PWM脉宽调制直流调速系统设计及MATLAB仿真验证.docx

PWM脉宽调制直流调速系统设计及MATLAB仿真验证
第一章系统概述
1.1设计目的
1.掌握转速，电流双闭环控制的双极式PWM直流调速原理。
2.掌握并熟练运用MATLAB对系统进行仿真。
1.2设计题目
转速，电流双闭环控制的H型双极式PWM直流调速系统，已知：
直流电动机：允许过载倍数=2；时间常数：=0.015s，=0.2s；PWM环节的放大倍数：=4.8,；电枢回路总电阻：R=1；电枢电阻Ra=0.5。调节器输入输出电压=10V.
采用MATLAB对双闭环系统进行仿真，绘制直流调速系统（Id=const）稳定运行时转速环突然断线（1、有ACR限幅值；2、无ACR限幅值）仿真框图，仿真得出启动转速，起动电流，直流电压Ud，ASR,ACR输出电压的波形。并对结果进行分析。
1.3设计内容
1简述设计题目及对题目的分析；
2简述双极式PWM直流调速系统原理；
3简述电流环，转速环的控制原理；
4对电流环、转速环的参数进行计算选取；
5根据电流环、转速换的参数进行MATLAB仿真；

第二章转速、电流双闭环式的双极式PWM直流调速系统
2.1双极式PWM调速原理
可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图2-1所示，电动机M两端电压的极性随全控型电力电子器件的开关状态而改变。
图2-1桥式可逆PWM变换电路
双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压的关系是：。在一个开关周期内，当0t<时，，电枢电流id沿回路1流通；当t<T时，驱动电压反号，id沿回路2经二极管续流，。因此，在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。
2.2双极式PWM调速系统的优缺点
1双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：
（1）电流一定连续；
（2）可使电动机在四象限运行；
（3）电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区；
（4）低速平稳性好，系统的调速范围大；
（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。
2双极式控制方式的不足之处是：
在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。
2.3转速、电流双闭环系统原理
2.3.1双闭环调速系统结构图
转速、电流双闭环直流调速系统的结构图如图2-2所示。
图2-2转速、电流双闭环直流调速系统的结构图
图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，在用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，从闭环结构上看，电流环在里面，称作电流内环；速度换在外边，称作转速外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
2.3.2双闭环调速系统稳态结构图
双闭环调速系统稳态结构图如图2-3所示。
图2-3双闭环调速系统稳态结构图
分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和—输出达到限幅值，不饱和—输出未到达限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的关系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。
实际上，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的两种情况。
2.3.3双闭环调速系统动态结构图
系统动态结构图如图2-4所示。
图2-4系统动态结构图
图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数，为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电流显露出来。电机的启动过程中转速调节器经历了饱和、退饱和、不饱和三种状态。

2.4双闭环调速系统的作用
1.转速调节器的作用
转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化,如果采用PI调节器，则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流
2.电流调节器的作用
在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出；量的变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

第三章系统参数的确定
3.1整流电路失控时间及滤波时间的确定
3.1.1整流电路平均失控时间常数
失控时间是随机的，它的大小随电源电压发生变化的时刻而变化，最大可能失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源和整流电路形式有关，由下式确定：
式中f----交流电源频率；
m----一周内整流电压脉冲数。
相对于整个系统的响应时间来说，一般情况下取统计平均值，认为是常数。对于双极式PWM直流调