直流PWM调速系统的建模与仿真设计

直流PWM 调速系统的建模与仿真

第一章摘要

第二章主电路的设计

2.1 设计任务要求

2.2 电路设计及分析

2.2.1 电流调节器

2.2.2 转速调节器

2.3 系统稳态分析

2.4 电流调节器的设计

2.4.1 电流环的简化

2.4.2 电流调节器的设计

2.4.3 电流调节器的实现

2.5 转速调节器的设计

2.5.1 电流环等效传递函数

2.5.2 转速调节器的结构选择

2.5.3 转速调节器的实现

第三章系统参数设计

3.1 电流调节器参数计算

3.2 转速环参数计算

第四章 PWM控制器的建模

第五章系统仿真

第一章摘要

双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无差。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。

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第二章主电路的设计

2.1 设计任务要求

(1)稳态指标:转速无静差;

(2)动态指标:电流超调量σi≤5%,空载起动到额定转速的转速超调量σn≤10%。

2.2 电路设计及分析

根据设计任务可知，可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统，以完全达到系统需要，使得系统在稳定的前提下实现无静差调速，转速、电流双闭环直流调速系统框图如图1-1所示。

图1-1 转速、电流双闭环调速系统系统框图设计思路；通过PWM脉宽调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以得到可变的平均输出电压，带动电动机旋转，产生转速n,通过测速发电机将转速以电压的形式反馈到转速环，（典型Ⅱ系统设计），通过电流互感器将电

力电子变换装置的电流Id以电压的形式反馈到电流环，（用典型Ⅱ系统设计），该方案中主要的环节是PWM脉宽调制的动态模型的建立。

2.2.1电流调节器

电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）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，从而加快动态过程。由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。

2.2.2转速调节器

转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。它对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电机允许的最大电流。由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波。

图1-2 系统实际动态原理框图

2.3 系统的稳态分析

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，其输出量在动态过程中决定于于输入量的积分，到达稳态时，

输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数

转速反馈系数数 max

*n U nm =α （1—1） 电流反馈系数数 dm m

I U *i =β （1—2）

2.4 电流调节器的设计

2.4.1 电流环的简化

在图1-2虚线框的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际中，对电流环来说，反电动势是一个变化比较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即ΔE ≈0.其中忽略反电动势对电流环的近似条件是 l m T T 13ci ≥ω （1—3）

式中 ωci ——电流环开环频率特性的截止频率。

如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环，同时把给定信号改为β)(*s U i ，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图1—3b 所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。

最后，由于S T 和oi T 一般都比l T 小得多，可以当作小惯性群而

近似看作是一个惯性环节，其时间常数为

oi s T T T +=i Σ （1—4）

则电流环结构框图最终简化成图1—3c 所示。简化的近似条件为