1、 .摘 要在電力拖動系統中，調節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，用以實現直流電動機電樞兩端電壓的平滑調節，構成直流脈寬調速系統，隨著電力電子器件的迅速發展，采用門極可關斷晶體管GTO、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）,已逐步發展成熟，用途越來越廣。本文主要討論了直流調速系統的基本概念，在此基礎上系統地介紹了轉速負

2、反饋單閉環調速系統，轉速電流負反饋雙閉環調速系統的組成，工作原理，脈寬調速系統的原理和控制方法，介紹了直流脈寬調速系統的控制電路和系統構成。最后應用MATLAB的Simulink，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進行了仿真分析。關鍵詞：調速，PWM控制，直流電動機，仿真目 錄第一章 引言1.1 直流調速系統簡介.51.2 PWM直流調速的研究背景和發展狀況.51.3 本設計的主要內容.6第二章 直流電機調速系統 2.1 直流電機調速系統的概述.72.1.1 旋轉變流機組直流電機調速系統72.1.2 靜止式可控整流器調速系統72.1.3 直流斬波器或脈寬調速.82.2 電機基

3、本調速方法.92.2.1 電樞串電阻調速92.2.2 弱磁調速92.2.3 調壓調速.102.3 轉速控制的要求和調速指標.102.4 閉環直流調速系統.112.4.1單閉環直流調速系統.112.4.2 轉速電流雙閉環調速系統.142.4.2.1 雙閉環系統的穩態結構圖和靜特性.162.4.2.2 各變量的穩態工作點和穩態參數計算.172.4.2.3 雙閉環直流調速系統的啟動過程分析.182.4.2.4 轉速和電流兩個調節器的作用.20第三章 PWM調制技術與PWM變換器3.1 PWM調制技術.213.1.1 模擬式PWM控制.213.1.2 數字式PWM控制.223.2 PWM變換器233.

4、2.1 簡單的不可逆PWM變換器.233.2.2 制動不可逆PWM變換器.243.2.3 H型雙極式PWM變換器.26第四章 PWM直流電動機調速系統的設計4.1 PWM-M直流調速系統的控制電路.284.2 系統設計方案的選擇.294.2.1主電路供電方案選擇.294.2.2主電路形式的選擇.304.2.3控制電路方案的選擇.324.3 直流脈寬調速系統的MATLAB仿真.334.3.1 引言.334.3.2雙閉環控制的脈寬調速系統的仿真模型.334.3.3 系統的仿真、仿真結果的輸出及結果分析.36總結.39參考文獻.40第一章 引言1.1 直流調速系統簡介調速系統包括直流調速系統和交流調

5、速系統兩大類。由于直流電動機的電壓、電流和磁通之間的耦合較弱，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展，直流拖動的薄弱環節逐步顯示出來。由于換向從20世紀80年代起，在電氣傳動自動化領域中出現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1.2 PWM直流調速的研究背景和發展狀況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具有四象限運行的特性，也就是說，需要可逆的調速系統。改變電樞電壓的

6、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。 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，低速性能好，諧波少，穩態精度高，脈動小，損耗和發熱都較小，調速范圍寬，調速系統頻帶寬，快速響應性好，動態抗擾能力強。直流電機脈沖寬度調制調速系統產生于70年代中期.最早用于不可逆、小功率驅動,例如自動跟步研究，在調速精度要求較高的場合，對解決傳統直流調速系統調速精度低、穩定性差的難題，具有廣泛的意義和

7、價值。1.3本設計的主要內容本文共分為四章，主要針對直流調速系統的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的研究背景與發展現狀；第二章介紹了直流電機調速系統的理論基礎，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。第二章 直流電機調速系統2.1直流電機調速系統的概述直流電動機調速系統經歷不同的三個階段：2.1.1旋轉變流機組直流電機調速系統如圖2-1，旋轉變流機組直流電動機調速系統（G-M系統）由交流電動機（異步機或同

8、步機）拖動直流發電機G實現變流，由G給需要的直流電動機M供電，調節G的勵磁電流即可改變其輸出電壓U，從而調節電動機的轉速n。這種調速系統在60年代曾廣泛使用，但該系統需要旋轉變流機組，至少包含兩臺與調速電動機容量相當的旋轉電機，還要一臺勵磁發電機，因此設備多，體積大，費用高，效率低，安裝須打地基，運行有噪聲，維護不方便。圖2-1旋轉變流機組直流電動機調速系統（G-M系統）2.1.2靜止式可控整流器調速系統自從晶閘管（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，即晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（V-M系統）。如圖2-2，VT是晶閘管可控整流器

9、，通過調節觸發裝置GT的控制電壓來移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實現平滑調速。和旋轉變的散熱條件。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。 圖2-2晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（V-M系統）2.1.3 直流斬波器或脈寬調速圖2-3直流斬波器電動機系統的原理圖和電壓波形2）開關頻率高，電流容易連續，諧波少，電機損耗及發熱都較小。3）低速性能好，穩速精度高，調速范圍寬。4）若與快速響應的電動機配合，則系統頻帶寬，動態響應快，動態抗繞能力強。5）開關器件工作在開關狀態，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而全取

10、代了VM系統。2.2電機基本調速方法由電機學基本理論可知，直流電動機轉速特性方程式為勵磁磁通（Wb）；由電機結構決定的電動勢常數；由上式可見，直流電動機調速方案可有以下三種。2.2.1電樞串電阻調速圖2-4調阻調速特性曲線如圍窄，不能實現無級平滑調速，只用于一些要求不高的場合。2.2.2弱磁調速圖2-5磁調速特性曲線普也增大。弱磁調速雖然能實現平滑調速，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。2.2.3調壓調速圖2-6調壓調速特性曲線如圖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，由此可動系統中被廣泛采用。2.3轉速控制的要求和調速指

11、標對于調速系統轉速控制的要求有以下三個方面：1） 調速2） 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。為了進行定（2-2）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 （2-3）一般調壓調速系統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，轉速的相對穩定度也就越差。對于同一個調速系統，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。2.4 閉環調速系統2.4.1 單閉環調速系統根據自動控制原理

12、，反饋控制的閉環系統是按被調量的偏差進行控制的系統，只要被調量出現偏差圖2-7a 轉速負反饋閉環直流調速系統穩態結構圖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系統：（2-5）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饋輸出為止總的電壓放大系數，是各環節單獨的放大系數的乘積。電動機環節放大系數為：（2-6）只考慮擾動作用時的閉環系統：圖2-7c =0時（2-7）由于已認為系統是線性的，可以把二者疊加起來即得系統的靜特性方程式：如果斷開反饋回路，則上述系統的開環機械特性為（2-9）而閉環時的靜特性可寫成（2-10）其中和分別表示開環和閉環系統的理想

13、空載轉速，和分別表示開環和閉環系統的穩態速降。 （2-15）按理想空載轉速相同的情況比較，則 = 時： （2-16）如調制的輸出電壓，使系統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，閉環系統能夠減少穩態速降的實質在于它的自動調節作用，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。圖2-8 閉環系統靜特性和開環機械特性的關系2.4.2 轉速電流雙閉環調速系統2.4.2.1 雙閉環系統的穩態結構圖和靜特性圖2-11雙閉環直流調速系統的靜特性（二）轉速調節器飽和這時，ASR 輸出達到限幅值，轉速外環呈開環狀態，轉速的變化對系統不再產生影響。雙閉環系統變成一

14、個電流無靜差的單閉環系統。穩態時兩段實際上都略有很小的靜差，如圖2-11中虛線所示。2.4.2.2 各變量的穩態工作點和穩態參數計算雙閉環調速系統在穩態工作中，當兩個調節器都不飽和時，各變量之間有下列關系： 為ASR的輸出限幅值。2.4.2.3 雙閉環直流調速系統的啟動過程分析設置雙閉環控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環調速系看作為是一個準時間最優控制。2.4.2.4 轉速和電流兩個調節器的作用轉速調節器和電流調節器在雙閉環直流調速系統中的作用可以分別歸納如下：1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，系統立即自動回復正常。第三章 調速系統的直

15、流脈寬調制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路和數字式PWM控制電路。3.1 PWM控制技術3.1.1 模擬式PWM控制圖3-1 PWM控制電路原理 （3-1）式中控制信號的最大值。 a b c圖3-2 鋸齒波脈寬調制波形圖圖3-3 PWM控制負載的波形圖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控制改變開關管在一個開關周期T內的導通時間的長短，就可實現對兩端平均電壓大小的控制。3.1.2 數字式PWM控制數字式PWM調制電路主要由計數器和數字比較器或由定時電路和觸發器構成

16、。數字式圖3-4 計數器和數字比較器組成的數字脈寬調制器的波形圖3.2 PWM變換器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。3.2.1 簡單的不可逆PWM變換器簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統主電路原理圖如圖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。 T a 電路原理圖 b 電流和電壓波形圖3-5 簡單不可逆PWM控制電路及其波形圖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通常由交流圖3-5b為穩態時電樞端電壓、電樞平均電壓和電樞電流的波形。可見，穩

17、態電流是3.2.2 制動不可逆PWM變換器圖3-6a所示為具有制動狀態的不可逆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。控制電路工作在電動狀態時的電壓、電能耗制動作用。因此，在制動狀態中，和輪流導通，而始終是關斷的，此時的電壓和電流波形示于圖3-6c。a bc da 電路原理圖 b電動狀態電壓和電流波形 c 制動狀態電壓和電流波形 d 電動和制動交替狀態電流波形圖3-6 制動不可逆PWM變換器及其波形有一種特殊情況，即輕載電動狀態，這時平均電流較小，以致在關斷后經續流時，還沒有到達周期T

18、，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，一個周期分成四個階段：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的。3.2.3 H型雙極式PWM變換器圖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時關斷，兩組晶體管之因此，PWM變換器 a 電路原理圖 b 電壓電流波形圖3-7 H型雙極式PWM變換器及其波形雙極式控制可逆PWM （3）電機停止時有微振電

19、流，能消除靜摩擦死區；（4）低速平穩性好，系統的調速范圍可達1:20000左右；（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。第四章 PWM直流電動機調速系統的設計4.1 PWM-M直流調速系統的控制電路電力晶體管構成的PWM變換器是調速系統的主電路，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制器UPW、調制波發生器GM、邏輯延時環節DLD和電力晶體管的基極驅動器GD。圖4-1 雙閉環控制的脈寬調速系統原理框圖1鋸齒；3）多諧振蕩器和單穩態觸發器組成的脈寬調制器；4）數字式脈寬調制體管還未完全關斷，如果此時另

20、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。為了避免發生這種情況，應設置一個邏輯延時環節，保證在對一個管子發出關閉脈沖后，延時一段時間再發出對另一個管子的開通脈沖，避免兩個晶體管同時導通。3限流保護環節（）在邏輯延時環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。4.2 系統設計方案的選擇4.2.1主電路供電方案選擇圖4-2同時對感性負載的無功功率起儲能緩沖作用。圖4-2直流電源設計原理圖圖4-3 三相橋式不控整流電路原理圖對于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動能的作，可以采用

21、圖4-4中的鎮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值時接通。本設計由于采用MATLAB/Simulink仿真平臺進行電路仿真，MATLAB模型庫中的電力系統模型庫(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。圖4-4泵升電壓限制電路原理圖4.2.2主電路形式的選擇脈寬調變換器，構成可逆直流脈寬調速系統。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。圖4-5 雙極式可逆變換器的控制原理圖圖4-6 可逆雙極式變換器工作各參數波形調速時， 的可調范圍為01， 10

22、.5時，為正，電機正轉；當 0.5時，為負，電機反轉；當 = 圖4-7 直流脈寬調速系統主電路原理圖4.2.3控制電路方案的選擇為了使系統具有較好的動態、靜態性能，本次設計的調速系統采用轉速、電流雙閉環控制方案，系統的靜特性很硬，基本上無靜差，啟動時間短，動態響應快；系統的抗干擾能力強；應用廣泛（在自動調速系統中）。進一步改善系統的調速性能，大大提高系統故稱雙閉環）。其中一個是由電流調節器ACR和電流檢測反饋環節構成的電流環，另一個是由速度調作用。只要轉速環的開環放大倍數足夠大，最后仍能靠ASR的積分作用，消除轉速偏差。圖4-8 PWM可逆直流調速系統原理圖4.3 直流脈寬調速系統的MATLA

23、B仿真4.3.1 引言控制系統的計算機仿真是一門涉及到控制理論、計算數學與計算機技術的綜合性新型學科，它是以控制系統的數學模型為基礎，以計算機為工具，對系統進行實驗研究的一種方法。系統仿真就是用模型（即物理模型或數學模型）代替實際系統進行實驗和研究，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。4.3.2雙閉環控制的脈寬調速系統的仿真模型雙閉環控制的脈寬調速系統原理框圖如圖4-1所示，圖4-9是采用面向雙閉環控制脈寬調速系統原理結構圖構作的直流脈寬調速系統的仿真模型。圖4-9 雙閉環直流脈寬調速系統仿真模型圖1主電路建模和參數設置：由圖4-9可見，主電路由直流電源

24、、IGBT逆變器橋、直流電動機等部分組成。直流受PWM信device”選擇為“MOSFET/Diodes”即可。圖4-10 “Universal Bridge”對話框參數設置圖4-11 直流電動機的參數設置直流電動機的建模和參數設置：首先從電機系統模塊中選取“DC Machine”模塊，電動機的勵磁環節、轉速調節器ASR、電流調節器ACR，速度、電流反饋環節、PWM信號發生器等。其中，轉速調節器和電流調節器各封裝在子模塊中，里面包含PI調節，限幅值等。1）給定電壓環節：改變給定電壓即可改變電動機的轉速，從sources模塊組中選取兩個模塊“constant”，可先設定其一參數為10，另一參數設

25、為-10，作為給定環節，可正負切換給定值，使電動機能夠正轉和反轉。2）轉 （4-1）式中：-比例系數，-積分系數，考通過分析，轉速、電流調節器的各參數如圖所示。其中ASR、ACR的限幅值均設定為-10,10。a 轉速調節器ASR b電流調節器ACR圖4-12 轉速、電流PI調節器的各參數設定3）轉速、電流反饋環節：在穩態工作點上，轉速是由給定電壓決定的，設定轉速反饋系數為0.00417，由式，可首先估算出經放大后的轉速的值，通過示。4.3.3 系統的仿真、仿真結果的輸出及結果分析當建及勵磁電流的波形曲線。 圖4-13 調速系統勵磁電流的波形 圖4-14 起動時的電流波形（正轉） a（正轉） b

26、（反轉） 圖4-15 脈寬調速系統轉速仿真波形 a（正轉） b（反轉）圖4-16 脈寬調速系統電流仿真波形 a （正轉） b （反轉）圖4-17 脈寬調速系統轉矩仿真波形1、從仿能突變，而是在最短時間內迅速達到允許的最大值。3、采用了轉速、電流雙閉環控制電路，轉速從零開始到穩定轉速的過渡，所需時間短，起到了快速起動的作用，如圖4-18所示，到達穩定轉速時間約為1s。圖4-18 轉速的過渡過程4、系統實現了正反轉運行，當給定電壓環節從+10撥向-10時，電機便實現反轉，其轉給定值=6及=4時的轉速波形。 a 轉速（=6） b轉速（=4）圖4-19 改變后的轉速仿真波形總結本文主要利用MATLAB

27、對轉速、電流雙閉環直流脈寬調速系統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（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所沒有的優點，本設計采用直流脈寬對主電路進行控制。本設計中，調速是系統的主要功能，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中被廣泛采用。為了使系統能保證穩定的前提下實現轉速無靜差，且能夠快速起制動，重點介紹了轉速、電流雙閉環控制系統。轉速負反饋得到的反饋電壓，與給定

28、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制，從而改變電動機的轉速，本設計，為了實現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，為了使系統能正反轉運行，主電路采用雙極式橋式變換器。最后，通過計算機仿真軟件MATLAB對系統進行了仿真，通過對波形的分析驗證了轉速、電流雙閉環脈寬調速系統的優點。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。通過學習控制系統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，鞏固了我的專業課知識，使自己受益匪淺。總之，通過本次設計不僅進一步強化了專業知識，還掌握了設計系統的方法、步驟等，為今后的工作和學習打下了堅實的基礎。參考文獻1陳伯時，電力拖動自動控制系統。機械工業出版社，20032洪乃剛，電力電子技術基礎。清華大學出版社，20083周深淵，交直流調速系統與MATLAB仿真。中