PWM脉宽调制直流调速系统设计及MATLAB仿真验证

PWM脉宽调制直流调速系统设计及MATLAB仿真验证摘要以电力电子学和电机调速技术为基础，本文设计了一种基于直流脉宽调速控制技术的直流电机调速系统。为了得到较好的动静态性能，该控制系统采用了双闭环控制，同时速度调节器和电流调节器都选用PI调节器。本调速系统采用半桥型电路作为主电路,它相当于降压斩波电路和升压斩波电路的串联组合,选用全控型器件IGBT作开关器件。控制电路以集成PWM控制器SG3525为核心,3525输出的脉宽调制信号经LM1413放大后作为IGBT的驱动信号。实验证明本调试系统直流电压大小调节和电机可逆运行的实现非常方便，并具有较硬的静特性和机械特性。关键词:升/降压斩波电路；SG3525；直流脉宽调速AbstractOnthebasisofPowerElectronicandelectricmotorspeedadjustingtechnology,thecalibratordesignsaspeedadjustingsysteminwhichPulseWidthModulation(PWM)controllingtechnologyisusedtocontrolD.C.motor.Dualclosedloopcontrollingtechnicisalseadoptedsothatthesysetemhassatisfactorysteady-stateanddynamiccharacters.Thesystemusessinglechipmicrocomputerasanauxiliaryunit.InsulatedGateBipolarTransistor(IGBT)isselectedaspowersemiconductoron-offelementinthesystemThethesisexplainstheprincipleofPWMcontrolling.ThespecialintegratedPWMcontroller-SG3525whichcanhelpusrealizePWMcontroleasilyiselaborated,thischip'sinternalstructureanditsperipheralcircuitareanalyzed,anditsapplyingexampleinthissystemisgiven.Keywords:Boost/Buckchopper；SG3525；DCPulseWidthspeedcontrol目录摘要..................................................................................................................................................ABSTRACT.....................................................................................................................................引言....第一章系统概述………………………………………………………………………1.1设计要求1.2直流拖动系统1.3调速系统的性能指标1.4课题来源1.5文献综述第2章PWM直流调速系统总体介绍与主电路原理.....................................................................2.1双极式PWM调速原理2.2双极式PWM调速系统的优缺点2.3转速、电流双闭环系统原理2.4双闭环调速系统的作用第3章脉宽调速系统的控制电路..................................................................................................第4章系统参数的确定…………………………………………………………………4.1整流电路失控时间及滤波时间的确定4.2反馈系数的确定4.3电流调节器参数的确定4.4转速调节器参数的确定第5章MATLAB仿真及验证…………………………………………………致谢..................................................................................................................................................参考文献..........................................................................................................................................引言在现代科学技术革命过程中，电气自动化在20世纪的后四十年曾进行了两次重大的技术更新。一次是元器件的更新，即以大功率半导体器件晶闸管取代传统的变流机组，以线形组件运算放大器取代电磁放大器件。后一次技术更新主要是把现代控制理论和计算机技术用于电气工程，控制器由模拟式进入了数字式。在前一次技术更新中，电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方法。而后一次技术更新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变，电气系统的结构和性能亦随之改观。在整个电气自动化系统中，电力拖动及调速系统是其中的核心部分。现代的电力拖动控制系统都是由惯性很小的晶闸管、电力晶体管或其他电力电子器件以及集成电路调节器等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以用低阶近似。而以运算放大器为核心的有源校正网络（调节器），和由R、C等元件构成的无源校正网络相比,又可以实现更为精确的比例、微分、积分控制规律,于是就有可能将各种各样的控制系统简化和近似成少数典型的低阶系统结构。如果事先对这些典型系统作比较深入的研究,把它们的开环对数频率特性当作预期的特性,弄清楚它们的参数和系统性能指标的关系,写成简单的公式或制成简明的图表,则在设计实际系统时,只要能把它校正或简化成典型系统的形式,就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算,这样,就建立了工程设计方法的可能性。第一章系统概述1.1.1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。1.1.2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,nomnomnomUVIAnr允许过载倍数=2；时间常数：LT=0.015s，mT=0.2s；PWM环节的放大倍数：SK=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**nmimUU=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。1.1.3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；1.2直流拖动系统直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为式中n———转速（r/min）；U———电枢电压（V）；I———电枢电流（A）；R———电枢回路总电阻（）；ф———励磁磁通（wb）；Ke———由电机结构决定的电动势常数。由上式可以看出，调节电动机的转速有三种方法：1）调节电枢供电电压U:即保持R和Φ不变，通过调节U来调节n，是一种大范围无级调速方式。2）减弱励磁磁通:即保持Φ和U不变，通过减少Φ来升高n，是一种小范围无级调速方式。3）改变电枢回路电阻R:即保持U和Φ不变，通过调节R来调节n，是一种大范围有级调速方式。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大。1.3调速系统的性能指标1.稳态性能指标1)调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫调速范围，用字母D表示，即其中和一般都指电动机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。在直流电机调压调速系统中，常以电动机的额定转速为最高转速。2)静差率当系统在某一转速下运行时负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落△n，与理想空载转速n之比，称作静差率，即显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化下的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。然而，静差率和机械特性硬度又是有区别的。静差率不仅与转速降落有关，还与理想空载转速的大小有关。2.动态性能指标调速系统的动态性能指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标两类。1)跟随性能指标在给定信号(或称参考输人信号)R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化可用跟随性能指标来描述通常使用阶跃响应性能指标，即以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程为典型的跟随过程。一般希望在阶跃响应中输出量C(t)与其稳态值的偏差越小越好，达到C的时间越快越好。具体的指标有下列几项:(1)上升时间在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值C所经过的时间称为上升时间。它表示动态响应的快速性。(2)超调量在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量:超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。(3)调节时间t,调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。定义为从加输人量的时刻起，到输出量进人其稳态值的误差带(一般取5%或2%)，响应曲线达到且不再超出该误差带所需的最短时间。2)抗扰性能指标稳定的调速系统在运行中，如果受到扰动，经历一段动态过程后，能达到新的稳态，除了稳态误差以外，在动态过程中输出量变化有多少?在多长的时间内能恢复稳定运行?这些问题标志着调速系统的抗扰能力。一般以系统稳定运行中突加一个使输出量降低的负扰动N以后的过渡过程作为典型的抗扰过程。1.4课题来源目前，直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。目前国内各大专院校，科研单位和厂家也都在开发直流调速装置，但大多数调速技术都是结合工业生产中，而在民用中应用相对较少，所以应用已有的成熟技术开发性能价格比高，具有自主知识产权的直流调速单元，将有广阔的应用前景。直流斩波电路原理实验和直流电机的PWM调速实验都是《电力电子技术》课程要求必须开设的实验。本课题是应生产教仪的厂家的需要,研制开发出一套控制平滑、稳定、经济、实用、简便、可靠性高、操作方便的直流调速控制挂箱以供大中专院校实验教学之用,利用该挂箱设备可以进行的实验项目有:①降压斩波电路实验②升压斩波电路实验③可逆直流PWM调速实验，实现了斩波实验电路与可逆PWM调速实验电路的兼容。1.5文献综述直流电动机因其可以方便地通过改变电枢电压和励磁电流实现宽范围的调速而得到广泛的应用．调节电枢串联电阻来改变电枢上的电压，是最经典的直流电机调速方法，有相当部分的电能消耗在所串联电阻上，很不经济。80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广但晶闸管斩波调速器不足之处是晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现．换流电容和电感增加了装置的成本，也增加了换流损耗；电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低；此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流