畢業(yè)論文-基于pwm控制的直流電動機調速系統(tǒng)設計及matlab仿真

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在電力拖動系統(tǒng)中，調節(jié)電壓的直流調速是應用最廣泛的一種調速方法，除了利用晶閘管整流器獲得可調直流電壓外，還可利用其它電力電子元件的可控性，采用脈寬調制技術，直接將恒定的直流電壓調制成極性可變，大小可調的直流電壓，用以實現(xiàn)直流電動機電樞兩端電壓的平滑調節(jié)，構成直流脈寬調速系統(tǒng)，隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，采用門極可關斷晶體管GT

2、O、全控電力晶體管GTR、P-MOSFET、絕緣柵晶體管IGBT等一些大功率全控型器件組成的晶體管脈沖調寬型開關放大器（Pulse Width Modulated）,已逐步發(fā)展成熟，用途越來越廣。本文主要討論了直流調速系統(tǒng)的基本概念，在此基礎上系統(tǒng)地介紹了轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)，轉速電流負反饋雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成，工作原理，脈寬調速系統(tǒng)的原理和控制方法，介紹了直流脈寬調速系統(tǒng)的控制電路和系統(tǒng)構成。最后應用MATLAB的Simulink

3、，采用面向電氣原理結構圖的仿真技術，對直流脈寬調速系統(tǒng)進行了仿真分析。</p><p>　　關鍵詞：調速，PWM控制，直流電動機，仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In the electric drive system, The DC Driving System which adjusts vo

4、ltage is the widest used in the speed control methods. Besides to use the thyristor rectifier to adjust DC voltage, also it could use the other power electronic components’ controlled performance. Using pulse width modul

5、ation technology. Directly to modulate the constant DC voltage into variable-polarity,size adjustable DC voltage. to achieve the smooth regulation of the dc motor voltage. Constituting a DC motor PWM speed contro</p&g

6、t;<p>　　Key words: speed regulation, PWM control, DC motor, simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 引言</b></p><p>　　1.1 直流調速系統(tǒng)簡介…………………………………

7、………………………………..5</p><p>　　1.2 PWM直流調速的研究背景和發(fā)展狀況…………………………………………….5</p><p>　　1.3 本設計的主要內容…………………………………………………………………..6</p><p>　　第二章 直流電機調速系統(tǒng) </p><p>　　2.1 直流電機調速系統(tǒng)的概述……………

8、……………………………………………...7</p><p>　　2.1.1 旋轉變流機組直流電機調速系統(tǒng)………………………………………………7</p><p>　　2.1.2 靜止式可控整流器調速系統(tǒng)……………………………………………………7</p><p>　　2.1.3 直流斬波器或脈寬調速………………………………………………………...8</p>

9、<p>　　2.2 電機基本調速方法…………………………………………………………………...9</p><p>　　2.2.1 電樞串電阻調速…………………………………………………………………9</p><p>　　2.2.2 弱磁調速…………………………………………………………………………9</p><p>　　2.2.3 調壓調速………………………

10、………………………………………………..10</p><p>　　2.3 轉速控制的要求和調速指標……………………………………………………….10</p><p>　　2.4 閉環(huán)直流調速系統(tǒng)………………………………………………………………….11</p><p>　　2.4.1單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)…………………………………………………………...11</p&g

11、t;<p>　　2.4.2 轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)……………………………………………………..14</p><p>　　2.4.2.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性……………………………………….16</p><p>　　2.4.2.2 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算…………………………………….17</p><p>　　2.4.2.3 雙閉環(huán)直流

12、調速系統(tǒng)的啟動過程分析…………………………………….18</p><p>　　2.4.2.4 轉速和電流兩個調節(jié)器的作用…………………………………………….20</p><p>　　第三章 PWM調制技術與PWM變換器</p><p>　　3.1 PWM調制技術……………………………………………………………………...21</p><p>

13、;　　3.1.1 模擬式PWM控制……………………………………………………………...21</p><p>　　3.1.2 數(shù)字式PWM控制……………………………………………………………...22</p><p>　　3.2 PWM變換器…………………………………………………………………………23</p><p>　　3.2.1 簡單的不可逆PWM變換器………………

14、…………………………………...23</p><p>　　3.2.2 制動不可逆PWM變換器……………………………………………………...24</p><p>　　3.2.3 H型雙極式PWM變換器…………………………………………………….26</p><p>　　第四章 PWM直流電動機調速系統(tǒng)的設計</p><p>　　4.1 PWM-

15、M直流調速系統(tǒng)的控制電路………………………………………………...28</p><p>　　4.2 系統(tǒng)設計方案的選擇……………………………………………………………….29</p><p>　　4.2.1主電路供電方案選擇…………………………………………………………...29</p><p>　　4.2.2主電路形式的選擇…………………………………………………………

16、…...30</p><p>　　4.2.3控制電路方案的選擇…………………………………………………………...32</p><p>　　4.3 直流脈寬調速系統(tǒng)的MATLAB仿真……………………………………………..33</p><p>　　4.3.1 引言……………………………………………………………………………..33</p><p>

17、　　4.3.2雙閉環(huán)控制的脈寬調速系統(tǒng)的仿真模型……………………………………...33</p><p>　　4.3.3 系統(tǒng)的仿真、仿真結果的輸出及結果分析…………………………………..36</p><p>　　總結………………………………………………………………………………………..39</p><p>　　參考文獻………………………………………………………………

18、…………………..40</p><p>　　致謝………………………………………………………………………………………..41</p><p><b>　　第一章 引言</b></p><p>　　1.1 直流調速系統(tǒng)簡介</p><p>　　調速系統(tǒng)包括直流調速系統(tǒng)和交流調速系統(tǒng)兩大類。由于直流電動機的電壓、電流和磁通

19、之間的耦合較弱，使直流電動機具有良好的機械特性，能夠在大范圍內平滑調速，啟動、制動性能良好，故其在20世紀70年代以前一直在高精度、大調速范圍的傳動領域內占據主導地位。但隨著生產技術的不斷發(fā)展，直流拖動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯示出來。由于換向</p><p>　　從20世紀80年代起，在電氣傳動自動化領域中出現(xiàn)了一個革命性的變化，這就是交流電動機調速技術取得了突破性進展。眾所供</p><p>　

20、　1.2 PWM直流調速的研究背景和發(fā)展狀況</p><p>　　有許多生產機械要求電動機既能正轉，又能反轉，而且常常還需要快速地起動和制動，這就需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運行的特性，也就是說，需要可逆的調速系統(tǒng)。改變電樞電壓的極性，或者改變勵磁磁通的方向，都能夠改變直流電機的旋轉方向。 </p><p>　　控制技術已居世界先進水平。但由于造價較高，目前在國內應用局限性較大，在較

21、短的時間內難以取代較為落后的直流調速。相對而言，PWM直流調速系統(tǒng)主電路線路簡單，功率元件少，開關頻率高，其控制水平從1000Hz可達到4000Hz，電機電流連續(xù)，低速性能好，諧波少，穩(wěn)態(tài)精度高，脈動小，損耗和發(fā)熱都較小，調速范圍寬，調速系統(tǒng)頻帶寬，快速響應性好，動態(tài)抗擾能力強。</p><p>　　直流電機脈沖寬度調制調速系統(tǒng)產生于70年代中期.最早用于不可逆、小功率驅動,例如自動跟</p>&l

22、t;p>　　步研究，在調速精度要求較高的場合，對解決傳統(tǒng)直流調速系統(tǒng)調速精度低、穩(wěn)定性差的難題，具有廣泛的意義和價值。</p><p>　　1.3本設計的主要內容</p><p>　　本文共分為四章，主要針對直流調速系統(tǒng)的PWM控制進行相關研究。第一章主要概述了直流電機調速系統(tǒng)的研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀；第二章介紹了直流電機調速系統(tǒng)的理論基礎，簡要介紹了調速的原理和結構；第三章介紹了脈寬調

23、制原理及對目前常用的各種PWM變換器進行了分析；第四章對基于PWM控制技術的直流電機調速系統(tǒng)進行了設計，并運用計算機軟件對其進行了仿真研究；最后對全文進行了總結。</p><p>　　第二章 直流電機調速系統(tǒng)</p><p>　　2.1直流電機調速系統(tǒng)的概述</p><p>　　直流電動機調速系統(tǒng)經歷不同的三個階段：</p><p>　　2

24、.1.1旋轉變流機組直流電機調速系統(tǒng)</p><p>　　如圖2-1，旋轉變流機組直流電動機調速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）由交流電動機（異步機或同步機）拖動直流發(fā)電機G實現(xiàn)變流，由G給需要的直流電動機M供電，調節(jié)G的勵磁電流即可改變其輸出電壓U，從而調節(jié)電動機的轉速n。這種調速系統(tǒng)在60年代曾廣泛使用，但該系統(tǒng)需要旋轉變流機組，至少包含兩臺與調速電動機容量相當?shù)男D電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，因此設備多，體積大，費用高，效

25、率低，安裝須打地基，運行有噪聲，維護不方便。</p><p>　　圖2-1旋轉變流機組直流電動機調速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）</p><p>　　2.1.2靜止式可控整流器調速系統(tǒng)</p><p>　　自從晶閘管（俗稱“可控硅”）問世，到了60年代，已生產出成套的晶閘管整流裝置，并應用于直流電動機調速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）。如圖2-2，V

26、T是晶閘管可控整流器，通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調速。和旋轉變</p><p>　　的散熱條件。另外，由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，因此必須添置無功補償和諧波濾波裝置。</p><p>　　圖2-2晶閘管可控整流器供電的直流調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）</p><p>　　2.1.3 直流

27、斬波器或脈寬調速</p><p>　　圖2-3直流斬波器—電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形</p><p>　　2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小。</p><p>　　3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬。</p><p>　　4）若與快速響應的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗繞能力強。</p>

28、<p>　　5）開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而</p><p>　　全取代了V—M系統(tǒng)。</p><p>　　2.2電機基本調速方法</p><p>　　由電機學基本理論可知，直流電動機轉速特性方程式為</p><p>　　Φ—勵磁磁通（Wb）；</p><p>

29、;　　—由電機結構決定的電動勢常數(shù)；</p><p>　　由上式可見，直流電動機調速方案可有以下三種。</p><p>　　2.2.1電樞串電阻調速</p><p>　　圖2-4調阻調速特性曲線</p><p><b>　　如</b></p><p>　　圍窄，不能實現(xiàn)無級平滑調速，只用于一些要求

30、不高的場合。</p><p><b>　　2.2.2弱磁調速</b></p><p>　　圖2-5磁調速特性曲線</p><p><b>　　普</b></p><p>　　也增大。弱磁調速雖然能實現(xiàn)平滑調速，但其調速范圍太小，特性較軟，因而只是在額定轉速以上作小范圍升速時才采用。</p>

31、;<p><b>　　2.2.3調壓調速</b></p><p>　　圖2-6調壓調速特性曲線</p><p>　　如圖2-6，額定勵磁保持不變，理想空載轉速隨U減小而減小，各特性線斜率不變，由此可</p><p>　　動系統(tǒng)中被廣泛采用。</p><p>　　2.3轉速控制的要求和調速指標</p&g

32、t;<p>　　對于調速系統(tǒng)轉速控制的要求有以下三個方面：</p><p><b>　　調速</b></p><p>　　備要求加、減速盡量快，以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。</p><p><b>　　為了進行定</b></p><p><b&

33、gt;　　（2-2）</b></p><p>　　2）靜差率：負載由理想空載增加到額定值時，對應的轉速降落，與理想空載轉速之比，稱作靜差率，即</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　一般調壓調速系統(tǒng)在不同轉速下的機械特性是互相平行的 。對于同樣硬度的特性，理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的相對穩(wěn)定度

34、也就越差。對于同一個調速系統(tǒng)，</p><p>　　項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義，一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍。</p><p>　　2.4 閉環(huán)調速系統(tǒng)</p><p>　　2.4.1 單閉環(huán)調速系統(tǒng)</p><p>　　根據自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調量的偏差進行控制的系

35、統(tǒng)，只要被調量出現(xiàn)偏差</p><p>　　圖2-7a 轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖</p><p>　　將給定量和擾動量看成兩個獨立的輸入量，只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　它相當于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反

36、饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)的乘積。電動機環(huán)節(jié)放大系數(shù)為：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)：</p><p><b>　　圖2-7c =0時</b></p><p><b>　?。?-7）</b&g

37、t;</p><p>　　由于已認為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來即得系統(tǒng)的靜特性方程式：</p><p>　　如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　而閉環(huán)時的靜特性可寫成</p><p><b>　?。?-1

38、0）</b></p><p>　　其中和分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉速，和分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　按理想空載轉速相同的情況比較，則 = 時：</p><p><b>　　（2-16）</b></

39、p><p><b>　　如</b></p><p>　　調制的輸出電壓，使系統(tǒng)工作在新的機械特性上，因而轉速有所回升，速度降落降低。由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在于它的自動調節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降。</p><p>　　圖2-8 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關系</p>

40、<p>　　2.4.2 轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)</p><p>　　2.4.2.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性</p><p>　　圖2-11雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性</p><p>　?。ǘ┺D速調節(jié)器飽和</p><p>　　這時，ASR 輸出達到限幅值，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一

41、個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時</p><p>　　兩段實際上都略有很小的靜差，如圖2-11中虛線所示。</p><p>　　2.4.2.2 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算</p><p>　　雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關系： 為ASR的輸出限幅值。</p><p>　　2.4.2.3 雙閉環(huán)直流

42、調速系統(tǒng)的啟動過程分析</p><p>　　設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調速系</p><p>　　看作為是一個準時間最優(yōu)控制。</p><p>　　2.4.2.4 轉速和電流兩個調節(jié)器的作用</p><p>　　轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器在雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下：</p>

43、;<p><b>　　1</b></p><p>　　時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動回復正常。</p><p>　　第三章 調速系統(tǒng)的直流脈寬調制</p><p>　　PWM(Pulse Width Modulation)控制就是脈寬調制技術：即通過對一系列脈沖的寬度進行</p&

44、gt;<p>　　路和數(shù)字式PWM控制電路。</p><p>　　3.1 PWM控制技術</p><p>　　3.1.1 模擬式PWM控制</p><p>　　圖3-1 PWM控制電路原理</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　式中——控制信號的最大值。

45、</p><p>　　a b c</p><p>　　圖3-2 鋸齒波脈寬調制波形圖</p><p>　　圖3-3 PWM控制負載的波形圖</p><p>　　PWM信號加到主控電路的開關管V1的基極時，負載兩端電壓的波形如圖3-3所示。顯然，通過PWM控制改

46、變開關管在一個開關周期T內的導通時間τ的長短，就可實現(xiàn)對兩端平均電壓大小的控制。</p><p>　　3.1.2 數(shù)字式PWM控制</p><p>　　數(shù)字式PWM調制電路主要由計數(shù)器和數(shù)字比較器或由定時電路和觸發(fā)器構成。數(shù)字式</p><p>　　圖3-4 計數(shù)器和數(shù)字比較器組成的數(shù)字脈寬調制器的波形圖</p><p>　　3.2 PWM變

47、換器</p><p>　　PWM變換器作用是：用PWM控制電路的輸出波形信號，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度不可逆與可逆兩大類。</p><p>　　3.2.1 簡單的不可逆PWM變換器</p><p>　　簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)主電路原理圖如圖3-5所示，功率開關器件可以是任意一種全控型開關器件，這樣的電路又稱直流降壓斬波器。</

48、p><p>　　a 電路原理圖 b 電流和電壓波形</p><p>　　圖3-5 簡單不可逆PWM控制電路及其波形</p><p>　　圖3-5a所示為一個簡單的不可逆PWM控制變換電路原理圖。電源電壓E通常由交流</p><p>　　圖3-5b為穩(wěn)態(tài)時電樞端電壓、電樞平均電壓和電樞電流的波形?？?/p>

49、見，穩(wěn)態(tài)電流是</p><p>　　3.2.2 制動不可逆PWM變換器</p><p>　　圖3-6a所示為具有制動狀態(tài)的不可逆PWM變換器。它由兩個功率晶體管、和兩個二極管、組成。是起調制作用的主控管，是輔助管。來自脈寬調制電路的兩個極性相反的脈沖電壓、分別作用到、的基極?？刂齐娐饭ぷ髟陔妱訝顟B(tài)時的電壓、電能耗制動作用。因此，在制動狀態(tài)中，和輪流導通，而始終是關斷的，此時的電壓和電流波形

50、示于圖3-6c。</p><p>　　a b</p><p>　　c d</p><p>　　a 電路原理圖 b電動狀態(tài)電壓和電流波形</p><p>

51、　　c 制動狀態(tài)電壓和電流波形 d 電動和制動交替狀態(tài)電流波形</p><p>　　圖3-6 制動不可逆PWM變換器及其波形</p><p>　　有一種特殊情況，即輕載電動狀態(tài)，這時平均電流較小，以致在關斷后經續(xù)流時，還沒有到達周期T ，電流已經衰減到零，此時，因而兩端電壓也降為零，便提前導通了，使電流方向變動，產生局部時間的制動作用。輕載電動狀態(tài)，一個周期分成四個階段：&l

52、t;/p><p>　　出波形見圖3-6d。綜上所述，具有制動回路的不可逆PWM變換器的電樞電流始終是連續(xù)的。</p><p>　　3.2.3 H型雙極式PWM變換器</p><p>　　圖3-7為H型雙極式PWM變換器，它由四個大功率晶體管和四個續(xù)流二極管組成。四個大功率管分為兩組，和為一組，和為另一組。在基極驅動信號=，==-的作用下，同一組中的兩個晶體管同時導通或同

53、時關斷，兩組晶體管之</p><p><b>　　因此，PWM變換器</b></p><p>　　a 電路原理圖 b 電壓電流波形</p><p>　　圖3-7 H型雙極式PWM變換器及其波形</p><p>　　雙極式控制可逆PWM </p>&

54、lt;p>　?。?）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；</p><p>　?。?）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍可達1:20000左右；</p><p>　　（5）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利保證器件的可靠導通。</p><p>　　第四章 PWM直流電動機調速系統(tǒng)的設計</p><p>　　4.1 PWM-M直流調

55、速系統(tǒng)的控制電路</p><p>　　電力晶體管構成的PWM變換器是調速系統(tǒng)的主電路，是對已有的PWM波形的電壓信號進行功率放大，并不改變信號的PWM波性質。而PWM電壓波形的產生、分配則是P</p><p>　　制器UPW、調制波發(fā)生器GM、邏輯延時環(huán)節(jié)DLD和電力晶體管的基極驅動器GD。</p><p>　　圖4-1 雙閉環(huán)控制的脈寬調速系統(tǒng)原理框圖</

56、p><p><b>　　1．鋸齒</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　3）多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的脈寬調制器；</p><p>　　4）數(shù)字式脈寬調制體管還未完全關斷，如果此時另一個晶體管已經導通，則將造成上下兩管直通，從而使電源短路。為了避免發(fā)生這種情況，應設置一

57、個邏輯延時環(huán)節(jié)，保證在對一個管子發(fā)出關閉脈沖后，延時一段時間再發(fā)出對另一個管子的開通脈沖，避免兩個晶體管同時導通。</p><p>　　3．限流保護環(huán)節(jié)（ＦＡ）</p><p>　　在邏輯延時環(huán)沖信號進行功率放大，以驅動主電路的電力晶體管，每個晶體管應有獨立的基極驅動電路。為了確保晶體管在開通時能迅速達</p><p><b>　　。</b>&

58、lt;/p><p>　　4.2 系統(tǒng)設計方案的選擇</p><p>　　4.2.1主電路供電方案選擇</p><p><b>　　圖4-2</b></p><p>　　同時對感性負載的無功功率起儲能緩沖作用。</p><p>　　圖4-2直流電源設計原理圖</p><p>　　

59、圖4-3 三相橋式不控整流電路原理圖</p><p>　　對于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當電機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作</p><p>　　，可以采用圖4-4中的鎮(zhèn)流電阻來消耗掉部分動能。分流電路靠開關器件在泵升電壓達到允許數(shù)值時接通。</p><p>　　本設計由于采用MATLAB/Simulink仿真平臺進行電路仿真，MATLAB模型庫中的

60、電力系統(tǒng)模型庫(Power System Blockset)里提供了直流、交流電源模塊，因此在仿真電路設計中，可直接用直流電源代替三相不控整流直流電源。</p><p>　　圖4-4泵升電壓限制電路原理圖</p><p>　　4.2.2主電路形式的選擇</p><p><b>　　脈寬調</b></p><p>　　變換

61、器，構成可逆直流脈寬調速系統(tǒng)。</p><p>　　H橋雙極式可逆變換器的原理圖見圖4-5，其輸出波形如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-5 雙極式可逆變換器的控制原理圖</p><p>　　圖4-6 可逆雙極式變換器工作各參數(shù)波形</p><p>　　調速時， 的可調范圍為0~1， –1<<+1。</p>

62、<p>　　當 >0.5時，為正，電機正轉；</p><p>　　當 <0.5時，為負，電機反轉；</p><p><b>　　當 = </b></p><p>　　圖4-7 直流脈寬調速系統(tǒng)主電路原理圖</p><p>　　4.2.3控制電路方案的選擇</p><p>

63、　　為了使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)、靜態(tài)性能，本次設計的調速系統(tǒng)采用轉速、電流雙閉環(huán)控制方案，系統(tǒng)的靜特性很硬，基本上無靜差，啟動時間短，動態(tài)響應快； 系統(tǒng)的抗干擾能力強；  應用廣泛（在自動調速系統(tǒng)中）。 進一步改善系統(tǒng)的調速性能， 大大提高系統(tǒng)</p><p>　　故稱雙閉環(huán)）。其中一個是由電流調節(jié)器ACR和電流檢測—反饋環(huán)節(jié)構成的電流環(huán)，另一個是由速度調</

64、p><p>　　作用。只要轉速環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)足夠大，最后仍能靠ASR的積分作用，消除轉速偏差。</p><p>　　圖4-8 PWM可逆直流調速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　4.3 直流脈寬調速系統(tǒng)的MATLAB仿真</p><p><b>　　4.3.1 引言</b></p><p>　　控制

65、系統(tǒng)的計算機仿真是一門涉及到控制理論、計算數(shù)學與計算機技術的綜合性新型學科，它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學模型為基礎，以計算機為工具，對系統(tǒng)進行實驗研究的一種方法。系統(tǒng)仿真就是用模型（即物理模型或數(shù)學模型）代替實際系統(tǒng)進行實驗和研究，而計算機仿真使用MATLAB的Simulink工具箱對其進行計算機仿真研究。</p><p>　　4.3.2雙閉環(huán)控制的脈寬調速系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　雙閉

66、環(huán)控制的脈寬調速系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示，圖4-9是采用面向雙閉環(huán)控制脈寬調速系統(tǒng)原理結構圖構作的直流脈寬調速系統(tǒng)的仿真模型。</p><p>　　圖4-9 雙閉環(huán)直流脈寬調速系統(tǒng)仿真模型圖</p><p>　　1．主電路建模和參數(shù)設置：</p><p>　　由圖4-9可見，主電路由直流電源、IGBT逆變器橋、直流電動機等部分組成。</p><

67、;p><b>　　直流</b></p><p><b>　　受PWM信</b></p><p>　　device”選擇為“MOSFET/Diodes”即可。</p><p>　　圖4-10 “Universal Bridge”對話框參數(shù)設置</p><p>　　圖4-11 直流電動機的參數(shù)設

68、置</p><p>　　直流電動機的建模和參數(shù)設置：首先從電機系統(tǒng)模塊中選取“DC Machine”模塊，電動機的勵磁</p><p>　　環(huán)節(jié)、轉速調節(jié)器ASR、電流調節(jié)器ACR，速度、電流反饋環(huán)節(jié)、PWM信號發(fā)生器等。其中，轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器各封裝在子模塊中，里面包含PI調節(jié)，限幅值等。</p><p>　　1）給定電壓環(huán)節(jié)：改變給定電壓即可改變電動機的轉速

69、，從sources模塊組中選取兩個模塊“constant”，可先設定其一參數(shù)為10，另一參數(shù)設為-10，作為給定環(huán)節(jié)，可正負切換給定值，使電動機能夠正轉和反轉。</p><p><b>　　2）轉</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中：-比例系數(shù)，-積分系數(shù)，</p>

70、<p><b>　　考</b></p><p>　　通過分析，轉速、電流調節(jié)器的各參數(shù)如圖所示。其中ASR、ACR的限幅值均設定為[-10,10]。</p><p>　　a 轉速調節(jié)器ASR</p><p><b>　　b電流調節(jié)器ACR</b></p><p>　　圖4-12 轉速、

71、電流PI調節(jié)器的各參數(shù)設定</p><p>　　3）轉速、電流反饋環(huán)節(jié)：在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉速是由給定電壓決定的，設定轉速反饋系數(shù)為0.00417，由式，可首先估算出經放大后的轉速的值，通過</p><p><b>　　示。</b></p><p>　　4.3.3 系統(tǒng)的仿真、仿真結果的輸出及結果分析</p><p>&l

72、t;b>　　當建</b></p><p>　　及勵磁電流的波形曲線。</p><p>　　圖4-13 調速系統(tǒng)勵磁電流的波形 圖4-14 起動時的電流波形（正轉）</p><p>　　a（正轉） b（反轉）</p><p>　　圖4-15 脈寬調速系統(tǒng)轉速

73、仿真波形</p><p>　　a（正轉） b（反轉）</p><p>　　圖4-16 脈寬調速系統(tǒng)電流仿真波形</p><p>　　a （正轉） b （反轉）</p><p>　　圖4-17 脈寬調速系統(tǒng)轉矩仿真波形</p&g

74、t;<p><b>　　1、從仿</b></p><p>　　能突變，而是在最短時間內迅速達到允許的最大值。</p><p>　　3、采用了轉速、電流雙閉環(huán)控制電路，轉速從零開始到穩(wěn)定轉速的過渡，所需時間短，起到了快速起動的作用，如圖4-18所示，到達穩(wěn)定轉速時間約為1s。</p><p>　　圖4-18 轉速的過渡過程<

75、/p><p>　　4、系統(tǒng)實現(xiàn)了正反轉運行，當給定電壓環(huán)節(jié)從+10撥向-10時，電機便實現(xiàn)反轉，其轉</p><p>　　給定值=6及=4時的轉速波形。</p><p>　　a 轉速（=6） b轉速（=4）</p><p>　　圖4-19 改變后的轉速仿真波形</p><p>&

76、lt;b>　　總結</b></p><p>　　本文主要利用MATLAB對轉速、電流雙閉環(huán)直流脈寬調速系統(tǒng)的設計進行仿真和調試。在此基礎上，本文首先對直流電機調速的狀況進行介紹，介紹了在幾種直流調速系統(tǒng)（如旋轉變流機組、可控晶閘管整流器、脈寬調速等），基于脈寬調速以往調速系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點，本設計采用直流脈寬對主電路進行控制。</p><p>　　本設計中，調速是系統(tǒng)的主要

77、功能，通過研究直流電動機的機械特性，得出了幾種常見的改變轉速的方法，因調壓調速可實現(xiàn)額定轉速以下大范圍平滑調速，并且在整個調速范圍內機械特性硬度不變。這種方法在直流電力拖動系統(tǒng)中被廣泛采用。為了使系統(tǒng)能保證穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差，且能夠快速起制動，重點介紹了轉速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。轉速負反饋得到的反饋電壓，與給定值進行比較后，產生了頻率一定，占空比可調的脈寬序列，并通過功率放大后，對主電路變換器的電力電子元件的導通和關斷進行驅動控

78、制，從而改變電動機的轉速，本設計，為了實現(xiàn)PWM控制，介紹了PWM調制技術的原理，并對PWM變換器進行了詳細介紹，為了使系統(tǒng)能正反轉運行，主電路采用雙極式橋式變換器。</p><p>　　最后，通過計算機仿真軟件MATLAB對系統(tǒng)進行了仿真，通過對波形的分析驗證了轉速、電流雙閉環(huán)脈寬調速系統(tǒng)的優(yōu)點。</p><p>　　通過本次設計，加強了我對知識的掌握，使我對設計過程有了全面地了解。通過

79、學習控制系統(tǒng)工作原理以及如何利用仿真軟件進行仿真，我查閱了大量相關資料，學會了許多知識，培養(yǎng)了我獨立解決問題的能力。同時在對電路設計的過程中，鞏固了我的專業(yè)課知識，使自己受益匪淺。</p><p>　　總之，通過本次設計不僅進一步強化了專業(yè)知識，還掌握了設計系統(tǒng)的方法、步驟等，為今后的工作和學習打下了堅實的基礎。</p><p><b>　　參考文獻</b></

80、p><p>　　[1]陳伯時，電力拖動自動控制系統(tǒng)。機械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[2]洪乃剛，電力電子技術基礎。清華大學出版社，2008</p><p>　　[3]周深淵，交直流調速系統(tǒng)與MATLAB仿真。中國電力出版社，2007</p><p>　　[4]陳因，電力電子技術實訓教程。重慶大學出版社，2007</p>

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83、 of Pulse-Width Modulation Techniques for Brushless DC Motor Drives”,Department of Electrical Engineering,National Taipei University of Technology</p><p>　　[12]HOWARD F.WEBER,”Pulse-Width Modulation DC Motor

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85、el loss reduction pulse-width modulation technique for brushless DC motor drives fed by MOSFET inverter”, IEEE Trans. on Power Electronics,2004</p><p>　　[15] Y. S. Lai, “Control technique for brushless DC mo

86、tor drives,” J. of Electrical Monthly, Vol. 169, pp. 234-241, Nov., 2004.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　大學生活即將結束，為期一個學期的畢業(yè)設計也接近尾聲。此次畢業(yè)設計的完成，凝聚著許多人的關懷和幫助。首先要感謝我的指導教師xx在設計上的嚴格要求，感謝xx教

87、授在專業(yè)知識上的悉心指導，思想、學習和生活等各個方面的典范作用，在系統(tǒng)設計和調試過程中給予的很大的幫助。使我的本科學業(yè)得以順利完成，并激勵著我在今后的人生道路上不斷開拓進取，勇往直前。在此，我再一次對方老師和洪教授的培養(yǎng)和關懷表示誠摯的謝意！</p><p>　　感謝其他任課老師們，他們不但在大學四年中指導我們學習和生活，而且在完成論文期間給我許多幫助和建議，他們兢兢業(yè)業(yè)、對工作認真負責的態(tài)度為我做出了好的表率，