双闭环逆直流脉宽PWM调速系统设计
MATLAB仿真验证
专 业：电力传动
学 号：
姓 名：
指导老师：
目录
目录 1
中英文摘 2
摘 2
Abstract 2
正文 3
双闭环逆直流脉宽PWM调速系统设计 3
设计分析 3
电路设计 8
电流调节器参数计算 9
信号产生电路 11
GTR驱动电路原理 12
辅助回路设计 13
转速定电路设计 13
转速检测设计 14
MATLAB仿真设计 15
双闭环调速系统仿真框图 15
仿真结果 15
结果分析 19
总结 19
参考文献 20
中英文摘
摘
直流电机具速度控制容易启制动性良宽范围滑调速等特点冶金机械制造轻工业等工业部门中广泛应直流时机转速控制方法分两类励磁控制法电枢电压控制法文研究直流调速系统三部分组成包括控制部分功率部分直流电动机长期直流电动机具调节转速较灵活方法简单等特点直传动领域占统治位
文双闭环逆直流PWM调速系统进行较深入研究直流调整系统原理出发逐步建立闭环直流PWM调整系统模型
Abstract
With dc motor speed control is easy rev braking performance is good smooth and in wide range speed adjustment characteristics in metallurgy machinery manufacturing light industry etc Is widely used in the industrial sector The rotational speed of dc timing control method can be divided into two categories namely excitation control method with the armature voltage control method This paper mainly studies the dc speed regulation system it mainly consists of three parts including parts power control direct current motor For a long time the dc motor because of its adjustment speed is more flexible simple method and so on have been occupied dominant position in the field of transmission
In this paper the double closedloop irreversible dc PWM speed regulating system a further study from the principle of dc adjusting system gradually establish a closedloop dc PWM adjustment model of the system
正文
双闭环逆直流脉宽PWM调速系统设计
设计分析
双闭环调整系统传动系统结构图
直流PWM控制系统直流脉宽调制式调速控制系统简称晶闸直流调速系统区直流PWM变换器取代晶闸变流装置作系统功率驱动器系统构成原理图示：
直流PWM传动系统结构图
中属脉宽调制调速系统调制波发生器GM脉宽调制器UPM逻辑延时环节DLD电力晶体基极驱动器GD脉宽调制（PWM）变换器组成关键部件脉宽调制器
模拟式脉宽调制器质电压脉变换装置运算放器输入信号构成电压较器处放器工作开环状态电流调节器输出控制信号Uс控制产生等幅宽度受Uс控制方波脉序列PWM变频器提供需脉信号脉宽调制器加输入端调制信号分锯齿波脉宽三角波脉宽调制器目前较脉宽调制信号数字方法产生专集成PWM控制电路单片微机构成脉宽调制器
双闭环调速系统结构图
直流双闭环调速系统结构图图1示转速调节器电流调节器串极联结转速调节器输出作电流调节器输入电流调节器输出控制PWM装置中脉宽调制变换器作：脉宽度调制方法恒定直流电源电压调制成频率定宽度变脉电压序列改变均输出电压调节电机转速达设计求
双闭环调速系统结构图
调速系统起动程电流转速波形
图2示时启动电流成方波形转速线性增长电流（转矩）受限条件调速系统快起动程
IdL
n
t
Id
O
Idm
IdL
n
t
Id
O
Idm
Idcr
n
n
(a)
(b)
(a)带电流截止负反馈单闭环调速系统起动程 (b)理想快速起动程
图2 调速系统起动程电流转速波形
H桥式逆PWM变换器工作原理
PWM控制示意图图3示控开关S定时间间隔重复接通断开S接通时供电电源Us通开关S施加电动机两端电源电机提供量电动机储：开关S断开时中断供电电源Us电动机电流继续流通
图3：PWM控制示意图
样电动机电压均值Uas：
Uaston·UsTUas
系统电路部分采功率GTR开关元件H桥电路功率放电路构成电路结构图4示图中四GTR分两组VT1VT4组VT2VT3组组中两GTR时导通时关断两组晶体间交导通关断
脉宽调制器作：脉宽度调制方法恒定直流电源电压调制成频率定宽度变脉电压序列均输出电压调节电机转速
图4：H桥式逆PWM变换器
正运行（图a）示
第1阶段0≤t≤ton期间Ub1Ub4正VT1VT4导通Ub2Ub3负VT2VT3截止电流id回路1流通电动机M两端电压UAB+Us
第2阶段ton≤t≤T期间Ub1Ub4负VT1VT4截止VD2VD3续流VT2VT3保持截止电流id回路2流通电动机M两端电压UABUs
反运行（图b）示：
第1阶段0≤t≤ton期间Ub2Ub3负VT2VT3截止VD1VD4续流VT1VT4截止电流id回路4流通电动机M两端电压UAB+Us
第2阶段ton≤t≤T期间Ub2Ub3正VT2VT3导通Ub1Ub4负VT1VT4保持截止电流id回路3流通电动机M两端电压UABUs
双极式控制桥式逆PWM变换器优点：
（1）电流定连续（2）电机四象运行（3）电机停止时微振电流消静摩擦死区（4）低速稳性系统调速范围达1：20000左右（5）低速时开关器件驱动脉较宽利保证器件通
a正电动运行波行
b反电动运行波形
双极式控制逆PWM变换器输出均电压：
电路设计
H桥式逆直流脉宽调速系统电路图5示PWM逆变器直流电源交流电网控二极整流器产生采电容滤波获恒定直流电压电容量较突加电源时相短路势必产生充电电流容易损坏整流二极限制充电电流整流器滤波电容间串入限流电阻电抗）合电源延时开关短路免运行中造成附加损耗
滤波电容器PWM装置体积重量中占份额电容量选择PWM装置设计中重问题PWM变换器中滤波电容作滤波外电机制动时吸收运行系统动作直流电源二极整流器供电回馈电电机制动时滤波电容充电电容两端电压升高称作泵升电压限制泵升电压镇流电阻Rb消耗掉量泵升电压达允许值时接通VT5
图5：桥式逆直流脉宽调速系统电路原理图
元件选择参数计算
直流电动机拖动机械装置系统动机技术数：UN48VIN37AnN200rminRd65Ω电枢回路总电阻R8Ω电枢回路电磁时间常数Tt5ms机电时间常数Tm200ms电源电压Us60V定值ASRACR输出限幅值均10V电流反馈系统β133VA转速反馈系数α005V·minr电动势转速Ce018V·minr调速范围D2系统飞轮矩（含电机传动机构）GD²100Nm²电源：选择单相交流220V供电变压器二次电压67VPWM装置放系数Ks48PWM装置延迟时间Ts04ms
技术指标求：
电动机够实现逆运行求稳态静差动态渡程时间ts≤01s电流超调量бi≤5空载起动额定转速时转速超调量бi≤10
电流调节器参数计算
典型Ⅰ型设计电流调节器电流环控制象双惯性型电流调节器设计成PI型传递函数
求具体参数需知道调节器零点控制象时间常数极点消选择
电流环放系数
求<5取05
中0005s选取时间常数Ks48133
求
电流环传递函数：
时电流超调量435符合系统求
转速调节器参数计算
公式（122）知转速调节器传递函数式（121）（123）求
选取已知Ton001s
公式（124）（125）求转速环开环增益K转速调节器ASR例系数中
中Tm02sCe018 α005
求求转速调节器闭环传递函数：
退饱情况计算转速超调
h5时812202s 00208s018空载启动时
求
见转速超调量求10
信号产生电路
脉宽调制器生产控制PWM变换器功率器件通断PWM信号常种类模拟式数字式专集成电路里选美国德克萨斯仪器公司TL494专集成电路作双端输出型脉宽调制器载波锯齿波信号振荡频率f11(RTCT)中RTCT取值范围RT5～100KΩCT0001～01μF
12脚1516脚分两较器输入端3脚相位控制端4脚死区控制端56脚振荡器CR输入端89脚1110脚分两部驱动晶体集电极发射极通发出脉控制变换器开关交导通截止13脚输出状态控制端13脚高电时两部驱动晶体交导通控制变换器两开关13脚低电时两部驱动晶体驱动晶体时导通截止时控制变换器开关14脚控制器部输出+5V基准参考电压12脚控制器电源输入端
GTR驱动电路原理
GTR驱动电路
驱动作GTR开通关断设计基极驱动电路时应考虑采基极优化驱动方案谓优化驱动理想基极驱动电流波形控制GTR开关程GTR基极串电位抬高二极GTR工作放状态进步改善储存时间
GTR工作原理图
辅助回路设计
电源设计：电路产生基准电压特点：输出电压高纹波电压子承受反电压较低电源变压器充分利效率高滤波电路滤整流输出电压中纹波般电抗元件组成负载电阻两侧联电容器整流电路输出端负载间串联电感L电容电感组合成种复式滤波电路
转速定电路设计
转速定电路滑动变阻器获相应定信号转速定电路产生幅值调极性变阶跃定电压滑调节定电压电路原理图：
转速检测设计
转速检测电路作转速信号变换转速成正电压信号滤交流分量系统提供满足求转速反馈信号
MATLAB仿真设计
双闭环调速系统仿真框图
双闭环直流调速系统仿真框图图1示：
图1 双闭环调速系统仿真框图
中限幅值计算：
仿真结果
21 ACR限幅值
1启动电流启动转速图2
图2 启动电流启动转速图
2 ASRACR输出电压波形图3
图3 ASRACR输出电压波形
3直流电压Ud 波形图4
图4 直流电压Ud 波形
22 ACR限幅值
1启动电流启动转速图5
图5 启动电流启动转速
2 ASRACR输出电压波形图6
图6 ASRACR输出电压波形
3直流电压Ud 波形图7
图7 直流电压Ud 波形
结果分析
系统2秒前稳定设置参数时两秒时加入负载两秒前空载启动观测空载启动启动额定转速时转速超调量4秒时设置转速环断线观测断线前断线输出波形ACR限幅限幅波形ACR限幅时项输出幅值提高实际相符合运行结果正确
总结
脉宽度调制PWM指保持开关周期T变调节开关导通时间t脉宽度进行调制技术PWM控制技术控制简单灵活动态响应优点成电力电子技术等领域广泛应控制方式进行设计前参考资料通设计方案开拓思路
课程设计程度实现动手动脑理实际相互结合实现书实际操作渡
该系统调速精度调速范围求高传统晶闸控调整系统相具调速范围宽快速性功率数高结构简单等优点广泛应行业直流调速系统中通次设计便积累验课程设计奠定基础
参考文献
[1] 王晓明电动机单片机控制(第二版)[M]北京北京航空航天学出版社20078
[2] 张世铭王振直流调速系统[M]武汉华中理工学出版社20085
[3] 余锡存单片机原理接口技术[M]西安西安电子科技学出版社2007
[4] 永权单片机控制系统中应[M]北京电子工业出版社20051
[5] 顾德英张海涛王铁神元调节器双闭环直流调速系统中应[J]辽宁辽宁工程技术学学报2007219(1)
[6] 贺益康许中电机控制(第二版)[M]杭州浙江学出版社20105
[7] 陈伯时电力拖动动控制系统(第三版)[M]北京机械工业出版社20092
[8] 戴梅萼微型计算机技术应(第四版)[M]北京清华学出版社20083
[9] 王福永双闭环调速系统PID调节器设计[J]苏州丝绸工学院学报20081021(5) 3539
[10] 曹远洪 Keil C基AT89C51单片机双极型PWM软件实现[D]工矿动化2005
[11] 杨宇基现场总线技术轧线转速控制系统[D]华南理工学2006
[12] 孙振兴开关磁阻电动机调速技术研究[D]山东学2009
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双闭环逆直流脉宽PWM调速系统设计
MATLAB仿真验证
专 业：电力传动
学 号：
姓 名：
指导老师：
目录
目录 1
中英文摘 2
摘 2
Abstract 2
正文 3
双闭环逆直流脉宽PWM调速系统设计 3
设计分析 3
电路设计 8
电流调节器参数计算 9
信号产生电路 11
GTR驱动电路原理 12
辅助回路设计 13
转速定电路设计 13
转速检测设计 14
MATLAB仿真设计 15
双闭环调速系统仿真框图 15
仿真结果 15
结果分析 19
总结 19
参考文献 20
中英文摘
摘
直流电机具速度控制容易启制动性良宽范围滑调速等特点冶金机械制造轻工业等工业部门中广泛应直流时机转速控制方法分两类励磁控制法电枢电压控制法文研究直流调速系统三部分组成包括控制部分功率部分直流电动机长期直流电动机具调节转速较灵活方法简单等特点直传动领域占统治位
文双闭环逆直流PWM调速系统进行较深入研究直流调整系统原理出发逐步建立闭环直流PWM调整系统模型
Abstract
With dc motor speed control is easy rev braking performance is good smooth and in wide range speed adjustment characteristics in metallurgy machinery manufacturing light industry etc Is widely used in the industrial sector The rotational speed of dc timing control method can be divided into two categories namely excitation control method with the armature voltage control method This paper mainly studies the dc speed regulation system it mainly consists of three parts including parts power control direct current motor For a long time the dc motor because of its adjustment speed is more flexible simple method and so on have been occupied dominant position in the field of transmission
In this paper the double closedloop irreversible dc PWM speed regulating system a further study from the principle of dc adjusting system gradually establish a closedloop dc PWM adjustment model of the system
正文
双闭环逆直流脉宽PWM调速系统设计
设计分析
双闭环调整系统传动系统结构图
直流PWM控制系统直流脉宽调制式调速控制系统简称晶闸直流调速系统区直流PWM变换器取代晶闸变流装置作系统功率驱动器系统构成原理图示：
直流PWM传动系统结构图
中属脉宽调制调速系统调制波发生器GM脉宽调制器UPM逻辑延时环节DLD电力晶体基极驱动器GD脉宽调制（PWM）变换器组成关键部件脉宽调制器
模拟式脉宽调制器质电压脉变换装置运算放器输入信号构成电压较器处放器工作开环状态电流调节器输出控制信号Uс控制产生等幅宽度受Uс控制方波脉序列PWM变频器提供需脉信号脉宽调制器加输入端调制信号分锯齿波脉宽三角波脉宽调制器目前较脉宽调制信号数字方法产生专集成PWM控制电路单片微机构成脉宽调制器
双闭环调速系统结构图
直流双闭环调速系统结构图图1示转速调节器电流调节器串极联结转速调节器输出作电流调节器输入电流调节器输出控制PWM装置中脉宽调制变换器作：脉宽度调制方法恒定直流电源电压调制成频率定宽度变脉电压序列改变均输出电压调节电机转速达设计求
双闭环调速系统结构图
调速系统起动程电流转速波形
图2示时启动电流成方波形转速线性增长电流（转矩）受限条件调速系统快起动程
IdL
n
t
Id
O
Idm
IdL
n
t
Id
O
Idm
Idcr
n
n
(a)
(b)
(a)带电流截止负反馈单闭环调速系统起动程 (b)理想快速起动程
图2 调速系统起动程电流转速波形
H桥式逆PWM变换器工作原理
PWM控制示意图图3示控开关S定时间间隔重复接通断开S接通时供电电源Us通开关S施加电动机两端电源电机提供量电动机储：开关S断开时中断供电电源Us电动机电流继续流通
图3：PWM控制示意图
样电动机电压均值Uas：
Uaston·UsTUas
系统电路部分采功率GTR开关元件H桥电路功率放电路构成电路结构图4示图中四GTR分两组VT1VT4组VT2VT3组组中两GTR时导通时关断两组晶体间交导通关断
脉宽调制器作：脉宽度调制方法恒定直流电源电压调制成频率定宽度变脉电压序列均输出电压调节电机转速
图4：H桥式逆PWM变换器
正运行（图a）示
第1阶段0≤t≤ton期间Ub1Ub4正VT1VT4导通Ub2Ub3负VT2VT3截止电流id回路1流通电动机M两端电压UAB+Us
第2阶段ton≤t≤T期间Ub1Ub4负VT1VT4截止VD2VD3续流VT2VT3保持截止电流id回路2流通电动机M两端电压UABUs
反运行（图b）示：
第1阶段0≤t≤ton期间Ub2Ub3负VT2VT3截止VD1VD4续流VT1VT4截止电流id回路4流通电动机M两端电压UAB+Us
第2阶段ton≤t≤T期间Ub2Ub3正VT2VT3导通Ub1Ub4负VT1VT4保持截止电流id回路3流通电动机M两端电压UABUs
双极式控制桥式逆PWM变换器优点：
（1）电流定连续（2）电机四象运行（3）电机停止时微振电流消静摩擦死区（4）低速稳性系统调速范围达1：20000左右（5）低速时开关器件驱动脉较宽利保证器件通
a正电动运行波行
b反电动运行波形
双极式控制逆PWM变换器输出均电压：
电路设计
H桥式逆直流脉宽调速系统电路图5示PWM逆变器直流电源交流电网控二极整流器产生采电容滤波获恒定直流电压电容量较突加电源时相短路势必产生充电电流容易损坏整流二极限制充电电流整流器滤波电容间串入限流电阻电抗）合电源延时开关短路免运行中造成附加损耗
滤波电容器PWM装置体积重量中占份额电容量选择PWM装置设计中重问题PWM变换器中滤波电容作滤波外电机制动时吸收运行系统动作直流电源二极整流器供电回馈电电机制动时滤波电容充电电容两端电压升高称作泵升电压限制泵升电压镇流电阻Rb消耗掉量泵升电压达允许值时接通VT5
图5：桥式逆直流脉宽调速系统电路原理图
元件选择参数计算
直流电动机拖动机械装置系统动机技术数：UN48VIN37AnN200rminRd65Ω电枢回路总电阻R8Ω电枢回路电磁时间常数Tt5ms机电时间常数Tm200ms电源电压Us60V定值ASRACR输出限幅值均10V电流反馈系统β133VA转速反馈系数α005V·minr电动势转速Ce018V·minr调速范围D2系统飞轮矩（含电机传动机构）GD²100Nm²电源：选择单相交流220V供电变压器二次电压67VPWM装置放系数Ks48PWM装置延迟时间Ts04ms
技术指标求：
电动机够实现逆运行求稳态静差动态渡程时间ts≤01s电流超调量бi≤5空载起动额定转速时转速超调量бi≤10
电流调节器参数计算
典型Ⅰ型设计电流调节器电流环控制象双惯性型电流调节器设计成PI型传递函数
求具体参数需知道调节器零点控制象时间常数极点消选择
电流环放系数
求<5取05
中0005s选取时间常数Ks48133
求
电流环传递函数：
时电流超调量435符合系统求
转速调节器参数计算
公式（122）知转速调节器传递函数式（121）（123）求
选取已知Ton001s
公式（124）（125）求转速环开环增益K转速调节器ASR例系数中
中Tm02sCe018 α005
求求转速调节器闭环传递函数：
退饱情况计算转速超调
h5时812202s 00208s018空载启动时
求
见转速超调量求10
信号产生电路
脉宽调制器生产控制PWM变换器功率器件通断PWM信号常种类模拟式数字式专集成电路里选美国德克萨斯仪器公司TL494专集成电路作双端输出型脉宽调制器载波锯齿波信号振荡频率f11(RTCT)中RTCT取值范围RT5～100KΩCT0001～01μF
12脚1516脚分两较器输入端3脚相位控制端4脚死区控制端56脚振荡器CR输入端89脚1110脚分两部驱动晶体集电极发射极通发出脉控制变换器开关交导通截止13脚输出状态控制端13脚高电时两部驱动晶体交导通控制变换器两开关13脚低电时两部驱动晶体驱动晶体时导通截止时控制变换器开关14脚控制器部输出+5V基准参考电压12脚控制器电源输入端
GTR驱动电路原理
GTR驱动电路
驱动作GTR开通关断设计基极驱动电路时应考虑采基极优化驱动方案谓优化驱动理想基极驱动电流波形控制GTR开关程GTR基极串电位抬高二极GTR工作放状态进步改善储存时间
GTR工作原理图
辅助回路设计
电源设计：电路产生基准电压特点：输出电压高纹波电压子承受反电压较低电源变压器充分利效率高滤波电路滤整流输出电压中纹波般电抗元件组成负载电阻两侧联电容器整流电路输出端负载间串联电感L电容电感组合成种复式滤波电路
转速定电路设计
转速定电路滑动变阻器获相应定信号转速定电路产生幅值调极性变阶跃定电压滑调节定电压电路原理图：
转速检测设计
转速检测电路作转速信号变换转速成正电压信号滤交流分量系统提供满足求转速反馈信号
MATLAB仿真设计
双闭环调速系统仿真框图
双闭环直流调速系统仿真框图图1示：
图1 双闭环调速系统仿真框图
中限幅值计算：
仿真结果
21 ACR限幅值
1启动电流启动转速图2
图2 启动电流启动转速图
2 ASRACR输出电压波形图3
图3 ASRACR输出电压波形
3直流电压Ud 波形图4
图4 直流电压Ud 波形
22 ACR限幅值
1启动电流启动转速图5
图5 启动电流启动转速
2 ASRACR输出电压波形图6
图6 ASRACR输出电压波形
3直流电压Ud 波形图7
图7 直流电压Ud 波形
结果分析
系统2秒前稳定设置参数时两秒时加入负载两秒前空载启动观测空载启动启动额定转速时转速超调量4秒时设置转速环断线观测断线前断线输出波形ACR限幅限幅波形ACR限幅时项输出幅值提高实际相符合运行结果正确
总结
脉宽度调制PWM指保持开关周期T变调节开关导通时间t脉宽度进行调制技术PWM控制技术控制简单灵活动态响应优点成电力电子技术等领域广泛应控制方式进行设计前参考资料通设计方案开拓思路
课程设计程度实现动手动脑理实际相互结合实现书实际操作渡
该系统调速精度调速范围求高传统晶闸控调整系统相具调速范围宽快速性功率数高结构简单等优点广泛应行业直流调速系统中通次设计便积累验课程设计奠定基础
参考文献
[1] 王晓明电动机单片机控制(第二版)[M]北京北京航空航天学出版社20078
[2] 张世铭王振直流调速系统[M]武汉华中理工学出版社20085
[3] 余锡存单片机原理接口技术[M]西安西安电子科技学出版社2007
[4] 永权单片机控制系统中应[M]北京电子工业出版社20051
[5] 顾德英张海涛王铁神元调节器双闭环直流调速系统中应[J]辽宁辽宁工程技术学学报2007219(1)
[6] 贺益康许中电机控制(第二版)[M]杭州浙江学出版社20105
[7] 陈伯时电力拖动动控制系统(第三版)[M]北京机械工业出版社20092
[8] 戴梅萼微型计算机技术应(第四版)[M]北京清华学出版社20083
[9] 王福永双闭环调速系统PID调节器设计[J]苏州丝绸工学院学报20081021(5) 3539
[10] 曹远洪 Keil C基AT89C51单片机双极型PWM软件实现[D]工矿动化2005
[11] 杨宇基现场总线技术轧线转速控制系统[D]华南理工学2006
[12] 孙振兴开关磁阻电动机调速技术研究[D]山东学2009
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