PWM直流脉宽调速系统建模与仿真

课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目: PWM直流脉宽调速系统建模与仿真初始条件：1．技术数据：PWM变流装置：R rec=0.5Ω，K s=44。

负载电机额定数据：P N=8.5KW，U N=230V，I N=37A，n N=1450r/min，R a=1.0Ω，I fn=1.14A，GD2=2.96N.m2系统主电路：T m=0.07s，T l=0.005s2．技术指标稳态指标：无静差动态指标：电流超调量：δi≤5%，起动到额定转速时的超调量：δn≤8%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s≤1s 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，具有较宽的调速范围（D≥10），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。

约占总时间的40%指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日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、MATLAB目录PWM直流脉宽调速系统建模与仿真 (2)1 概述 (2)2 设计任务及要求 (2)2.1 主要任务 (2)2.2 设计要求 (3)3 理论设计 (4)3.1 方案论证 (4)3.2 系统模型的建立 (6)3.2.1 直流电机模型 (6)3.2.2 调速系统动态模型 (9)3.3 调速系统性能分析 (10)3.3.1 静态性能和启动过程 (10)3.3.2 动态性能 (12)3.3.3 两个调节器的作用 (12)3.4 调节器设计 (13)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 (14)3.4.1.3 选择电流调节器的参数 (14)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 (16)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 (17)3.4.2.7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..................................................................2 0 4.3 仿真结果 (21)5总结与体会 (22)参考文献 (23)附录………………………………………………………………………………………… 2 4PWM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GTR、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。

2 主要任务及要求题目中所给的负载电机额定数据如下：P N=8.5KW，U N=230V，I N=37A，n N=1450r/min，R a=1.0Ω，I fn=1.14A，GD2=2.96N.m2 T m=0.07s，T l=0.005s所给出的PWM变流装置参数如下：R rec=0.5Ω，K s=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，具有较宽的调速范围（D≥10），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：δi≤5%，起动到额定转速时的超调量：δn≤8%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s≤1s3 理论设计3.1 方案论证要求采用直流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3-1所示，电机Ｍ两端电压AB U 的极性随着全控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，在这里采用最常见的是双极式控制的H 桥型PWM 变换器。

图3-1 桥式可逆ＰＷＭ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3-2所示。

当正脉冲较宽时，on t >2T ，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转。

当正脉冲较窄时，on t <2T ，平均电压为负，电动机反转。

如果正、负脉冲宽度相等，on t =2T ,平均电压为零，则电动机停止。

图3-2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)on on on d s s S t T t t U U U U T T T-=-=- 以ρ=d s U U 定义PWM 电压的占空比，则ρ=21ont T -ρ的变化范围为1- ≤ρ≤1。

当ρ为正值时，电动机正转；ρ为负值时，电动机反转；ρ＝0时，电动机停止。

在ρ＝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微振，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、反向的静摩擦死区。

调速性能指标要求无静差、电流超调量：δi ≤5%，起动到额定转速时的超调量：δn ≤8%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s ≤1s 。

可以看到这样的指标要求较高，采用一般的单闭环调速方式不可能达到要求，所以这里采用转速、电流双闭环调速控制方式。

转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

两者之间实行嵌套连接。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图3-3 转速、电流双闭环直流调速系统原理图其中：ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 *Un -转速给定电压 Un-转速反馈电压 *Ui -电流给定电压 Ui -电流反馈电压3.2 系统模型的建立3.2.1 直流电机模型直流电机有稳态模型和动态模型，由于这里主要研究系统的动态性能，而且动态模型中包含了稳态模型，所以这里只给出了直流电机动态模型的建立。

他励直流电机在额定励磁下的等效电路如图3-4所示，其中电枢回路总电阻R 和电感L 包含电力变换内阻、电枢电阻和电感及可能在主电路中接入的其他电阻和电感，规定的正方向已标明在图中。

图3-4他励直流电机在额定励磁下的等效电路假定主电路电流连续，动态电压方程为d d0d d d d I U R I L E t=++ 忽略粘性摩擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为2375e L GD dn T T dt-= 式中 L T 包括电机空载转矩在内的负载转矩（N m •）； 2GD 电力拖动装置折算到电机轴上的飞轮惯量（2N m •） 额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为e E C n =e m d T C I =式中 m C 电机额定励磁下的转矩系数（N m A ），30m e C C π=。