基于PWM控制的直流可逆调速系统仿真

基于PWM控制的直流可逆调速系统仿真摘 要直流调速系统是自动调速系统的主要形式,它具有良好的起、制动性能，可以在较宽的调速范围内实现平滑调速，较快的零动态响应过程，并且低速运转时力矩大的运行性能和控制特性。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。本文采用双极式和受限单极式两种方式的PWM控制模块，建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，利用MATLAB中的simulink和simpower system对系统进行给定参数下的仿真。关键词：直流可逆调速；PWM控制模块；双闭环；MATLAB仿真Simulation of DC reversible speed adjusting system based on PWM controlAbstractKeywords: 目录1 绪论1.1 PWM控制的现状及分类1.2 选择PWM控制系统的理由1.3 采用转速电流双闭环的理由2 双闭环可逆直流PWM调速系统原理设计2.1 转速、电流双闭环调速系统结构框图2.2 转速、电流双闭环调速系统的组成2.3 电流调节器和转速调节器的设计2.3.1 电流调节器的设计2.3.2 转速调节器的设计3直流PWM可逆调速系统原理3.1 可逆PWM变换器原理3.2 双极式H型PWM变换器原理3.3 受限单极式H型变换器原理4 H桥PWM直流可逆调速系统的仿真4.1 双极式H桥PWM直流可逆调速系统的仿真4.1.1 双极式PWM发生器防真模型4.1.2 双极式PWM双闭环调速系统仿真模型4.2 受限单极式H桥PWM直流可逆调速系统的仿真4.2.1受限单极式PWM调制模块4.2.2 受限单极式PWM双闭环调速系统仿真模型1 绪论1.1 PWM控制的现状及分类而在众多PWM变换器实现方法中，又以H型PWM变换器更为多见。这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。因此，本次设计以H型PWM直流控制器为主要研究对象。 要研究PWM调速方法，不能不提到微电子技术、电力电子技术和微机控制技术，没有这些技术的支持，我们就只能还是在走前人的老路，被模拟、人工控制的思维所禁锢。在电动机转速控制领域，如果不能有效的引用这些技术，我们很难有所突破，发现问题，进而有所进步。 PWM控制技术一般可分为三大类，即正弦PWM、优化PWM及随机PWM，从实现方法上来看，大致有模拟式和数字式两种，而数字式中又包括硬件、软件或查表等几种实现方式，从控制特性来看主要可分为两种：开环式（电压或磁通控制型）和闭环式（电流或磁控型）。随着计算机设计技术的不断进步，数字化PWM已逐步取代模拟式PWM，成为电力电子装置共用的核心技术。交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于PWM技术的不断进步。目前广泛应用的是在规则采样PWM的基础上发展起来的准优化PWM法，即三次谐波叠加法和电压空间矢量PWM法，这两种方法具有计算简单、实时控制容易的特点。1.2 选择PWM控制系统的理由自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统4。PWM系统在很多方面有较大的优越性：（1）主电路线路非常简单，需要用到的功率器件比较少。（2）开关频率比较高，电机损耗及发热都比较少，电流很容易连续，并且谐波少。（3）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗比较小，装置效率比较高。（4）低速性能比较好，调速范围比较宽，稳速精度比较高。（5）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应比较快，动态抗干扰能力强。（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。由于有上述优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了其他调速系统，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。1.3 采用转速电流双闭环的理由同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。2 双闭环可逆直流PWM调速系统原理设计直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调整，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流PWM调速系统。直流PWM调速系统采用门极可关断晶闸管GTO、全控电力晶体管GTR、MOSFET、IGBT等电力电子器件组成的直流脉冲宽度（PWM）型的调速系统近年来已经发展成熟，用途越来越广泛，与晶闸管可控整流调速系统（V-M系统）相比，在很多方面具有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率元件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；（4）系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；（5）主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；（6）直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。2.1 转速、电流双闭环调速系统结构框图图2-1系统结构直流调速系统的结构如上图所示，其中UPE是电力电子器件组成的变换器，其输入接三相(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压铸。对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P一MOSFET组成的PWM变换器;对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等;对于特大容量的系统，则常用晶闸管装置。根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。2.2 转速、电流双闭环调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别是转速和电流，二者之间实行串级联接，如图2-2所示。这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM调制器。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节器在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。图2-2双闭环调速系统稳态结构图图2-3双闭环脉宽调速系统的动态结构图2.3 电流调节器和转速调节器的设计我们现在采用一般系统调节器的工程设计方法具体设计双闭环调速系统的两个调节器。由工程设计法可知，设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环逐步向外扩展。在这里，先从电流环入手，首先设计好电流调节器，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。2.3.1 电流调节器的设计图2-4电流环的动态简化结构图由双闭环系统动态结构图可看出外环通过反电动势E对内环产生影响，但是由于实际系统中处于外环的系统机电时间常数比内环的时间常数大得多，机构经ACR对内环效正后其输出量的动态过程变化很快，而反电动势E的变化过程E（t）相对来说是缓慢的。反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似地认为E基本不变。因此在设计电流环时可以简化计算略去反电动势E对内环地影响，将电流闭环的动态结构简化为单位负反馈形式并将脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间T与电流反馈滤波时间两个小的时间常数所对应的两个小惯性合并为一个小惯性时间环节，即，于是得到如图2-4的电流简化动态结构图。电流环即可设计成典型I型系统也可设计成典型II型系统，一方面取决于对电流环的动态要求，并且典型I系统的跟随性能优于抗扰性，而典型II型系统的抗扰性优于跟随性。电流环的一项重要作用就是保持电枢电流动态过程中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电流环效正成典型I系统。另一方面电流环还有对电网电压波动及时调节的作用，为了提高其抗扰性能，有希望把电流环效正成典型II系统。在一般情况下，当控制对象的两个时间常数之比时，典型I系统的抗扰恢复时间还是可以接受的，因此，效正成典型I型系统，显然采用PI调节器，其传递函数为： （21）电流调节器的参数包括和，为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，取=。按二阶最佳系统效正，在一般情况下，希望超调量%5%时，查表得阻尼比=0.7070，=0.5，因此 （22）2.3.2 转速调节器的设计由自动控制基本理论推导可得，电流环不论是典型I型花或是典型II型化在一定的近似条件下都可以等效为一个惯性环节，写成通式为： （23）若典型I型化且=0.707，=0.5，则a=2。若典型II型化h=5,m=0.1.则a=。由上式画出转速闭环的动态结构图，将它简化为单位负反馈形式并将两个小惯性合并为一个小惯性，即将转速给定及转速反馈的滤波时间常数与电流环等效时间常数合并为转速环小惯性时间常数.由于要求转速对负载扰动无静差，则在ASR中必须含有积分环节，取ASR为PI调节器，因此转速环必然按典型II型系统设计。若只考虑给定信号的作用则得到简化的转速环的动态结构图如图2-5所示，这里有 （24）图2-5转速调节闭环等效动态结构图可见，上图已具备典型II型系统的标准形式，ASR调节器的参数按以下各式计算即可 （25） （26） （27）3直流PWM可逆调速系统原理3.1 可逆PWM变换器原理可逆变换器主电路的结构形式有H型、T型等多种类型，现在选用常用的H型变换器，它是由4个电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。H型变换器在控制方式上分为双极式、单极式和受限式三种。本设计采用双极式H型PWM变换器和受限单极式H型PWM变换器。3.2 双极式H型PWM变换器原理图3-1绘出了双极式H型PWM变换器的电路原理图。基极驱动电压分为两组。和同时导通和关断，其驱动电压和；和同时动作，其驱动电压= =。在一个开关周期内，当0t 时，和为正，晶体管和饱和导通；而和为负，和截止。这是，加在电枢AB两端, =,电枢电流沿回路1流通。t T时，和变负，和截止；、变正，但、并不能立即导通，因为在电枢电感释放储能的作用下，di沿回路2经、续流，、上的压降使、c-e极承受反压，这时，=。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征。图3-1双极式H型PWM变换器电路由于电压的正、负变化，使电流波形存在两种情况，如图3-2中的和。相当于电动机负载较重的情况，这是平均负载电流大，在连续阶段电流仍维持正方向，电机始终工作在第一象限的电动状态。相当于负载很轻的情况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是和 c-e极两端失去反压，在负的电源电压（）和电枢反电动势的合成作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电机处于制动状态。与此相仿，在0t 期间，当负载轻时，电流也有一次倒向。双极式PWM变换器的可逆要视正、负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲较宽时，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转。当正脉冲较窄时，平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相等，=，平均电压为零，则电动机停止。图3-2双极式PWM变换器电压和电流波形 双极式可逆PWM变换器电枢平均端电压为： （31）以=定义PWM电压的占空比，则 = （32）的变化范围为 1。当为正值时，电动机正转；为负值时，电动机反转；0时，电动机停止。在0时虽然电机不动，电枢两端的瞬时电和瞬时电流都不是零，而是交变的。这个交变电流平均值为零，不产生平均转矩，陡然增大电机的损耗。但它的好处是使电机带有高频的微振，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、反向的静摩擦死区。双极式PWM变换器的优点如下：（1）电流一定是连续的；（2）可使电动机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；（5）低速平稳性好，调速范围可达20000左右。经典的模拟控制电路主要由PWM 电路、延时电路和驱动电路组成。而PWM发生电路是采用三角波发生器产生的三角波放大后与一路可调直流电压（电流调节器输出的uk） 进行比较，则电压比较器输出的是一系列方波信号。如果改变uk 的大小, 那么方波脉冲宽度将会改变, 从而达到脉宽调制的目的。其基本电路结构和调制原理如图3-3。脉宽调制信号的质量，对于PWM 调速系统是十分重要的。然而它的质量主要取决于三角波信号的质量。如果三角波的线性度不好，那么PWM 的输出将得不到对称的波形。这对调速系统来说，将大大地降低系统的性能，出现正反转不平衡。 (a） (b) 图3-3 PWM基本电路结构和调制原理(a)基本电路结构 (b)直流PWM调制原理根据其工作原理，当控制电压改变时，PWM变换器的输出电压要到下一个周期方能改变。因此，脉宽调制器和PWM变换器合起来可以看成一个滞后环节，它的延时最大不超过一个开关周期T。则，当整个系统开环频率特性截至频率满足下式时 （33）可将滞后环节近似看成一阶惯性环节。因此，脉宽调制器和PWM变换器的传递函数可近似看成 （34）式中 脉宽调制器和PWM变换器的放大系数； PWM变换器的输出电压； 脉宽调制器的控制电压。4 H桥PWM直流可逆调速系统的仿真4.1 双极式H桥PWM直流可逆调速系统的仿真4.1.1 双极式PWM发生器防真模型图4-1 双极式PWM发生器防真模型4.1.2 双极式PWM双闭环调速系统仿真模型图4-2 双极式PWM双闭环调速系统仿真模型在如图4-3转速给定条件下，可以得到H桥PWM调速系统的电枢电流，电磁转矩，转速响应的仿真图。图4-3转速给定图4-4双闭环系统电枢电流仿真图图4-5双闭环系统电磁转矩仿真图图4-6转速响应仿真图4.2 受限单极式H桥PWM直流可逆调速系统的仿真4.2.1受限单极式PWM调制模块图4-7受限单极式PWM发生器防真模型4.2.2 受限单极式PWM双闭环调速系统仿真模型图4-8受限单极式PWM双闭环调速系统仿真模型在如图4-3转速给定条件下，可以得到H桥PWM调速系统的电枢电流，电磁转矩，转速响应的仿真图。图4-9电枢电流仿真图图4-10电磁转矩仿真图图4-11转速响应仿真图6 结论双闭环调速系统启动过程的电流和转速是接近理想快速启动过程波形的。按照ASR在启动过程的饱和情况，可将启动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。本次设计的PWM调速系统与晶闸管相控整流构成的直流调速系统的区别在于主电路和PWM控制电路。至于闭环控制系统，静、动态分析和设计基本相同。在提高主电路驱动能力，完善相应的保护电路后，PWM系统还可用于一般直流电机的调速。PWM调速系统结构简单，省去了复杂的换流装置，因此体积小，成本低，不仅简化了系统结构，提高了系统性价比、灵活性和抗干扰性，还可克服以往直流调速中谐波大、功率因数低的问题，是一种节能的调速方案。 参考文献1洪乃刚.电力电子电机控制系统仿真技术.北京机械工业出版社，20132陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2009