课程设计(论文)题 目 名 称 双极式PWM直流调速系统设计与仿真 课 程 名 称 运动控制系统 学 生 姓 名 学 号 系 、专 业 指 导 教 师 2012年5月5日邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业学生姓名学 号题目名称双极式PWM直流电机调速系统设计与仿真设计时间课程名称运动控制系统课程编号121203204设计地点电力电子与电力拖动实验室/综合仿真实验室一、 课程设计（论文）目的课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带运动控制系统课程设计，要求学生更多实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象. 《运动控制系统课程设计》是继《电机与拖动基础》、和《运动控制系统》课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行电机调速技术和设计工作,掌握系统设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。
二、 已知技术参数和条件双极式PWM直流调速系统采用双闭环控制，已知数据为：电动机的，，，，电枢回路总电阻，允许电流过载倍数，电流反馈滤波时间，转速反馈滤波时间，电枢回路电磁时间常数，机电时间常数，电源电压，给定值和ASR、ACR的输出限幅值均为，电动势转速比，调解器输入电阻,已知开关频率，PWM环节的放大倍数，试对该系统进行动态设计设计要求稳态无静差，动态过渡过程时间，电流超调量，空载启动到额定转速时的转速超调量三、 任务和要求（1）电流环的设计；（2）转速环的设计；（3）运用MATLAB软件进行仿真，校验注：1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）1、电力电子与电力拖动实验室，4套DJDK-1电力电子与电力拖动实验装置；2、DJDK-1电力电子与电力拖动实验指导书；3、MATLAB仿真软件五、进度安排2011年6月20日-21日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务和要求2011年6月22日-23日：总体方案设计2011年6月24日-26日：各单元电路设计和参数计算2011年6月27日-29日：用MATLAB仿真并系统改进2011年6月30日：整理并书写设计说明书2011年7月1日：答辩并考核六、教研室审批意见教研室主任（签名）： 年 月 日七|、主管教学主任意见 主管主任（签名）： 年 月 日八、备注指导教师（签字）： 学生（签字）：摘 要当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动在主流在现代化生产中起着主要作用。
本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位本文对双极式PWM直流调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，讨论了数学模型的建立、双极式H型PWM变换电路、PI控制器的设计以及原理通过理论分析了系统的稳定性，并利用simulink设计出来稳定的调速系统关键词：直流调速；双闭环；PWM ；PI调节器目 录摘要 ..Ⅰ目录 Ⅱ1.绪论 11.1课题背景及意义 11.2课题任务及要求 12.方案设计 22.1 PWM控制技术基本原理 22.2双闭环调速系统结构图 22.3 H桥PWM变换器工作原理 32.4 PWM调速系统静特性 53.电路设计 73.1主电路设计 73.2控制电路设计 74.参数整定 104.1参数计算 104.2参数校验 125.系统仿真调试及结果分析 155.1 simulink仿真调试 155.2仿真结果分析 20总结 21参考文献 22附录 231绪论1.1课题的背景及意义直流调速系统的调速精度高，调速范围广，变流装置控制简单，长期以来在调速传动中占统治地位。
在要求调速性能较高的场合，一般都采用直流电气传动目前，通过对电动机的控制，将电能转换为机械能进而控制工作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术已广泛应用于国民经济的各个领域三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代由于直流电气传动技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，应用相当普遍1.2 课题任务及要求双极式PWM直流调速系统采用双闭环控制，已知数据为：电动机的 ，，，，电枢回路总电阻 ，允许电流过载倍数 ，电流反馈滤波时间 ，转速反馈滤波时间 ，电枢回路电磁时间常数 ，机电时间常数 ，给定值和ASR、ACR的输出限幅值均为，电动势转速比 ，调解器输入电阻 , 已知开关频率 ，PWM环节的放大倍数 ，试对该系统进行动态设计。
设计要求稳态无静差，动态过渡过程时间 ，电流超调量 ，空载启动到额定转速时的转速超调量 课题任务和要求：（1）电流环的设计；（2）转速环的设计；（3）运用MATLAB软件进行仿真，校验2 方案设计2.1 PWM控制技术基本原理采样理论中的一个重要理论：冲量相等而形状不同的窄脉冲家在具有惯性环节上时，其效果基本相同这个原理称为面积原理，它是PWM控制的重要理论基础若将半个周期的正弦波分成N等份，就可以把正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形这些脉冲宽度相等为，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平的，各脉冲幅值按正弦规律变化若将上述脉冲换成同等数量的等幅值而不等宽的矩形脉冲代替，是矩形脉冲和相应的正弦脉冲的面积相等，这就是PWM形可以看出，其幅值相等，而宽度按正弦规律变化PWM系统的优点为：（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；（3）动态响应相对较快，动态抗扰能力强； （4）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；（5）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高 PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。
PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面主要阐述可逆PWM变换器的工作原理 2.2闭环调速系统的结构图直流双闭环调速系统的原理图如图2.1所示，动态结构图如图2.2所示转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM装置脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求图2.1 双闭环调速系统的原理图图2.2 双闭环调速系统的动态结构图2.3 H桥PWM变换器工作原理脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速桥式可逆PWM变换器电路如图2.3所示这是电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化图2.3 桥式可逆PWM变换器电路双极式控制PWM变换器的四个驱动电压波形如图2.4所示图2.4 PWM变换器的驱动电压波形关系是：在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时当时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、续流，这时。
在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图2.4所示电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上当正脉冲较宽时，，则的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，，平均输出电压为零，则电动机停止双极式控制PWM变换器的输出平均电压为如果定义占空比，电压系数则在双极式PWM变换器中调速时，的可调范围为0～1相应的当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，，电动机停止但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用双极式控制的桥式PWM变换器有以下优点：1）电流一定连续2）可使电动机在四象限运行3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通2.4 PWM调速系统的静特性由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下： . 按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是，平均电流用表示，平均转速，而电枢电感压降的平均值在稳态时应为零。
于是其平均值方程可以写成则机械特性方程式3电路设计3.1主电路设计桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图3.1所示PWM变换器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间传入电阻R，合上电源后，用延时开关将R短路，以免在运行中造成附加损耗由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这式电容器两端电压升高称作“泵升电压”为了限制泵升电压，用电阻R连接MOSFET组成一个泄放电路消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通MOSFET图3.1 H桥直流脉宽调速系统主电路3.2控制电路设计电流调节器由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数，以滤平电流检测信号为准为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当CoiUcUi*-UiR0/2R0/2R0/2R0/2RiRbalCiCoi图3.2电流反馈电路 图3.3 ACR仿真图3.2.2 转速调节器由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数。
根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节图3.4 转速反馈电路图3.5 ASR仿真图3.2.3 PWM发生器设计发生器内部原理 PWM Generator发生器能产生两路互补的PWM信号，把两个发生器按下图连接，最后输出思路PWM信号，并按一定顺序触发四个MOSFET管发生器输入端连接ACR输出端，由电压信号的变化改变发生器中PWM信号波的占空比，从而达到改变电压，改变转速的目的图3.5 PWM信号构造4参数整定电流调节器以及转速调节器的电路结构如图3.2所示，由单刀双掷开关控制电机转向，滑动变阻器RP1、RP2分别调节正反转时的转速，RP3可以改变电流的限幅值，下面分别按设计要求计算电路中的各个参数转速反馈系数电流反馈系数 死区时间 其中 为MOSFET的开关频率4.1调节器参数的计算电流调节器电流调节器按典型Ⅰ型系统设计，根据无净差要求，选用PI调节器先确定电流环时间常数电流滤波时间常数PWM调压系统的滞后时间电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取调节器传递函数式中 ——电流调节器的比例系数； ——电流调节器的超前时间常数；ACR超前时间常数电流开环增益:因要求，故应取，因此于是ACR的比例系数为计算电流调节器的电路参数调节器原理图如图 所示按所用运算放大器，取各电阻和电容值计算如下： 转速调节器参数的计算首先确定转速环时间常数电流环等效时间常数转速滤波时间常数，根据测速发电机的纹波情况取；转速环小时间常数，按小时间常数尽速处理取根据设计要求，转速环应该设计为典型Ⅱ型系统，调节器也采用PI型，其传递函数为根据跟随性和抗干扰性能都较好的原则取则ASR超前时间常数转速环开环增益于是ASR的比例系数为按所用运算放大器，取各电阻和电容值计算如下：4.2 参数校验 电流参数的校验校验近似条件：电流环截止频率校验PWM调压系统传递函数的近似条件是否满足。
因为，所以满足近似条件校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足现在，满足近似条件校验小时间常数近似处理是否满足条件现在，满足近似条件按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件 转速参数的校验校验近似条件：转速环截止频率校验电流环传递函数简化条件是否满足满足简化条件校验小时间常数近似处理是否满足满足近似条件 校验退饱和转速超调量当h=5时，查表得，δn=37.6%，不能满足设计要求实际上，由于这是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量设理想空载起动时，负载系数z=0，已知直流电机参数：，，，，电枢回路总电阻；PWM装置放大系数；时间常数，； 当时 ；而因此均满足设计要求5仿真调试及结果分析5.1 Simulink仿真调试 由于双闭环调节器的参数计算采用的工程近似处理的方法，所得出的参数与实际最佳参数有微小的偏差，用计算出的参数仿真时，实际效果可能并不是很理想，所以在实际中需要对各调节器参数微调，至出现最接近理论最佳为好动态模型仿真图5.1为系统动态仿真模型图：图5.1系统仿真模型图5.2为系统在一秒钟内电机空载启动电流和转速变化曲线：图5.2 电机空载启动图5.3为系统在一秒钟内满载启动电流和转速变化曲线：图5.3 额定负载启动图5.4为系统在运行0.5后加额定负载时电流和转速的变化曲线：图5.4 系统抗干扰检测图5.5为测试系统跟随性能时电流和转速的变化曲线：图5.5 转速跟随检测硬件模型仿真图5.6为硬件仿真总电路图图5.6 硬件电路图5.7为H桥驱动电机的PWM波形：图5.7 双极式PWM波形图5.8为系统在1.5s内电机空载启动电流和转速变化曲线：图5.8 空载启动图5.9为系统在1.5s内满载启动电流和转速变化曲线：图5.9 满载启动图5.10为系统在0.8s时满载电流和转速变化曲线：图5.10 抗干扰检测图5.11为测试系统跟随性能时电流和转速的变化曲线：图5.11 转速跟随检测5.2 结果分析众观以上仿真，电流和转速的变化基本达到设计要求，系统的抗干扰性能，跟随性能，带负载性能各项指标均正常。
双极式PWM直流调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段从起动时间上看，Ⅱ阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动总 结课程设计是实践课的一种，在很大程度上实现了动手与动脑，理论与实际的相互结合，既是对工业环境的一个简单缩影，又是对理论知识的一种检验，很好地实现了从书本到实际操作的一个过渡通过这次课设，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，这也算是课设给我的一点小小的感悟我深感要注重理论联系实际以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系这大大激发了我学习书本知识的兴趣。
再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的的工作，还应该考虑到实际情况理论计算的结果可能与实际稍有差别，要以实际情况为准总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅参考文献：[1] 王兆安等.电力电子技术. 北京.机械工业出版社，2009.[2] 洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模与仿真.北京.机械工业出版社，2010.[3] 陈伯时.运动控制系统. 北京.机械工业出版社，2009.附录1 系统总电路图：。