叉，这将给设计带来麻烦，实际上反电动势与转速成正比，他代表转速对电流环的影响吗，但一般情况下系统的电磁时间常数远小于机电常数，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，所以在电流瞬变的过程中，可以认为反电动势基本不变，所以可以把反电动势的作用去掉，暂不考虑。
把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统。
和一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为。
（2）电流调节器结构的选择
电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统，应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成，—电流调节器的比例系数；—电流调节器的超前时间常数。
（3）电流调节器的参数计算
调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择，其中。
希望电流超调量，可选=，，，
即。
（4）电流调节器的实现
含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图示于图2-2。
图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。
可以导出、、
图2-2PI型电流调节器
转速调节器的设计
1电流环的等效闭环传递函数
电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，它的闭环传递函数
忽略高次项，可降阶近似为,近似条件。
电流环在转速环中应等效为。
原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。
这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。
2转速调节器结构的选择
把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，。
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统。
ASR也应该采用PI调节器，—转速调节器的比例系数；—转速调节器的超前时间常数。
调速系统的开环传递函数为
开环增益，。
3转速调节器的参数计算
按照典型Ⅱ型系统参数关系，、，因此，，一般以选择。
4转速调节器的实现
转速调节器参数与电阻、电容值的关系为、、。
转速调节器退饱和时转速超调量的计算
突加给定电压后，转速调节器很快就进入饱和状态，当转速上升到给定值时，转速偏差电压变成负值，ASR退出饱和,因此在起动过程中转速必然超调。
不是按线性系统规律的超调，而是经历了饱和非线性区域之后的超调，称作“退饱和超调”。
退饱和超调量不等于典型II型系统跟随性能指标中的超调量。
ASR饱和时，相当于转速环开环，电流是恒值，延续到时为止,退饱和初始条件:
。
考虑实际转速与给定转速的差值
典型II型系统，在、稳定运行，突然将负载由减小到，转速会产生一个动态速升与恢复的过程，这样的突卸负载速升过程也就是退饱和转速超调过程。
在典型II型系统抗扰性能指标中，的基准值，退饱和转速超调的基准值或。
转速超调量%，其基准值应该是，经基准值换算后得
外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。
这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。
3任务要求及计算
和的计算
由可知：
，
由可知：
电流环参数
升级会员 