PWM直流脉宽调速系统建模与仿真

武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程计说明书

电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接。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电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图3-3 转速、电流双闭环直流调速系统原理图

其中：ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 TA-电流互感器 UPE-电力

**电子变换器 Un-转速给定电压 Un-转速反馈电压 Ui-电流给定电压 Ui-电流反馈电压

3.2 系统模型的建立

3.2.1 直流电机模型

直流电机有稳态模型和动态模型，由于这里主要研究系统的动态性能，而且动态模型中包含了稳态模型，所以这里只给出了直流电机动态模型的建立。

他励直流电机在额定励磁下的等效电路如图3-4所示，其中电枢回路总电阻R和电感L包含电力变换内阻、电枢电阻和电感及可能在主电路中接入的其他电阻和电感，规定的正方向已标明在图中。

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图3-4他励直流电机在额定励磁下的等效电路

假定主电路电流连续，动态电压方程为

Ud0?RId?LdId?Ed dt忽略粘性摩擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为

GD2dnTe?TL?

375dt式中 TL 包括电机空载转矩在内的负载转矩（N?m）；

GD2 电力拖动装置折算到电机轴上的飞轮惯量（N?m2）

额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为

E?Cen

Te?CmId

Ce。 式中 Cm 电机额定励磁下的转矩系数（NmA），Cm??再定义下列时间常数：

，Tl?Tl 电枢回路电磁时间常数（S）

30L； R

GD2R，Tm?。 Tm 电力拖动系统机电时间常数（S）

375CeCm代入电压方程和动力学方程整理得

Ud0?E?R(Id?TldId)dt

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Id?IdL?TmdE RdtTL式中 IdL 负载电流（A），IdL?。

Cm在零初始条件下，取拉氏变换，得到电压与电流间的传递函数为

Id(s)1R?Ud0(s)?Ed(s)1?Tls

电流与电动势的传递函数为

Ed(s)R?Id(s)?IL(s)Tms结合上述两式，考虑n?

E，即得到额定励磁下直流电机的动态结构图，如图3-5所示。 Ce

图3-5额定励磁下直流电机的动态结构图

经过等效变换，可以的到如图3-6所示的动态结构框图。

图3-6直流电机动态结构框图的变换

由此可以的到直流电机的传递函数

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1Ud0(s)Ce?

n(s)TmTls2?Tms?1

3.2.2 调速系统动态模型

在图3-2所示的转速、电流双闭环直流调速系统原理图中转速调节器和电流调节器一般采用PI调节器以消除静态误差。电力电子变换器由桥式可逆ＰＷＭ变换器电路组成的，而PWM变换器电路由PWM控制器发出驱动电压来控制主电路上的全控器件实现的，如图3-7所示。

Uc PWM 控制器 Ug PWM 变换器 Ud 图3-7 PWM控制器与变换器的框图

按照3.1节中对PWM变换器工作原理和波形的分析，可以看出，当控制电压Uc改变时，PWM变换器输出平均电压Ud按照线性规律变换，但其相应会有延迟，最大的时延是一个开关周期T。因此PWM控制器与变换器可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成

Ws(s)?式中 Ks PWM装置的放大系数；

Ud(s)?Kse?Tss

Uc(s) Ts PWM装置的延长时间，Ts?T。

当开关频率较大时，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数较小的滞后环节可

以近视看成一个一阶的惯性环节

KsWs(s)?

Tss?1注意上式是近似的传递函数，实际的PWM变换器不是一个线性环节，而是具有继电特性的非惯性环节。

至于电流反馈环节和转速反馈环节都可以看成是线性的一阶惯性环节，。那么根据转速、电流双闭环直流调速系统原理图图3-3可以得到双闭环直流调速系统的动态结构图如

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