交直流调速系统仿真

​一、SPWM调制技术​

​1. SPWM内外置波调速​

• ​内置波（调制波）​​：

  • ​原理​：调制波与载波（三角波）比较生成PWM信号，调制波通常为正弦波，输出近似正弦电压，减少谐波。
  • ​应用​：逆变器驱动交流电机，但通过直流电机调速时需配合逆变电路。
  • ​特点​：低转矩脉动，适合高精度场合。

• ​外置波（载波）​​：

  • ​原理​：直接调整载波频率或幅值控制输出，调制波为固定信号。
  • ​应用​：简单调速场景，动态响应较慢。

​2. 仿真实现（MATLAB/Simulink）​​

% SPWM生成示例
T = 1e-4; % 开关周期
t = 0:T:0.1;
mod_wave = sin(2*pi*50*t); % 调制波（50Hz正弦）
carrier = 2*ones(size(t)) - abs(2*(t/T)-1); % 三角载波
pwm_output = (mod_wave > carrier);

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​二、单闭环调速系统​

​1. 电流截止转速负反馈​

• ​结构​：速度环 + 电流截止环节（防止过流）。
• ​特点​：
  • 电流环仅在过流时介入，静态性能差。
  • 适用于小惯性负载，抗扰动能力弱。

​2. 电压负反馈调速​

• ​原理​：通过检测直流母线电压调节PWM占空比。
• ​缺点​：无法补偿负载扰动，稳态误差大。

​3. 交流调压调速​

• ​方法​：调节交流侧电压幅值（如晶闸管相控调压）。
• ​公式​：转速 n∝VAC​，机械特性软。

​4. 无静差/有静差转速负反馈​

• ​无静差​：积分控制器消除稳态误差（需高精度传感器）。
• ​有静差​：比例控制器，成本低但存在静差。

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交直流调速系统仿真 含有：SPWM内/外置波调速；单闭环电流截止转速负反馈；单闭环电压负反馈；单闭环交流调压调速；单闭环无静差转速负反馈；单闭环有静差转速负反馈；电压负反馈电流正反馈；开环直流；双闭环直流调速仿真

​三、双闭环直流调速系统​

​1. 结构与原理​

• ​双闭环​：外环（速度环） + 内环（电流环）。
• ​工作模式​：
  • 启动时：电流环主导，快速限制启动电流。
  • 稳态时：速度环调节，跟踪给定转速。

​2. 仿真设计（Simulink模型框架）​​

% 双闭环Simulink模块连接示意
Speed_Ref -> Speed_Controller (PI) -> Current_Controller (PI) -> PWM_Generator -> Motor
           ↑                              ↓
         Speed_Feedback (Encoder)      Current_Feedback (Shunt)

​3. 参数整定​

• ​电流环​：响应时间 < 10ms，采用典型I型系统设计。
• ​速度环​：响应时间 100~1000ms，采用典型II型系统。

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​四、系统性能对比​

​控制策略​	​动态响应​	​抗扰动能力​	​稳态精度​	​适用场景​
SPWM内置波	中等	中等	高	伺服系统
单闭环电流截止	慢	弱	低	小惯性负载
双闭环	快	强	高	高性能直流调速
开环直流调速	无	无	低	简单负载（如风机）

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​五、仿真关键点​

1. ​模型搭建​：

• 直流电机模型（电枢回路方程、机械方程）。
• 功率器件模型（IGBT/MOSFET开关特性）。

2. ​控制器设计​：

• ​PI参数整定​：使用临界比例度法或Ziegler-Nichols法。
• ​抗积分饱和​：防止积分项过大导致超调。

3. ​典型测试工况​：

• 阶跃响应（验证动态性能）。
• 负载突变（测试抗扰动能力）。

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​六、设计建议​

1. ​SPWM优化​：

• 采用不对称规则采样减少谐波畸变率（THD）。
• 注入三次谐波提高母线电压利用率。

2. ​双闭环调试​：

• 先调试电流环（确保快速限流），再整定速度环。
• 使用阶跃响应曲线调整PI参数（超调量 < 5%，调节时间 < 500ms）。

3. ​抗干扰措施​：

• 电流反馈加低通滤波（截止频率匹配电机带宽）。
• 软启动电路抑制启动电流冲击。

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​七、总结​

• ​单闭环系统​：结构简单，成本低，但性能受限，适用于低端场景。
• ​双闭环系统​：综合性能最优，是工业直流调速的主流方案。
• ​SPWM技术​：需结合调制策略优化谐波性能，适合高频开关场景。

通过仿真验证不同策略的性能差异，可为实际系统设计提供理论依据。建议从单闭环入手，逐步过渡到双闭环复杂系统分析。