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毕业设计(论文)-基于PWM控制的直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真1 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 摘 要 在电力拖动系统中，调节电压的直流调速是应用最广泛的一种调速方法，除了利用晶闸管整流器获得可调直流电压外，还可利用其它电力电子元件的可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变，大小可调的直流电压，用以实现直流电动机电枢两端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统，随着电力电子器件的迅速发展，采用门极可关断晶体管GTO、全控电力晶体管GTR、P-MOSFET、绝缘栅晶体管IGBT等一些大功率全控型器件组成的晶体管脉冲调宽型开关放大器（Pulse Width Modulated）,已逐步发展成熟，用途越来越广。本文主要讨论了直流调速系统的基本概念，在此基础上系统地介绍了转速负反馈单闭环调速系统，转速电流负反馈双闭环调速系统的组成，工作原理，脉宽调速系统的原理和控制方法，介绍了直流脉宽调速系统的控制电路和系统构成。最后应用MATLAB的Simulink，采用面向电气原理结构图的仿真技术，对直流脉宽调速系统进行了仿真分析。 关键词：调速，PWM控制，直流电动机，仿真 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 Abstract In the electric drive system, The DC Driving System which adjusts voltage 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 modulation 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 control system. With the rapid development of the electronic devices,The transistor-type pulse-width-modulated switching amplifier which composed of GTO, GTR, P-MOSFET, IGBT, such as these High-power- full-controlled devices, had been gradually developed,and became widly used. In this paper, it primarily elaboraring the basic concepts of the DC motor speed control system. On this basis it systematic introductes the single-closed-loop negative feedback speed control system.The composition of the current-speed two-closed-loop negative feedback speed control system., working principle,and the theory and control method of the PWM speed control system.It introduces the control circuit and the system components of the PWM speed control system of the DC motor . Finally,with the MATLAB-Simulink, it use the simulation technique for the electric principle chart,to make the simulation analysis for the PWM speed control system of the DC motor. Key words: speed regulation, PWM control, DC motor, simulation 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 目 录 第一章 引言 1.1 直流调速系统简介.5 1.2 PWM直流调速的研究背景和发展状况.5 1.3 本设计的主要内容.6 第二章 直流电机调速系统 2.1 直流电机调速系统的概述.7 2.1.1 旋转变流机组直流电机调速系统7 2.1.2 静止式可控整流器调速系统7 2.1.3 直流斩波器或脉宽调速 .8 2.2 电机基本调速方法.9 2.2.1 电枢串电阻调速9 2.2.2 弱磁调速9 2.2.3 调压调速.10 2.3 转速控制的要求和调速指标.10 2.4 闭环直流调速系统.11 2.4.1单闭环直流调速系统.11 2.4.2 转速电流双闭环调速系统.14 2.4.2.1 双闭环系统的稳态结构图和静特性.16 2.4.2.2 各变量的稳态工作点和稳态参数计算.17 2.4.2.3 双闭环直流调速系统的启动过程分析.18 2.4.2.4 转速和电流两个调节器的作用.20 第三章 PWM调制技术与PWM变换器 3.1 PWM调制技术 .21 3.1.1 模拟式PWM控制.21 3.1.2 数字式PWM控制.22 3.2 PWM变换器23 3.2.1 简单的不可逆PWM变换器.23 3.2.2 制动不可逆PWM变换器.24 3.2.3 H型双极式PWM变换器.26 第四章 PWM直流电动机调速系统的设计 4.1 PWM-M直流调速系统的控制电路.28 4.2 系统设计方案的选择.29 4.2.1主电路供电方案选择.29 4.2.2主电路形式的选择.30 4.2.3控制电路方案的选择.32 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 4.3 直流脉宽调速系统的MATLAB仿真.33 4.3.1 引言.33 4.3.2双闭环控制的脉宽调速系统的仿真模型.33 4.3.3 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析.36 总结.39 参考文献.40 致谢.41 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第一章 引言 1.1 直流调速系统简介 调速系统包括直流调速系统和交流调速系统两大类。由于直流电动机的电压、电流和磁通之间的耦合较弱，使直流电动机具有良好的机械特性，能够在大范围内平滑调速，启动、制动性能良好，故其在20世纪70年代以前一直在高精度、大调速范围的传动领域内占据主导地位。但随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向 从20世纪80年代起，在电气传动自动化领域中出现了一个革命性的变化，这就是交流电动机调速技术取得了突破性进展。众所供 1.2 PWM直流调速的研究背景和发展状况 有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。 控制技术已居世界先进水平。但由于造价较高，目前在国内应用局限性较大，在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。相对而言，PWM直流调速系统主电路线路简单，功率元件少，开关频率高，其控制水平从1000Hz可达到4000Hz，电机电流连续，低速性能好，谐波少，稳态精度高，脉动小，损耗和发热都较小，调速范围宽，调速系统频带宽，快速响应性好，动态抗扰能力强。 直流电机脉冲宽度调制调速系统产生于70年代中期.最早用于不可逆、小功率驱动,例如自动跟 步研究，在调速精度要求较高的场合，对解决传统直流调速系统调速精度低、稳定性差的难题，具有广泛的意义和价值。 1.3本设计的主要内容 本文共分为四章，主要针对直流调速系统的PWM控制进行相关研究。第一章主 要概述了直流电机调速系统的研究背景与发展现状；第二章介绍了直流电机调速系统的理论基础，简要介绍了调速的原理和结构；第三章介绍了脉宽调制原理及对目前常用的各种PWM变换器进行了分析；第四章对基于PWM控制技术的直流电机调速系统进行了设计，并运用计算机软件对其进行了仿真研究；最后对全文进行了总结。 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第二章 直流电机调速系统 2.1直流电机调速系统的概述 直流电动机调速系统经历不同的三个阶段： 2.1.1旋转变流机组直流电机调速系统 如图2-1，旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统）由交流电动机（异步机或同步机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要的直流电动机M供电，调节G的励磁电流if即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这种调速系统在60年代曾广泛使用，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便。 图2-1旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统） 2.1.2静止式可控整流器调速系统 自从晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）。如图2-2，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制UU电压c来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压d，从而实现平滑调速。和旋转变 的散热条件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。 图2-2晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统） 2.1.3 直流斩波器或脉宽调速 图2-3直流斩波器电动机系统的原理图和电压波形 2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。 3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。 4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗绕能力强。 5）开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而 全取代了VM系统。 2.2电机基本调速方法 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 由电机学基本理论可知，直流电动机转速特性方程式为 励磁磁通（Wb）； Ke由电机结构决定的电动势常数； 由上式可见，直流电动机调速方案可有以下三种。 2.2.1电枢串电阻调速 图2-4调阻调速特性曲线 如 围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求不高的场合。 2.2.2弱磁调速 图2-5磁调速特性曲线 普 也增大。弱磁调速虽然能实现平滑调速，但其调速范围太小，特性较软，因而只 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 是在额定转速以上作小范围升速时才采用。 2.2.3调压调速 图2-6调压调速特性曲线 如图2-6，额定励磁保持不变，理想空载转速n0随U减小而减小，各特性线斜率不变，由此可 动系统中被广泛采用。 2.3转速控制的要求和调速指标 对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面： 1）调速 2）备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。 为了进行定 nmax （2-2） nmin2）静差率：负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落?nN，与理想空 D?载转速n0之比，称作静差率s，即 s?nN n0 （2-3） 一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的 。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。对于同一个调速系统， 项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义，一个调速系统的调速范围，是 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。 2.4 闭环调速系统 2.4.1 单闭环调速系统 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 图2-7a 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图 将给定量和扰动量看成两个独立的输入量，只考虑给定作用时的闭环系统： K?KpKs?Ce （2-5） 它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。电动机环节放大系数为： Ce?E n（2-6） 只考虑扰动作用时的闭环系统： ?图2-7c Un=0时 n?RId Ce(1?K)（2-7） 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 由于已认为系统是线性的，可以把二者叠加起来即得系统的静特性方程式： 如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为 * Ud0?IdRKpKsUnRIdn?n0p?n0p CeCeCe （2-9） 而闭环时的静特性可写成 * Ud0?IdRKpKsUnRIdn?n0cl?ncl Ce(1?K)Ce(1?K)Ce(1?K) （2-10） 其中n0p和n0cl分别表示开环和闭环系统的理想空载转速，?nop和?ncl分别表示开环和闭环系统的稳态速降。 ?ncl （2-15） n0cl 按理想空载转速相同的情况比较，则n0op =n0cl 时： scl? scl? sop1?K （2-16） 如 调制的输出电压Ud，使系统工作在新的机械特性上，因而转速有所回升，速度降落降低。由此看来，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。 图2-8 闭环系统静特性和开环机械特性的关系 2.4.2 转速电流双闭环调速系统 2.4.2.1 双闭环系统的稳态结构图和静特性 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 图2-11双闭环直流调速系统的静特性 （二）转速调节器饱和 ?这时，ASR 输出达到限幅值Uim，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时 两段实际上都略有很小的静差，如图2-11中虚线所示。 2.4.2.2 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关?系： Uim为ASR的输出限幅值。 2.4.2.3 双闭环直流调速系统的启动过程分析 设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系 看作为是一个准时间最优控制。 2.4.2.4 转速和电流两个调节器的作用 转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下： 1 时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动回复正常。 第三章 调速系统的直流脉宽调制 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 路和数字式PWM控制电路。 3.1 PWM控制技术 3.1.1 模拟式PWM控制 图3-1 PWM控制电路原理 （3-1） 式中ukm控制信号uk的最大值。 a b c 图3-2 锯齿波脉宽调制波形图 图3-3 PWM控制负载的波形图 PWM信号加到主控电路的开关管V1的基极时，负载RL两端电压uL的波形如图3-3所示。显然，通过PWM控制改变开关管在一个开关周期T内的导通时间的长短，就可实现对RL两端平均电压uL大小的控制。 3.1.2 数字式PWM控制 数字式PWM调制电路主要由计数器和数字比较器或由定时电路和触发器构成。数字式 图3-4 计数器和数字比较器组成的数字脉宽调制器的波形图 3.2 PWM变换器 PWM变换器作用是：用PWM控制电路的输出波形信号，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度不可逆与可逆两大类。 3.2.1 简单的不可逆PWM变换器 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如图3-5所示，功率开 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压斩波器。 a 电路原理图 b 电流和电压波形 图3-5 简单不可逆PWM控制电路及其波形 图3-5a所示为一个简单的不可逆PWM控制变换电路原理图。电源电压E通常由交流 ia的波形。可见，图3-5b为稳态时电枢端电压ua 稳态电流ia是 3.2.2 制动不可逆PWM变换器 V2图3-6a所示为具有制动状态的不可逆PWM变换器。它由两个功率晶体管V1、 和两个二极管VD1、VD2组成。V1是起调制作用的主控管，V2是辅助管。来自脉宽调制电路的两个极性相反的脉冲电压ub1、ub2分别作用到V1、V2的基极。控制电路工作在电动状态时的电压、电能耗制动作用。因此，在制动状态中，V2和VD1轮流导通， 而V1始终是关断的，此时的电压和电流波形示于图3-6c。 a b c d a 电路原理图 b电动状态电压和电流波形 c 制动状态电压和电流波形 d 电动和制动交替状态电流波形 图3-6 制动不可逆PWM变换器及其波形 有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期T ，电流已经衰减到零，此时，因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。轻载电动状态，一个周期分成四个阶段： 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 出波形见图3-6d。综上所述，具有制动回路的不可逆PWM变换器的电枢电流始终是连续的。 3.2.3 H型双极式PWM变换器 图3-7为H型双极式PWM变换器，它由四个大功率晶体管和四个续流二极管组成。四个大功率管分为两组，V1和V4为一组，V2和V3为另一组。在基极驱动信号ub1=ub4，ub2=ub3=-ub1的作用下，同一组中的两个晶体管同时导通或同时关断，两组晶体管之 因此，PWM变换器 a 电路原理图 b 电压电流波形 图3-7 H型双极式PWM变换器及其波形 双极式控制可逆PWM （3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区； （4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右； （5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利保证器件的可靠导通。 第四章 PWM直流电动机调速系统的设计 4.1 PWM-M直流调速系统的控制电路 电力晶体管构成的PWM变换器是调速系统的主电路，是对已有的PWM波形的电压信号进行功率放大，并不改变信号的PWM波性质。而PWM电压波形的产生、分配则是P 制器UPW、调制波发生器GM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管的基极驱动器GD。 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 图4-1 双闭环控制的脉宽调速系统原理框图 1锯齿 ； 3）多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器； 4）数字式脉宽调制体管还未完全关断，如果此时另一个晶体管已经导通，则将造成上下两管直通，从而使电源短路。为了避免发生这种情况，应设置一个逻辑延时环节，保证在对一个管子发出关闭脉冲后，延时一段时间再发出对另一个管子的开通脉冲，避免两个晶体管同时导通。 3限流保护环节（） 在逻辑延时环冲信号进行功率放大，以驱动主电路的电力晶体管，每个晶体管应有独立的基极驱动电路。为了确保晶体管在开通时能迅速达 。 4.2 系统设计方案的选择 4.2.1主电路供电方案选择 图4-2 同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。 图4-2直流电源设计原理图 图4-3 三相桥式不控整流电路原理图 对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 ，可以采用图4-4中的镇流电阻Rb来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件VTb在泵升电压达到允许数值时接通。 本设计由于采用MATLAB/Simulink仿真平台进行电路仿真，MATLAB模型库中的电力系统模型库(Power System Blockset)里提供了直流、交流电源模块，因此在仿真电路设计中，可直接用直流电源代替三相不控整流直流电源。 图4-4泵升电压限制电路原理图 4.2.2主电路形式的选择 脉宽调 变换器，构成可逆直流脉宽调速系统。 H桥双极式可逆变换器的原理图见图4-5，其输出波形如图4-6所示。 图4-5 双极式可逆变换器的控制原理图 图4-6 可逆双极式变换器工作各参数波形 调速时， ?的可调范围为01， 1<?<+1。 当? >0.5时，?为正，电机正转； 当? <0.5时，?为负，电机反转； 当? = 图4-7 直流脉宽调速系统主电路原理图 4.2.3控制电路方案的选择 为了使系统具有较好的动态、静态性能，本次设计的调速系统采用转速、电流双闭环控制方案，系统的静特性很硬，基本上无静差，启动时间短，动态响应快； 系统的抗干扰能力强； 应用广泛（在自动调速系统中）。 进一步改善系统的调速性能， 大 大提高系统 故称双闭环）。其中一个是由电流调节器ACR和电流检测反馈环节构成的电流环，另一个是由速度调 作用。只要转速环的开环放大倍数足够大，最后仍能靠ASR的积分作用，消除 共 25 页 装 订 线 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 转速偏差。 图4-8 PWM可逆直流调速系统原理图 4.3 直流脉宽调速系统的MATLAB仿真