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：48, 3.7,200/min,nom nom nom U V I A n r ===允许过载倍数λ=2；时间常数：L T =0.015s ，m T =0.2s ；PWM 环节的放大倍数：S K =4.8,；电枢回路总电阻：R=3Ω；电枢电阻Ra=2Ω。

调节器输入输出电压**nm im U U ==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AB U 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：1423g g g g U U U U ==-=-。

在一个开关周期内，当0≤t<on t 时 ，AB S U U =，电枢电流id 沿回路1流通；当on t ≤t<T 时，驱动电压反号，id 沿回路2经二极管续流，AB S U U =-。

因此，AB U 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 在稳态时总为零。

使输入偏差电压U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()ASR W S 和()ACR W S 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d I 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S T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：max 1S T mf= 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 直流调速系统，其晶闸管的开关频率一般在10K 赫兹以上，在此取10.001S T s f== 3.1.2 电流滤波时间常数和转速滤波时间常数双极式PWM 电路每个波头的时间为0.001T s =为了基本滤平波头，应该选择(1~2)oi T T =，0.001oi T s =根据所用测速发电机的纹波情况，取0.01on T s =3.2 反馈系数的确定转速反馈系数 *max 100.05/200nm U V A n α=== 电流反馈系数 *10 1.35min/2*3.7im dm U r I β=== 3.3 电流调节器参数的确定3.3.1 电流环小时间常数的计算按小时间常数近似处理，i T ∑取0.002i oi s T T T s ∑=+=3.3.2 电流调节器结构选择根据设计要求5%i δ≤，并保证稳态电流无静差，可以按典型I 型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性的，因此可以用PI 调节器，其传递函数如下：(1)()i i ACR i K s W s sττ+= 检查对电源电压的抗扰性能：0.0157.50.002l i T T ∑== 各项指标可以接受 3.3.3 计算电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数： 0.015i l T s τ==电源开环增益： 取I i K T ∑=0.5 ，因此10.50.52500.002I i K s T -∑=== 于是，ACR 的比例系数为00000000002500.01510.5794.8 1.35I i i S K R K K τβ⨯⨯===⨯ 3.3.4 校验近似条件电流环截止频率： 1250ci I K s ω-==1. 校验晶闸管整流装置传递函数近似条件1111333.3330.001ci S s s T ω--=≈>⨯ 满足近似条件 2. 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件1354.8ci ω-=≈< 满足近似条件 3. 校验电流环小时间常数近似处理条件11333.33ci ω-=≈> 满足近似条件3.3.5 计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图3-1所示，按所用运算放大器取040R k =Ω，各电阻和电容值计算如下：00.5794023.16i i R K R k k ==⨯Ω=Ω 取23k Ω630.0150.652100.6522310ii i C F F uF R τ-===⨯=⨯ 取0.65uF 630440.0010.1100.14010oi oi T C F F uF R -⨯===⨯=⨯ 取0.1uF 按照上述参数，电流环可达到的动态跟随性能指标为：i δ=4.3%<5% 满足设计要求图3-1 含给定滤波和反馈滤波的PI 型电流调节器3.4 转速调节器参数的确定3.4.1 确定时间常数电流环等效时间常数1220.0020.004i I T s s K ∑==⨯=，按小时间常数近似处理，转速环小时间常数10.0040.010.014n on IT T s s K ∑=+=+= 3.4.2 转速调节器结构选择为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR 中。

选择扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速开环调节器应共有两个积分环节，所以应该设计成典II 型系统，这样的系统同时也能满足动态性能好的要求。

由此可见，ASR 也应该采用PI 调节器，其传递函数为：(1)()n n ASR n K s s sτωτ-=电动机的电动势系数为 48 3.70.50.23200N N a e N U I R C n --⨯=== 3.4.3 计算转速节器的参数按跟随和抗扰性能都比较好的原则，取h=5，则ASR 的超前时间常数为：50.0140.07n n hT s s τ∑==⨯=转速开环增益为： 22221661222250.014N n h K s h T -∑+==≈⨯⨯ ASR 的比例系数为()16 1.350.230.244.362260.0510.014e m n n h C T K h RT βα∑+⨯⨯⨯==≈⨯⨯⨯⨯ 3.4.4 检验近似条件转速环截止频率 1116120.0742.84N cn N n K K s s ωτω--===⨯= 1. 电流环传递函数简化条件117.8cn ω==> 满足简化条件 2.转速环小时间常数近似处理条件52.7cn ω==> 满足近似条件 3.4.5 计算调节器电阻和电容转速调节器的原理图如图3-2所示，取040R k =Ω，则044.36401774n n R K R k k ==⨯Ω≈Ω 取1774k Ω630.070.039100.039177410nn n C F F uF R τ-==≈⨯=⨯ 取0.1uF 630440.0111014010on on T C F F uF R -⨯===⨯=⨯ 取1uF3.4.6 核定转速超调量()max max **2b n n n b b m C n C n T z C n C n T δλ∑⎛⎫⎛⎫∆∆∆∆==-⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 当h=5时，maxb C C ⎛⎫∆ ⎪⎝⎭=81.2%， 3.7116.10.23d n e I R n C ⨯⨯∆===，代入上式得 1.83%20%n δ=< 满足设计要求图3-2 含给定滤波和反馈滤波的PI 型转速调节器第四章 MATLAB 仿真设计4.1 双闭环调速系统仿真框图双闭环直流调速系统仿真框图如图4-1所示：图4-1 双闭环调速系统仿真框图其中，限幅值的计算为：0.23200 3.72111.14.8dm e dcmS SU C n I RU VK K+⨯+⨯⨯====4.2 仿真结果4.2.1 有ACR限幅值1.启动电流，启动转速如图4-2图4-2 启动电流，启动转速图2. ASR、ACR输出电压波形如图4-34图4-3 ASR、ACR输出电压波形3.直流电压Ud 波形如图4-4图4-4 直流电压Ud 波形4.2.2 无ACR限幅值1.启动电流，启动转速如图4-5图4-5 启动电流，启动转速2. ASR、ACR输出电压波形如图4-6图4-6 ASR、ACR输出电压波形3.直流电压Ud 波形如图4-7图4-7 直流电压Ud 波形4.3 结果分析由于系统在2秒前就稳定了，设置参数时，在两秒时加入负载，因此两秒前为空载启动，由此可以观测到空载启动启动到额定转速时的转速超调量；在4秒时设置转速环断线，由此可以观测到断线前与断线后的输出波形对比。