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1、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
2、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
3、、 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20
4、11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
5、。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.目录 1.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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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01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
13、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
