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1、学学 号：号： 01课课 程程 设设 计计题题 目目PWM 直流脉宽调速系统建模与仿真直流脉宽调速系统建模与仿真学学 院院专专 业业班班 级级姓姓 名名指导教师指导教师年月日武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程计说明书1课程设计任务书课程设计任务书学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 题题 目目: : PWMPWM 直流脉宽调速系统建模与仿真直流脉宽调速系统建模与仿真 初始条件：初始条件：1技术数据： PWM 变流装置：Rrec=0.5，Ks=44。 负载电机额定数据：PN=8.5KW，UN=230V，IN=37A，nN=1450r/min，R
2、a=1.0，Ifn=1.14A，GD2=2.96N.m2 系统主电路：Tm=0.07s，Tl=0.005s 2技术指标 稳态指标：无静差 动态指标：电流超调量：i5%，起动到额定转速时的超调量：n8%， 动态速降 n10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : 1技术要求： (1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 系统在 5%负载以上变化的运行范围内电流连续 2设计内容：(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系
3、统组成的原理框图 (2) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作用(3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过 MATLAB来进行调节器的参数调节(4) 绘制 PWM 直流脉宽调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图） (5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程计说明书2时间安排：时间安排：课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：（1） 复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的 20%（2） 根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的 40%（3） 完成设计和文档整理。约
4、占总时间的 40%指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程计说明书3摘要本文在介绍双闭环PWM直流调速系统原理基础上，根据系统的动、静态性能指标采用工程设计方法设计调节器参数，并运用Matlab的Simulink面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现了转速电流双闭环PWM直流调速系统的建模与仿真。本文重点介绍了调速系统的建模和PWM发生器、直流电机模块等参数的设置，利用Matlab的Simulink仿真得到PWM 直流可逆调速系统转速和电流仿真波形，并由仿真波形通过Matlab来进行
5、调节器的参数调节，验证了仿真模型及调节器参数设置的正确性。为实际应用中PWM直流脉宽调速系统的设计提供了理论基础和实现的平台，使得设计过程变得非常简单、快速！关键词：直流脉宽调制、双闭环、关键词：直流脉宽调制、双闭环、MATLAB武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程计说明书4目录PWM 直流脉宽调速系统建模与仿真1 1 概述1 2 设计任务及要求2 2.1 主要任务 2 2.2 设计要求 2 3 理论设计3 3.1 方案论证3 3.2 系统模型的建立5 3.2.1 直流电机模型 5 3.2.2 调速系统动态模型8 3.3 调速系统性能分析 9 3.3.1 静态性能和启动过程 9 3.3.2 动
6、态性能11 3.3.3 两个调节器的作用12 3.4 调节器设计12 3.4.1 电流调节器的设计13 3.4.1.1 确定时间常数14 3.4.1.2 选择电流调节器的结构15 3.4.1.3 选择电流调节器的参数15 3.4.1.4 检验近似条件15 3.4.1.5 计算 ACR 的电容电阻16 3.4.2 转速调节器的设计16 3.4.2.1 确定时间常数 16 3.4.2.2 选择转速调节器的结构 16 3.4.2.3 选择转速调节器的参数 17 3.4.2.4 检验近似条件 17 3.4.2.5 计算 ASR 的电容电阻 17 3.4.2.6 选择超调量的计算 18 3.4.2.7
7、校验过渡过程时间 18 4 MATLAB 仿真 19 4.1 MATLAB 简介19 4.2 PWM 直流脉宽调速系统仿真 19 4.3 仿真结果 20 5 总结与体会 21 参考文献 22武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程计说明书5PWM 直流脉宽调速系统建模与仿真1 概述直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调整，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流PWM调速系统。直流PWM调速系统采用门极可关断晶闸管GTO、全控电力晶体管G
8、TR、MOSFET、IGBT等电力电子器件组成的直流脉冲宽度（PWM）型的调速系统近年来已经发展成熟，用途越来越广泛，与晶闸管可控整流调速系统（V-M系统）相比，在很多方面具有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率元件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；（4）系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；（5）主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；（6）直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。因此，对直流PWM调速系统的学习和研究具有很高的实用价值，能够为以后的工作学习提供扎实的基础。武汉理工
9、大学电力拖动自动控制系统课程计说明书62 主要任务及要求题目中所给的负载电机额定数据如下：PN=8.5KW，UN=230V，IN=37A，nN=1450r/min，Ra=1.0，Ifn=1.14A，GD2=2.96N.m2 Tm=0.07s，Tl=0.005s所给出的 PWM 变流装置参数如下：Rrec=0.5，Ks=44。 2.1 主要任务(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图 (2) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作用, (3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过M
10、ATLAB 来进行调节器的参数调节。(4) 绘制 PWM 直流脉宽调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图） (5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书2.2 设计要求(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 系统在 5%负载以上变化的运行范围内电流连续 (3)稳态指标：无静差(4)动态指标：电流超调量：i5%，起动到额定转速时的超调量：n8%，动态速降n10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程计说明书73 理论设计3.1 方案论证要求采用直流
11、PWM 调制，所以开关器件必须是全控型的电力电子器件，全控型的器件有门极可关断晶闸管 GTO、全控电力晶体管 GTR、MOSFET、IGBT 等，因为 IGBT 具有较高的开关频率，较高的功率承受能力，而且驱动简单，所以选择 IGBT 作为开关器件。题目要求实现电机的可逆运行，要求转速反向，就需要改变 PWM 变换器输出的电压的正负极性，使得直流电机可以在四象限中运行。可逆 PWM 变换器的主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称 H 桥型）电路，如图 1 所示，电机两端电压的极性随着全控ABU型电力电子器件的开关状态而改变。可逆 PWM 变换器的控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，在这
12、里采用最常见的是双极式控制的 H 桥型 PWM 变换器。图 1 桥式可逆变换器电路双极式 PWM 变换器的工作状态要视正、负脉冲电压的宽窄而定，如图 2 所示。当正脉冲较宽时，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转。当正脉冲ont2T较窄时，平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相等，=，平均ont2T ont2T电压为零，则电动机停止。武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程计说明书8图 2 双极式 PWM 变换器电压和电流波形 双极式可逆 PWM 变换器电枢平均端电压为：2(1)ononon dssStTttUUUUTTT以=定义 PWM 电压的占空比，则dsU U=21ont T 的变化范围为 1。当 为正值时，电动机正转； 为负值时，电动机1反转；0 时，电动机停止。在 0 时虽然电机不动，电枢两端的瞬时电和瞬时电流都不是零，而是交变的。这个交变电流平均值为零，不产生平均转矩，陡然增大电机的损耗。但它的好处是使电机带有高频的
