基于PWM控制的直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊摘要在电力拖动系统中，调节电压的直流调速是应用最广泛的一种调速方法，除了利用晶闸管整流器获得可调直流电压外，还可利用其它电力电子元件的可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变，大小可调的直流电压，用以实现直流电动机电枢两端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统，随着电力电子器件的迅速发展，采用门极可关断晶体管GTO、全控电力晶体管GTR、P-MOSFET、绝缘栅晶体管IGBT等一些大功率全控型器件组成的晶体管脉冲调宽型开关放大器（Pulse Width Modulated）,已逐步发展成熟，用途越来越广。

本文主要讨论了直流调速系统的基本概念，在此基础上系统地介绍了转速负反馈单闭环调速系统，转速电流负反馈双闭环调速系统的组成，工作原理，脉宽调速系统的原理和控制方法，介绍了直流脉宽调速系统的控制电路和系统构成。

最后应用MATLAB的Simulink，采用面向电气原理结构图的仿真技术，对直流脉宽调速系统进行了仿真分析。

关键词：调速，PWM控制，直流电动机，仿真┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊目录第一章引言1.1 直流调速系统简介 (5)1.2 PWM直流调速的研究背景和发展状况 (5)1.3 本设计的主要内容 (6)第二章直流电机调速系统2.1 直流电机调速系统的概述 (7)2.1.1 旋转变流机组直流电机调速系统 (7)2.1.2 静止式可控整流器调速系统 (7)2.1.3 直流斩波器或脉宽调速 (8)2.2 电机基本调速方法 (9)2.2.1 电枢串电阻调速 (9)2.2.2 弱磁调速 (9)2.2.3 调压调速 (10)2.3 转速控制的要求和调速指标 (10)2.4 闭环直流调速系统 (11)2.4.1单闭环直流调速系统 (11)2.4.2 转速电流双闭环调速系统 (14)2.4.2.1 双闭环系统的稳态结构图和静特性 (16)2.4.2.2 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 (17)2.4.2.3 双闭环直流调速系统的启动过程分析 (18)2.4.2.4 转速和电流两个调节器的作用 (20)第三章PWM调制技术与PWM变换器3.1 PWM调制技术 (21)3.1.1 模拟式PWM控制 (21)3.1.2 数字式PWM控制 (22)3.2 PWM变换器 (23)3.2.1 简单的不可逆PWM变换器 (23)3.2.2 制动不可逆PWM变换器 (24)3.2.3 H型双极式PWM变换器 (26)第四章PWM直流电动机调速系统的设计4.1 PWM-M直流调速系统的控制电路 (28)4.2 系统设计方案的选择 (29)4.2.1主电路供电方案选择 (29)4.2.2主电路形式的选择 (30)4.2.3控制电路方案的选择 (32)4.3 直流脉宽调速系统的MATLAB仿真 (33)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊4.3.1 引言 (33)4.3.2双闭环控制的脉宽调速系统的仿真模型 (33)4.3.3 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 (36)总结 (39)参考文献 (40)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第一章引言1.1 直流调速系统简介调速系统包括直流调速系统和交流调速系统两大类。

由于直流电动机的电压、电流和磁通之间的耦合较弱，使直流电动机具有良好的机械特性，能够在大范围内平滑调速，启动、制动性能良好，故其在20世纪70年代以前一直在高精度、大调速范围的传动领域内占据主导地位。

但随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。

由于换向从20世纪80年代起，在电气传动自动化领域中出现了一个革命性的变化，这就是交流电动机调速技术取得了突破性进展。

众所供1.2 PWM直流调速的研究背景和发展状况有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。

改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。

控制技术已居世界先进水平。

但由于造价较高，目前在国内应用局限性较大，在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。

相对而言，PWM直流调速系统主电路线路简单，功率元件少，开关频率高，其控制水平从1000Hz可达到4000Hz，电机电流连续，低速性能好，谐波少，稳态精度高，脉动小，损耗和发热都较小，调速范围宽，调速系统频带宽，快速响应性好，动态抗扰能力强。

直流电机脉冲宽度调制调速系统产生于70年代中期.最早用于不可逆、小功率驱动,例如自动跟步研究，在调速精度要求较高的场合，对解决传统直流调速系统调速精度低、稳定性差的难题，具有广泛的意义和价值。

1.3本设计的主要内容本文共分为四章，主要针对直流调速系统的PWM控制进行相关研究。

第一章主要概述了直流电机调速系统的研究背景与发展现状；第二章介绍了直流电机调速系统的理论基础，简要介绍了调速的原理和结构；第三章介绍了脉宽调制原理及对目前常用的各种PWM变换器进行了分析；第四章对基于PWM控制技术的直流电机调速系统进行了设计，并运用计算机软件对其进行了仿真研究；最后对全文进行了总结。

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第二章直流电机调速系统2.1直流电机调速系统的概述直流电动机调速系统经历不同的三个阶段：2.1.1旋转变流机组直流电机调速系统如图2-1，旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统）由交流电动机（异步机或同步机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要的直流电动机M供电，调节G的励磁电流f i即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。

这种调速系统在60年代曾广泛使用，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便。

图2-1旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统）2.1.2静止式可控整流器调速系统自从晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊（V-M系统）。

如图2-2，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压cU来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压dU，从而实现平滑调速。

和旋转变的散热条件。

另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。

图2-2晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）2.1.3 直流斩波器或脉宽调速图2-3直流斩波器—电动机系统的原理图和电压波形2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。

3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。

4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗绕能力强。

5）开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而全取代了V—M系统。

2.2电机基本调速方法由电机学基本理论可知，直流电动机转速特性方程式为┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊Φ—励磁磁通（Wb）；eK—由电机结构决定的电动势常数；由上式可见，直流电动机调速方案可有以下三种。

2.2.1电枢串电阻调速图2-4调阻调速特性曲线如围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求不高的场合。

2.2.2弱磁调速图2-5磁调速特性曲线普也增大。

弱磁调速虽然能实现平滑调速，但其调速范围太小，特性较软，因而只是在额定转速以上作小范围升速时才采用。

2.2.3调压调速┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图2-6调压调速特性曲线如图2-6，额定励磁保持不变，理想空载转速n随U减小而减小，各特性线斜率不变，由此可动系统中被广泛采用。

2.3转速控制的要求和调速指标对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：1）调速2）备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。

为了进行定maxminDnn=（2-2）2）静差率：负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落Nn∆，与理想空载转速n之比，称作静差率s，即Nnsn∆=（2-3）一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的。

对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。

对于同一个调速系统，项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义，一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。

2.4 闭环调速系统┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2.4.1 单闭环调速系统根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差图2-7a 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图将给定量和扰动量看成两个独立的输入量，只考虑给定作用时的闭环系统：p seK KKCα=（2-5）它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。

电动机环节放大系数为：eECn=（2-6）只考虑扰动作用时的闭环系统：图2-7cnU*=0时de(1)RInC K=-+（2-7）由于已认为系统是线性的，可以把二者叠加起来即得系统的静特性方程式：如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为*p s n0d00e ed dp peK K UU I R RIn n nC C C-==-=-∆（2-9）而闭环时的静特性可写成┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊*p s n0de e(1)(1)(1)d dcl cleK K UU I R RIn n nC K C K C K-==-=-∆+++（2-10）其中0pn和0cln分别表示开环和闭环系统的理想空载转速，opn∆和cln∆分别表示开环和闭环系统的稳态速降。

clclclnsn∆=（2-15）按理想空载转速相同的情况比较，则0opn=0cln时：1opclssK=+（2-16）如调制的输出电压dU，使系统工作在新的机械特性上，因而转速有所回升，速度降落降低。

由此看来，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。