畢業(yè)論文-基于pwm控制的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及matlab仿真

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在電力拖動系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)電壓的直流調(diào)速是應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法，除了利用晶閘管整流器獲得可調(diào)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(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成極性可變，大小可調(diào)的直流電壓，用以實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)電樞兩端電壓的平滑調(diào)節(jié)，構(gòu)成直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，采用門極可關(guān)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(diào)寬型開關(guān)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(diào)速系統(tǒng)的基本概念，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地介紹了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速電流負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，工作原理，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理和控制方法，介紹了直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路和系統(tǒng)構(gòu)成。最后應(yīng)用MATLAB的Simulink

3、，采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真技術(shù)，對直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：調(diào)速，PWM控制，直流電動機(jī)，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(diào)速系統(tǒng)簡介…………………………………

7、………………………………..5</p><p>　　1.2 PWM直流調(diào)速的研究背景和發(fā)展?fàn)顩r…………………………………………….5</p><p>　　1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容…………………………………………………………………..6</p><p>　　第二章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) </p><p>　　2.1 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的概述……………

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

9、<p>　　2.2 電機(jī)基本調(diào)速方法…………………………………………………………………...9</p><p>　　2.2.1 電樞串電阻調(diào)速…………………………………………………………………9</p><p>　　2.2.2 弱磁調(diào)速…………………………………………………………………………9</p><p>　　2.2.3 調(diào)壓調(diào)速………………………

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

11、t;<p>　　2.4.2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)……………………………………………………..14</p><p>　　2.4.2.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性……………………………………….16</p><p>　　2.4.2.2 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算…………………………………….17</p><p>　　2.4.2.3 雙閉環(huán)直流

12、調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程分析…………………………………….18</p><p>　　2.4.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用…………………………………………….20</p><p>　　第三章 PWM調(diào)制技術(shù)與PWM變換器</p><p>　　3.1 PWM調(diào)制技術(shù)……………………………………………………………………...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(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 PWM-

15、M直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路………………………………………………...28</p><p>　　4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diào)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(diào)速系統(tǒng)的仿真模型……………………………………...33</p><p>　　4.3.3 系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析…………………………………..36</p><p>　　總結(jié)………………………………………………………………………………………..39</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………

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

19、之間的耦合較弱，使直流電動機(jī)具有良好的機(jī)械特性，能夠在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，啟動、制動性能良好，故其在20世紀(jì)70年代以前一直在高精度、大調(diào)速范圍的傳動領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。但隨著生產(chǎn)技術(shù)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(jì)80年代起，在電氣傳動自動化領(lǐng)域中出現(xiàn)了一個革命性的變化，這就是交流電動機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。眾所供</p><p>　

20、　1.2 PWM直流調(diào)速的研究背景和發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　有許多生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，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(yùn)行的特性，也就是說，需要可逆的調(diào)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(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。 </p><p>　　控制技術(shù)已居世界先進(jìn)水平。但由于造價(jià)較高，目前在國內(nèi)應(yīng)用局限性較大，在較

21、短的時(shí)間內(nèi)難以取代較為落后的直流調(diào)速。相對而言，PWM直流調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，功率元件少，開關(guān)頻率高，其控制水平從1000Hz可達(dá)到4000Hz，電機(jī)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(diào)速范圍寬，調(diào)速系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性好，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。</p><p>　　直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生于70年代中期.最早用于不可逆、小功率驅(qū)動,例如自動跟</p>&l

22、t;p>　　步研究，在調(diào)速精度要求較高的場合，對解決傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速精度低、穩(wěn)定性差的難題，具有廣泛的意義和價(jià)值。</p><p>　　1.3本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容</p><p>　　本文共分為四章，主要針對直流調(diào)速系統(tǒng)的PWM控制進(jìn)行相關(guān)研究。第一章主要概述了直流電機(jī)調(diào)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，簡要介紹了調(diào)速的原理和結(jié)構(gòu)；第三章介紹了脈寬調(diào)

23、制原理及對目前常用的各種PWM變換器進(jìn)行了分析；第四章對基于PWM控制技術(shù)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件對其進(jìn)行了仿真研究；最后對全文進(jìn)行了總結(jié)。</p><p>　　第二章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　2.1直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的概述</p><p>　　直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)歷不同的三個階段：</p><p>　　2

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

25、率低，安裝須打地基，運(yùn)行有噪聲，維護(hù)不方便。</p><p>　　圖2-1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）</p><p>　　2.1.2靜止式可控整流器調(diào)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(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，并應(yīng)用于直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)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(diào)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(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變</p><p>　　的散熱條件。另外，由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，因此必須添置無功補(bǔ)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(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）</p><p>　　2.1.3 直流

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

28、<p>　　5）開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而</p><p>　　全取代了V—M系統(tǒng)。</p><p>　　2.2電機(jī)基本調(diào)速方法</p><p>　　由電機(jī)學(xué)基本理論可知，直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速特性方程式為</p><p>　　Φ—勵磁磁通（Wb）；</p><p>

29、;　　—由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)；</p><p>　　由上式可見，直流電動機(jī)調(diào)速方案可有以下三種。</p><p>　　2.2.1電樞串電阻調(diào)速</p><p>　　圖2-4調(diào)阻調(diào)速特性曲線</p><p><b>　　如</b></p><p>　　圍窄，不能實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，只用于一些要求

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

31、;<p><b>　　2.2.3調(diào)壓調(diào)速</b></p><p>　　圖2-6調(diào)壓調(diào)速特性曲線</p><p>　　如圖2-6，額定勵磁保持不變，理想空載轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)</p&g

32、t;<p>　　對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個方面：</p><p><b>　　調(diào)速</b></p><p>　　備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。</p><p><b>　　為了進(jìn)行定</b></p><p><b&

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

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

35、統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差</p><p>　　圖2-7a 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　將給定量和擾動量看成兩個獨(dú)立的輸入量，只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　它相當(dāng)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(dú)的放大系數(shù)的乘積。電動機(jī)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(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)：</p><p><b>　　圖2-7c =0時(shí)</b></p><p><b>　?。?-7）</b&g

37、t;</p><p>　　由于已認(rèn)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(jī)械特性為</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成</p><p><b>　　（2-1

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(zhuǎn)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(zhuǎn)速相同的情況比較，則 = 時(shí)：</p><p><b>　?。?-16）</b></

39、p><p><b>　　如</b></p><p>　　調(diào)制的輸出電壓，使系統(tǒng)工作在新的機(jī)械特性上，因而轉(zhuǎn)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(shí)質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)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(jī)械特性的關(guān)系</p>

40、<p>　　2.4.2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　2.4.2.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性</p><p>　　圖2-11雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性</p><p>　?。ǘ┺D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和</p><p>　　這時(shí)，ASR 輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)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(shí)</p><p>　　兩段實(shí)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(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系： 為ASR的輸出限幅值。</p><p>　　2.4.2.3 雙閉環(huán)直流

42、調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程分析</p><p>　　設(shè)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(diào)速系</p><p>　　看作為是一個準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。</p><p>　　2.4.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)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(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動回復(fù)正常。</p><p>　　第三章 調(diào)速系統(tǒng)的直流脈寬調(diào)制</p><p>　　PWM(Pulse Width Modulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)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(shù)</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>　?。?-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(diào)制波形圖</p><p>　　圖3-3 PWM控制負(fù)載的波形圖</p><p>　　PWM信號加到主控電路的開關(guān)管V1的基極時(shí)，負(fù)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(guān)管在一個開關(guān)周期T內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間τ的長短，就可實(shí)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(diào)制電路主要由計(jì)數(shù)器和數(shù)字比較器或由定時(shí)電路和觸發(fā)器構(gòu)成。數(shù)字式</p><p>　　圖3-4 計(jì)數(shù)器和數(shù)字比較器組成的數(shù)字脈寬調(diào)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(diào)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(jī)系統(tǒng)主電路原理圖如圖3-5所示，功率開關(guān)器件可以是任意一種全控型開關(guān)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(shí)電樞端電壓、電樞平均電壓和電樞電流的波形。可

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(diào)制作用的主控管，是輔助管。來自脈寬調(diào)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(shí)的電壓、電能耗制動作用。因此，在制動狀態(tài)中，和輪流導(dǎo)通，而始終是關(guān)斷的，此時(shí)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(shí)平均電流較小，以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時(shí)，還沒有到達(dá)周期T ，電流已經(jīng)衰減到零，此時(shí)，因而兩端電壓也降為零，便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動，產(chǎn)生局部時(shí)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(qū)動信號=，==-的作用下，同一組中的兩個晶體管同時(shí)導(dǎo)通或同

53、時(shí)關(guān)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>　　（3）電機(jī)停止時(shí)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(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右；</p><p>　?。?）低速時(shí)，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利保證器件的可靠導(dǎo)通。</p><p>　　第四章 PWM直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 PWM-M直流調(diào)

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

56、p><p><b>　　1．鋸齒</b></p><p><b>　??；</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(diào)制器；</p><p>　　4）數(shù)字式脈寬調(diào)制體管還未完全關(guān)斷，如果此時(shí)另一個晶體管已經(jīng)導(dǎo)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(yīng)設(shè)置一

57、個邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)，保證在對一個管子發(fā)出關(guān)閉脈沖后，延時(shí)一段時(shí)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(shí)導(dǎo)通。</p><p>　　3．限流保護(hù)環(huán)節(jié)（ＦＡ）</p><p>　　在邏輯延時(shí)環(huán)沖信號進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動主電路的電力晶體管，每個晶體管應(yīng)有獨(dú)立的基極驅(qū)動電路。為了確保晶體管在開通時(shí)能迅速達(dá)</p><p><b>　　。</b>&

58、lt;/p><p>　　4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)對感性負(fù)載的無功功率起儲能緩沖作用。</p><p>　　圖4-2直流電源設(shè)計(jì)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(dāng)電機(jī)制動時(shí)吸收運(yùn)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(guān)器件在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通。</p><p>　　本設(shè)計(jì)由于采用MATLAB/Simulink仿真平臺進(jìn)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(shè)計(jì)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(diào)</b></p><p>　　變換

61、器，構(gòu)成可逆直流脈寬調(diào)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(diào)速時(shí)， 的可調(diào)范圍為0~1， –1<<+1。</p>

62、<p>　　當(dāng) >0.5時(shí)，為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；</p><p>　　當(dāng) <0.5時(shí)，為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；</p><p><b>　　當(dāng) = </b></p><p>　　圖4-7 直流脈寬調(diào)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(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)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(shí)間短，動態(tài)響應(yīng)快； 系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)；  應(yīng)用廣泛（在自動調(diào)速系統(tǒng)中）。 進(jìn)一步改善系統(tǒng)的調(diào)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(diào)節(jié)器ACR和電流檢測—反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的電流環(huán)，另一個是由速度調(diào)</

64、p><p>　　作用。只要轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速偏差。</p><p>　　圖4-8 PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　4.3 直流脈寬調(diào)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(jì)算機(jī)仿真是一門涉及到控制理論、計(jì)算數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性新型學(xué)科，它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(xué)模型）代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，而計(jì)算機(jī)仿真使用MATLAB的Simulink工具箱對其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。</p><p>　　4.3.2雙閉環(huán)控制的脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　雙閉

66、環(huán)控制的脈寬調(diào)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(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖構(gòu)作的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。</p><p>　　圖4-9 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖</p><p>　　1．主電路建模和參數(shù)設(shè)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(jī)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(shè)置</p><p>　　圖4-11 直流電動機(jī)的參數(shù)設(shè)

68、置</p><p>　　直流電動機(jī)的建模和參數(shù)設(shè)置：首先從電機(jī)系統(tǒng)模塊中選取“DC Machine”模塊，電動機(jī)的勵磁</p><p>　　環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器各封裝在子模塊中，里面包含PI調(diào)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(jī)的轉(zhuǎn)速

69、，從sources模塊組中選取兩個模塊“constant”，可先設(shè)定其一參數(shù)為10，另一參數(shù)設(shè)為-10，作為給定環(huán)節(jié)，可正負(fù)切換給定值，使電動機(jī)能夠正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　2）轉(zhuǎn)</b></p><p><b>　　（4-1）</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(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的各參數(shù)如圖所示。其中ASR、ACR的限幅值均設(shè)定為[-10,10]。</p><p>　　a 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR</p><p><b>　　b電流調(diào)節(jié)器ACR</b></p><p>　　圖4-12 轉(zhuǎn)速、

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

72、t;b>　　當(dāng)建</b></p><p>　　及勵磁電流的波形曲線。</p><p>　　圖4-13 調(diào)速系統(tǒng)勵磁電流的波形 圖4-14 起動時(shí)的電流波形（正轉(zhuǎn)）</p><p>　　a（正轉(zhuǎn)） b（反轉(zhuǎn)）</p><p>　　圖4-15 脈寬調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速

73、仿真波形</p><p>　　a（正轉(zhuǎn)） b（反轉(zhuǎn)）</p><p>　　圖4-16 脈寬調(diào)速系統(tǒng)電流仿真波形</p><p>　　a （正轉(zhuǎn)） b （反轉(zhuǎn)）</p><p>　　圖4-17 脈寬調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到允許的最大值。</p><p>　　3、采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制電路，轉(zhuǎn)速從零開始到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過渡，所需時(shí)間短，起到了快速起動的作用，如圖4-18所示，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)間約為1s。</p><p>　　圖4-18 轉(zhuǎn)速的過渡過程<

75、/p><p>　　4、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，當(dāng)給定電壓環(huán)節(jié)從+10撥向-10時(shí)，電機(jī)便實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)</p><p>　　給定值=6及=4時(shí)的轉(zhuǎn)速波形。</p><p>　　a 轉(zhuǎn)速（=6） b轉(zhuǎn)速（=4）</p><p>　　圖4-19 改變后的轉(zhuǎn)速仿真波形</p><p>&

76、lt;b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本文主要利用MATLAB對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真和調(diào)試。在此基礎(chǔ)上，本文首先對直流電機(jī)調(diào)速的狀況進(jìn)行介紹，介紹了在幾種直流調(diào)速系統(tǒng)（如旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、可控晶閘管整流器、脈寬調(diào)速等），基于脈寬調(diào)速以往調(diào)速系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用直流脈寬對主電路進(jìn)行控制。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中，調(diào)速是系統(tǒng)的主要

77、功能，通過研究直流電動機(jī)的機(jī)械特性，得出了幾種常見的改變轉(zhuǎn)速的方法，因調(diào)壓調(diào)速可實(shí)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以下大范圍平滑調(diào)速，并且在整個調(diào)速范圍內(nèi)機(jī)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，且能夠快速起制動，重點(diǎn)介紹了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋得到的反饋電壓，與給定值進(jìn)行比較后，產(chǎn)生了頻率一定，占空比可調(diào)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(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行驅(qū)動控

78、制，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，本設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)PWM控制，介紹了PWM調(diào)制技術(shù)的原理，并對PWM變換器進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為了使系統(tǒng)能正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，主電路采用雙極式橋式變換器。</p><p>　　最后，通過計(jì)算機(jī)仿真軟件MATLAB對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，通過對波形的分析驗(yàn)證了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　通過本次設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我對知識的掌握，使我對設(shè)計(jì)過程有了全面地了解。通過

79、學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)工作原理以及如何利用仿真軟件進(jìn)行仿真，我查閱了大量相關(guān)資料，學(xué)會了許多知識，培養(yǎng)了我獨(dú)立解決問題的能力。同時(shí)在對電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)不僅進(jìn)一步強(qiáng)化了專業(yè)知識，還掌握了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法、步驟等，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></

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86、tor drives,” J. of Electrical Monthly, Vol. 169, pp. 234-241, Nov., 2004.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　大學(xué)生活即將結(jié)束，為期一個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近尾聲。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，凝聚著許多人的關(guān)懷和幫助。首先要感謝我的指導(dǎo)教師xx在設(shè)計(jì)上的嚴(yán)格要求，感謝xx教

87、授在專業(yè)知識上的悉心指導(dǎo)，思想、學(xué)習(xí)和生活等各個方面的典范作用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中給予的很大的幫助。使我的本科學(xué)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(jìn)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(guān)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(xué)四年中指導(dǎo)我們學(xué)習(xí)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(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度為我做出了好的表率，